第四章附加阻力
排水型船在航行时，除了裸船体受到兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力和破波阻力之外，船的各种附属体也受到水阻力，水面以上的船体受到空气阻力，风浪亦使船的阻力相对静水时有一定增加。这三种因素产生的阻力合称为附加阻力。本章就这三种阻力加以概述，并适当介绍这些阻力的确定方法及在船舶设计时应注意的事项。
§4-1 附体阻力
船舶设计水线以下的附属体，如舭龙骨、舵、轴包架、轴和支轴架等，统称为船的附体。由于附体的存在而产生的阻力称为附体阻力。
由于船的附体通常位于水下较深位置，且相对尺寸较小，因而认为附体阻力的主要成分是摩擦阻力和粘压阻力。那些较短的附体，如支轴架等，其阻力成分几乎都是粘压阻力，并认为其阻力系数与速度无关；另一类是长附体或沿流线方向安装的附体，如舭龙骨、轴包架等，其阻力几乎都是摩擦阻力。
一、确定附体阻力的方法
目前要准确地确定附体阻力尚有相当困难，其原因在于两个方面：其一是由于附体阻力的复杂性所决定。因为确定附体阻力问题除要精确地确定各种附体的自身阻力外，还要确定附体与船体之间的干扰阻力；其二，如果试图通过模型试验的方法来确定附体阻力，由于船模速度低，附体尺度小，因而存在着较严重的尺度效应问题。
工程上，确定附体阻力系数采用近似方法，主要有两种：一种是应用经验公式或经验数据来确定每一个附体的阻力值或附体系数值；另一种是船模附体阻力试验，通常可给出较满意的结果。
1．经验公式确定附体阻力
(1) 舭龙骨：应沿水流方向安装。其长度常在船长的1/3～1/2之间，布置时在船中央以前的长度不宜大于船长的10%。其深度不宜伸至界层边缘以外或龙骨以下，所增的阻力约等于由于湿面积加大而增加的摩擦阻力，一般不大于裸船体阻力的1%～3%。若舭龙骨沿对角线设置，所增加的总阻力可取其摩擦阻力的5/3倍。
(2) 舵：对于不同尾型、舵型及舵的安装位置，所产生的附加阻力也不同。流线型舵的阻力可取其自身摩擦阻力的1.5倍。计算舵的摩擦阻力亦可按相当平板计算，其雷诺数中的特征长度取舵本身的弦长，来流速度应对船体伴流及螺旋桨尾流加以修正。对单螺旋桨船，舵的阻力一般约为裸船体阻力的l%～2%。对双螺旋桨船，当采用中舵时，舵有相当于增加有效船长的作用，可减小船尾部的粘压阻力。在此情形下，舵的阻力可予以忽略不计。对双螺旋桨的双边舵，其阻力值约为裸船体阻力的3%～5%。一般来说，舵在螺旋桨后都具有不同程度的整流作用，或多或少地改善船的推进效率，所以常将舵视为推进装置的一部分。
(3) 坞座龙骨：因坞座龙骨必须在纵向强度构件之下，因而不可能完全沿水流方向装置，其阻力可取为其自身摩擦阻力的4倍。
(4) 轴包架：也称支轴鳍，应尽可能沿流线方向布置，使之不产生涡流。轴包架的阻力
值在一般情况下约为裸船体阻力的5%～10%，船体形状愈尖瘦或轴包架尺度愈大者，其阻力值亦愈大。
(5) 轴支架和轴：轴支架也叫人字架。轴支架所受阻力主要是粘压阻力，因而应采用流线型剖面，且长度方向沿流线方向布置。采用左右两轴支架的阻力可按下面的经验公式计算：
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.02
s 2V b R 架 (N ) (4-1)
式中 b —— 螺旋桨处轴与船中线面间的距离(m )；
V s —— 船速(kn )。
此式仅适用于支柱的总长为3b ，平均厚度为0.054b 的情况。对于其它尺度情况可按正比关系换算得到。
