第04章附加阻力

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1、船舶阻力,第四章 附加阻力,4.1 附体阻力 4.2 空气阻力 4.3 波浪中的阻力增加,1/1,4.1 附体阻力,3,1/3,附体阻力,实船需安装舵、舭龙骨、轴包架、轴和轴支架、声纳等附体(不含螺旋桨)，由于水对附体作用而增加的那一部分阻力称为附体阻力。 由于附体通常安装在水线以下较深的位置，且相对尺寸较小，兴波阻力通常很小，因而认为附体阻力的主要成分是摩擦阻力和粘压阻力。 轴支架等较短的附体，主要是粘压阻力，并可认为其阻力系数与速度无关；而舭龙骨、轴包套等较长的沿流线方向安装的附体，主要是摩擦阻力。,2/3,附体阻力,3/3,一、确定附体阻力的方法 二、附体设计应注意的事项,一、确定附体阻

2、力的方法,目前准确确定附体阻力相当困难，其原因是： 附体阻力复杂。因为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； 尺度效应影响。通过模型试验确定附体阻力，由于船模速度低，附体尺度小，因而存在较严重的尺度效应。 工程上一般采用两种近似方法确定附体阻力：,1/5,1. 用已有资料或经验公式估算 2. 用模型试验确定附体阻力。,1. 用已有资料或经验公式估算,2/5,用经验公式确定附体阻力有两种方式：一是分别求每一附体阻力之后相加；二是将所有附体总起来计算，取裸船阻力的百分数 kap 来表示，称为附体阻力百分数。,不同类型船的附体系数,记裸船体所需有效功率为Peb，则计及

3、附体的实船有效功率Pe1为: Pe1=Peb(1+kap),用已有资料或经验公式估算,中、低速船的附体系数与速度的关系甚小；但高速船或军舰因兴波阻力占总阻力的主要部分，附体也使兴波阻力的增大。 此外，若附体形状特殊或未按流线方向设计，则附体系数应适当加大。,3/5,2用模型试验确定附体阻力,4/5,目前普遍采用模型试验确定附体阻力，通过带附体和不带附体船模试验所得到的总阻力之差来确定附体阻力。为了减少尺度效应，应尽可能采用大模型试验。,逐一去除法是用试验确定附体阻力的实用方法。即先安装全部附体进行试验，然后逐一去除对其它附体干扰小的附体(去除后不再安装)，再进行试验。以保证在附体阻力中既包含其

4、自身阻力，又包括它对船体及其它附体的干扰力。,用模型试验确定附体阻力,设模型试验得到的不带附体船模的总阻力为Rm；加装全部附体后的总阻力为Rm+Rm。则模型的附体系数： kapmRm/Rm， 认为实船的附体系数kaps等于模型的附体系数kapm，这样实船的附体阻力: Rs=kapmRs,5/5,二、附体设计注意事项,1/2,1. 附体应沿船体流线方向设置，以减小附体产生的旋涡，而减少粘压阻力。 舭龙骨的长度通常为船长的30 50，如布置得当，其阻力基本上仅为摩擦阻力，但如与流线交叉，将引起很大的粘压阻力，故其安装位置需经流线观察试验确定，同样轴包架、轴支架等也应尽可能沿水流方向装置。,2,附体

5、设计注意事项,2.尽可能采用湿面积较小的附体，以减小附体的摩擦阻力。 3.舵、轴支架、轴包架等附体沿水流方向应采用流线型对称剖面，对减小附体阻力有显著的作用。,2/2,4.2 空气阻力,1/6,空气阻力,船舶在航行中、船体水线以上部分和上层建筑与空气的相互作用而受到的阻力。空气阻力包括空气的摩擦阻力和粘压阻力两部分。因为空气的密度和粘性系数比水小得多，所以空气阻力通常只占船总阻力的很小部分。 在空气阻力中，摩擦阻力只占极小部分，而主要部分是粘压阻力。它与船舶水上部分的外形以及与风的相对速 度大小和方向有关。 空气阻力Raa可由下式计算：,2/6,Ca:空气阻力系数, a:空气密度(1.226/

6、g kg/m3), At:船体水线以上部分在中横剖面上的投影, va:相对风速。,相对风速va,3/6,相对风速: va=vs+uwcos(a) vs: 船速 uw:风速(按风级从表4-2中查取) a:风速与船速间的夹角。,实用上所说的空气阻力，是指船在静止空气或风速小于 2 级情况下航行时所遭受的空气阻力。对一般船舶，特别是肥大船，可按下式估算空气阻力系数:,(4-9),水的密度；S船体湿表面面积(m2)；At船体水线以上部分在横剖面上的投影(m2)。,空气阻力系数,根据风洞试验，空气阻力系数Caa的平均值为：,4/6,空气阻力试验,5/6,空气阻力可通过以下试验确定： 1.在风洞中做船舶水

7、上部分的模型试验； 2.将带有上层建筑的船模倒置在水中进行拖曳试验。,三岛式船和客船的空气阻力试验结果,空气阻力估算,6/6,船舶设计中常以裸船阻力的百分数来估算空气阻力，一般船舶，如风速不大于2级时，其空气阻力百分数kaa=2 4，而高速军舰则要大很多。如果已确定船的附体阻力和空气阻力则实船的有效功率(静水有效功率)Pet: Pet=Peb(1+kap+kaa),在设计船体上层建筑时，应注意上层建筑尽可能低而长，尽可能减小水上部分在舯横剖面上的投影面积；上层建筑前端应设计成流线型，后端可做成阶梯形。,4.3 波浪中的阻力增加,船在风浪中航行时所增加的阻力称为波浪中阻力增值或称为汹涛阻力，记作

