船舶阻力1(修改稿)

1、江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,§1.1船舶快速性及研究方法,{浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、耐波性、操縱性}一、船舶快速性 船舶快速性是研究船舶盡可能消耗較小的機器功率以維持一定航行速度的能力的科學。 船舶快速性是在給定主機功率時，表征船舶航行速度快慢的一種性能。船舶快速性研究所包含的兩部分內(nèi)容： （1）船舶阻力：研究船體

2、在運動過程中所受到的各種阻力問題。 （2）船舶推進：研究克服船體阻力的推進器及其與船體間的相互干擾及船、機、槳的匹配問題。,船舶阻力——第一章緒論——船舶快速性及研究方法,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,§1.1船舶快速性及研究方法,二、船舶阻力課程內(nèi)容和任務(wù) 1、各種阻力成因與性質(zhì) 2、阻力隨航速、船型及外界條件變化規(guī)律 3、減阻方法 4、優(yōu)良船型 5、

3、阻力估算三、研究方法 1、理論方法 理論分析 CFD ：STARCD、FLOW-3D、CFX、FLUENT 2、試驗方法 船模試驗和實船試驗,船舶阻力——第一章緒論——船舶快速性及研究方法,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,一、概述

4、 裸船體阻力 船體阻力 靜水阻力 水阻力 附體阻力船舶阻力 洶濤阻力 附加阻力 空氣阻力二、船體阻力的成因及分類

5、1、船體阻力的成因 波浪 興波阻力 Rw 現(xiàn)象 邊界層（粘性） 摩擦阻力 Rf 旋渦（曲度驟變處） 粘壓阻力（旋渦阻力）Rpv,,,,,,,,,,,,,船舶阻力——第一章緒論——船舶

6、阻力的分類及阻力曲線,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,興波阻力：由興波引起的壓力分布改變所產(chǎn)生的阻力。摩擦阻力：由于水存在粘性在船體周圍形成邊界層，使船體運動過程中受到粘性切應(yīng)力作用，表現(xiàn)為船體表面產(chǎn)生了摩擦力，其在運動方向的合力為摩擦阻力。粘壓阻力：由于水的粘性和船體曲度變化，會產(chǎn)生旋渦、邊界層等情況改變了沿船體表面壓力分布，引起船體前后壓力不平衡而產(chǎn)生的阻力為粘壓阻力。,,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,船

7、舶阻力——第一章緒論——船舶阻力的分類及阻力曲線,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,,2、船體阻力分類按成因分： Rt=Rw+Rf+Rpv按流體作用力方向分： 壓力（興波、旋渦） 切向力（摩擦） Rt=Rf+Rp按流體性質(zhì)分： Rt=Rw+Rv 其中：Rv =Rf+Rpv,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,船舶阻力——第一章緒論——船舶阻力的分類及阻

8、力曲線,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,,3、阻力關(guān)系： 摩擦阻力Rf船體阻力 粘壓阻力Rpv 粘性阻力Rv 壓阻力Rp 興波阻力Rw4、各部分所占船體阻力比

9、重,,,,,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,船舶阻力——第一章緒論——船舶阻力的分類及阻力曲線,,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,三、阻力曲線和有效功率曲線 1、影響阻力主要因素 航速 船型 外界條件 2、阻力曲線 Rt=f1(Vs) 3、有效功率 Pe曲線 Pe=Rt* Vs [注]： 有效功率 Pe曲線較之阻力Rt曲線為Vs的高

10、一次函數(shù)曲線,,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,船舶阻力——第一章緒論——船舶阻力的分類及阻力曲線,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,四、速度參數(shù)的表達 速度V ：m/s km/h （ n mile/h）（1 n mile=1.852km ） 1 kn= 1.852 km/h = 0.5144 m/s 無量綱參數(shù) 傅汝德數(shù) Fr= ?s/(gL)0.5 速

11、長比 Vs/(L)0.5 （Vs-- kn； L --ft） Fr =0.2977Vs/(L)0.5 雷諾數(shù) Re=?sL/ ? ?—運動粘性系數(shù)（米2 / 秒）,,§1.2船舶阻力的分類及阻力曲線,船舶阻力——第一章緒論——船舶阻力的分類及阻力曲線,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,,一、粘性阻力相似定律——雷諾定律

12、 R?=?（?，L，v， ? ） 取 ?，L，v 為基本量 ?定律： ?1、 ?2 [ R?] = [?] [v2] [L2] [?] = [v] [L] ?1= R? / ?v2L2 （R? / 0.5?v2S = C? 粘性阻力系數(shù)） ?2 = ? / v L = 1/Re 根據(jù)?定律

13、 ?1=?(?2 ) C? = R? / 0.5?v2s = ?( 1/Re ) = f( Re ) 1. 對于一定形狀的物體，粘性阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，當雷諾數(shù)相同時，則粘性阻力系數(shù)必相同； Cf = Rf / 0.5?v2s = f ( Re ) （深水、平板、順平面運動） 2.平板摩擦阻力系數(shù)Cf僅僅是雷諾數(shù)的函數(shù)，當

14、雷諾數(shù)相同時，摩擦阻力系數(shù)必相同。,,§1.3阻力相似定律,船舶阻力——第一章緒論——阻力相似定律,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,,二、興波阻力相似定律——傅汝德定律 Rw = ?（?，L，v， g ） 取 ?，L，v 為基本量 ?定律： ?1、 ?2 [ Rw] =[?] [v2] [L2]