对于在螺旋桨毂后端装有螺旋桨帽，且其长度为桨毂直径2倍的螺旋桨轴的阻力可按下面公式计算：
R 轴 = 0.298bdV s (4-2)
式中 b —— 螺旋桨轴与船中线面的距离(m )；
d —— 轴的直径(m )； V s —— 船速(kn )。
在船舶设计中，附体阻力常用附体系数k ap 的形式来表示。它是装置全部附体后较之裸船体所增加的有效功率(或阻力)与裸船体所需有效功率(或阻力)之比。因此附体系数又称附体阻力百分数。其数值可根据各类船舶统计值选取，如表4-1所示。
这样，计及附体后的实船有效功率P e1可由下式计算得到：
P e1 = P eb (1+k ap ) (4-3)
其中，P eb 为裸船体所需有效功率。
表4-1 不同类型船的附体系数
2．应用模型试验确定附体阻力
目前确定附体阻力比较普遍的方法是采用模型试验。具体做法是：通过比较带有附体的船模试验和裸船体船模试验所得的总阻力之差，来确定附体阻力。为了克服尺度效应，要采用尽可能大的试验船模。
设由模型试验得到的裸体船模的总阻力为R m ，加装全部附体后的总阻力为(R m +ΔR m )，则模型的附体阻力系数C apm 为： 模型的附体系数k apm = ΔR m /R m 。相应实船的裸体阻力R s 可通过傅汝德换算法得到，而相应实船的附体阻力ΔR s 可由下面方法得到：
(1) 认为实船的附体阻力系数C aps 等于船模的附体阻力系数C apm ，则有：
ΔR s = C apm ·2
1ρs S s υ2
s (N ) (4-4) 若不计水密度的差别，由上式可得到：
ΔR s = λ3
ΔR m (4-5)
式中λ为模型的缩尺比。
由于尺度效应的影响，按上式计算实船附体阻力结果偏大，为此引入一个附体尺度效应因子β进行修正，即有：
ΔR s = β λ3
ΔR m
或 C aps = β C apm (4-6) 式中β的具体数值按英国有关研究部门建议可取0.5或0.6，但尚未为各国广泛采用。
(2) 认为实船的附体系数k aps 等于模型的附体系数k apm 。这样，实船的附体阻力为： ΔR s = k apm · R s = Δ R m · R s / R m (4-7) 由于该换算法的尺度效应较小，所以实用上，常用这种方法确定实船的附体阻力。
二、附体设计应注意的事项
附体阻力的主要成分是粘压阻力和摩擦阻力，因此附体的设计应从减少这两种阻力成分着手。附体设计应注意的事项主要有：
(1) 附体应沿船体流线方向设置。其目的是减小由附体所产生的旋涡，从而减小粘压阻力。舭龙骨的安装位置最好由船体流线试验来确定，其阻力几乎仅为摩擦阻力。轴包架尽可能沿水流方向装置，一般来说当包架纵剖面后端的斜度不超过15°时，如图4-1所示，粘压阻力几乎全部消失，所产生的阻力仅为摩擦阻力。
应该指出的是：如对轴支架和轴以及轴包架等设置不当，会形成大量旋涡，不但增大了粘压阻力，而且由此引起螺旋桨效率下降而造成的损失常较其本身所增加的粘压阻力还要大。
(2) 尽可能采用湿面积较小的附体。其目的在于减小附体所引起的摩擦阻力。—般民用船常用轴包架，虽然其湿面积较轴支架有所增加，然而由于这类船的棱形系数大，船体本身的湿面积大，以致采用轴包架所增加的湿面积影响甚微。相反，可使轴的相当长部分处于船体以内，有利于轴的保养。高速军舰的船体较瘦削，若采用轴包架，则其尺度将很大，以致湿面积有较显著的增加，阻力将增大，所以常用轴支架形式。采用轴支架不但在造价和重量方面显示其优点，而且对舰艇的操纵性亦是有利的。图4-2绘出了轴支架和轴包架两者的湿