15、 [T]= [L] [v -1 ] [g]= [v] [T -1 ] = [L -1 ] [v2 ] ?1= Rw / ?v2L2 Rw / 0.5?v2S = Cw 興波阻力系數(shù) ?2 = g / v2 L-1 = g L/ v2 = 1 / Fr 2 Fr=v/(g L ) 0.5 (傅汝德數(shù))根據(jù)?定律 ?1

16、=?(?2 ) Cw = Rw / 0.5?v2s = ?( 1/ Fr 2) = f( Fr ) 1.傅汝德定律：對于給定船形的興波阻力系數(shù)僅是與傅汝德數(shù)Fr有關(guān)，當兩船傅汝德數(shù)相等時，興波阻力系數(shù)Cw必相等,,§1.3阻力相似定律,船舶阻力——第一章緒論——阻力相似定律,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,2、傅汝德比較定律：形似船在相應(yīng)速度時（或相同F(xiàn)r時）單

17、位排水量興波阻力必相等。 Rws/ ?s = Rwm / ? m 證明：相應(yīng)速度 Fr m=Fr s vm/(g L m) 0.5 = vS/(g LS) 0.5 vm = vS /(L S / Lm) 0.5= vS / (?) 0.5 由傅汝德定律 Cwm = Cws Rwm / 0.5?

18、mvm2Sm = Rws / 0.5?s vs2Ss Rws = Rwm ?svs2Ss / ?mvm2Sm 因為：形似船 Ss / Sm = ?2 相應(yīng)速度 vS2 / vm2 = ? Rws = Rwm ?svs2Ss / ?mvm2Sm = Rwm (?s/ ?m) ?3 = Rwm (?s/ ?m)(?s/ ?

19、m)= Rwm ( ?s/ ? m),,§1.3阻力相似定律,船舶阻力——第一章緒論——阻力相似定律,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,三、船體總阻力相似定律——全相似定律 Rt = ?（?，L，v， ?， g ） 取 ?，L，v 為基本量 ?定律： ?1、 ?2 、?3 [ Rt] =[?] [v2] [L2]

20、 [T]= [L] [v -1 ] [?]= [v] [L] [g]= [v] [T -1 ] = [L -1 ] [v2 ] ?1= Rt / ?v2L2 Rt / 0.5?v2S = Ct 總阻力系數(shù) ?2 =? / v L = 1/Re

21、 ?3 = g / v2L -1 = 1 / Fr 2 根據(jù)?定律 ?1=?(?2 ，?3) Ct = Rt / 0.5?v2s = ?(1/Re ,1/ Fr2 ) = f(Re ,Fr) 水面船總阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)的函數(shù)，若能使實船與船模的Re和Fr同時相等——全相似(形似船) 全相似定律:滿足全相似條件，實船與船模的總阻力系數(shù)為一常數(shù),

22、,§1.3阻力相似定律,船舶阻力——第一章緒論——阻力相似定律,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,一、實現(xiàn)全相似的條件Frm=Frs vm /(gLm )0.5 = vs /(gLs)0.5 Rem=Res vmLm/ ?m = vsLs/ ?s vm 2 = vs2 (Lm / Ls)

23、 vm 2 = vs2(Ls/ Lm)2(?m / ?s)2Fr和Re同時相等，則必有： ?m = ?s (Lm / Ls)3/2 （1）若假定縮尺比 ?= Ls/ Lm =36 則 ?m = ?s / 216——不可能船模通常在水池中試驗， 一般 可認為 ?m = ?s 要滿足公式（1）， 則必須 Lm =Ls

24、意味著需用實船大小的模型進行試驗——不切實際 全相似難以實現(xiàn)通常情況下，船模試驗連單一的雷諾數(shù)相等也不可能實現(xiàn),,§1.4傅汝德假定,船舶阻力——第一章緒論——傅汝德假定,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,二、傅汝德假定1、總阻力可分為獨立的二部分，一為Rf僅與Re有關(guān)；另一為Rpv與Rw合并后的剩余阻力Rr，僅與Fr有關(guān)，且適用比較定律。 Rt=Rf+Rr Rr=Rpv

25、+Rw Rt=f(Re，F(xiàn)r)=f1(Re)+f2(Fr) Rf =f1(Re) ，Rr = f2(Fr)2、假定船體的摩擦阻力等于同速度、同長度、同濕面積的平板摩擦阻力。——相當平板假定,,§1.4傅汝德假定,船舶阻力——第一章緒論——傅汝德假定,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,作用：如果滿足傅汝德數(shù)相等組織船模試驗，同時運用傅汝德假定，可以將實驗結(jié)果

26、換算得到實船在相應(yīng)速度時的阻力。 實船阻力 ： Rts=Rfs+Rrs 比較定律 Rrs = Rrm（ ?s / ? m） Rts=Rfs+Rrs= Rfs+ Rrm（ ?s / ? m） 船模剩余阻力 Rrm= Rtm-Rfm ?

27、s / ? m=（?s/ ?m） ?3 Rts= Rfs+（ Rtm - Rfm）（?s/ ?m） ?3 ——傅汝德?lián)Q算關(guān)系無量綱表示 Cts=Cfs+Crs （C = R / 0.5 ? V2 S ） Crs=Crm Crm=Ctm-Cfm

28、 Cts=Cfs+Crm=Cfs+Ctm-Cfm,,§1.4傅汝德假定,船舶阻力——第一章緒論——傅汝德假定,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,問題：割裂了Rf和Rr間的相互影響理論上不合理 Rw和Rpv阻力性質(zhì)不一樣船體是三維的,,§1.4傅汝德假定,船舶阻力——第一章緒論——傅汝德假定,江蘇科技大學船舶與海洋工程學院 張瑞瑞,本章小結(jié)：