8、Raw。其大小与风浪大小、方向及船型、航速等因素有关。,1/2,波浪中的阻力增加,一.引起波浪阻力增加的原因 二. 影晌波浪中阻力增值的因素 三. 波浪阻力增值的处理与储备功率,2/2,1船体运动 船在波浪中航行，将产生纵摇、升沉、横摇和摇首等运动，使阻力增加，航速降低。其中主要是纵摇、升沉运动的影响，横摇和摇首较为次要。 船舶在波浪中所增加的阻力与船体运动的幅值等参数有关。,一.引起波浪阻力增加的原因,1/3,2船体对波浪的绕射作用,2/3,波浪遇到船体后，被船体绕射而产生反射波，该水波的能量就是船体阻力增值的一部分。 由于波浪作用引起船体周围压力周期性变化，因而阻力随之发生变化，其平均值较

9、静水阻力为大； 波浪中船体严重淹湿也使浸湿面积增大，亦是造成阻力增加的因素之一。,波浪阻力增加曲线,图示某船在规则波、不规则波中迎浪的阻力增值曲线。图中Rs是静水阻力，Raw是平均汹涛阻力。规则波中Raw不随时间而变，汹涛阻力的瞬时值与平均值之差Raw按波浪遭遇周期有规则地变化。不规则波中，Raw和Raw为服从概率正态分布的随机变量。,3/3,波浪中的阻力增值问题相当复杂，已有的研究表明，影响波浪中阻力增值的因素主要有波浪和船型两方面：,二.影晌波浪中阻力增值的因素,1/5,1. 波浪方面 实验表明所有船型的波浪阻力增值随遭遇波高平方成正比增加。肯夫给出了不同方形系数船舶在波浪上航行时的速度降

10、低百分数与波高的关系。,波浪与船的纵摇谐振,2/5,波浪阻力增值主要取决于船舶的纵摇和升沉运动的强烈程度以及与波浪的相位关系。一般，横摇与首摇运动产生的阻力增值较小，可不予考虑。当波浪周期与船的纵摇周期接近时，即使波浪高度并不大的情况下，也会发生相当大的纵摇运动，此时船体阻力增值可能很大。实用上可以变更船的航速或航向来避免这种情况。,遭遇波长的影响,路易斯的研究指出，若遇波浪的波长在船长3/4以下，产生的纵摇和升沉运动都较小；遭遇等于或大于船长的,波时，产生的运动将大为加剧，波浪中的阻力增值亦将显著增大。迎浪情况下的模型试验结果表明，在波长与船长比/L=1 附近的区域，是纵摇谐振区，也是阻力增

11、值Raw/的峰值区。,3/5,2. 船型方面, 方形系数Cb不同，在遭遇相同情况的波高时，它们的阻力增值不同。当船的方形系数超过0.74，其波浪中的速度损失随波高增加而迅速增长。 船长影响，如所设计的船航行于经常出现波长与船长之比大于3/4范围的航区，必须对波浪中阻力增值予以一定重视。,4/5,船型方面,船首部形状影响，试验表明，船首采用V型剖面则波浪中阻力增值较U型小。 在同样风浪下，船舶处于满载状态的阻力增值较压载状态为小，这是因为满载船体运动较压载时小。,5/5,三.波浪阻力增值的处理与储备功率,1/6,船舶在风浪中航行时由于风浪作用而产生阻力增值，这样会出现下面两种情况： 1.由于波浪

12、阻力增加，在保持静水中相同功率时，航速必然下降，这种航速的减少称为速度损失或简称失速。 2.考虑波浪阻力增值，如要维持静水中相同航速，则功率必须较静水功率有所增加，所增加的功率称为储备功率。,风浪中平均有效功率增量公式,2/6,马隆(Malone)提出的船舶在风浪中平均有效功率增量Pe的经验公式，可供近似估算储备功率时使用。 Pe=4.594B(2w+0.152)2/(TLpp2) (kw) Lpp两柱间长; B船寬; T吃水;排水量;w=0.02vw2波高; vw风速(m/s)。 算例：某滚装船LppBT=16727.349.12m, =29753t, Cb=0.712, Vs=18kn,

13、Pe=7186kw, 按马隆式计算：,储备功率估算,3/6,船舶设计时，通常总是综合考虑波浪中阻力增值、强风作用下的空气阻力、污底增加的阻力、主机性能下降以及风浪中由于操纵性恶化而增加的阻力等各种因素。 考虑波浪阻力增加而储备的功率，是在已计入附体阻力、空气阻力的静水航行功率后，再增加的功率百分数，记为kaw。这样计及波浪中阻力增值等因素后的实际有效功率Pew为： Pew=Peb(1+kap+kaa)(1+kaw),静水有效功率 附体系数 空气系数 波浪系数,船舶正常航行必需的功率,4/6,试航速度与服务航速,试航速度: 船舶建成后，在要求装载情况下，且主机额定功率在平静水域中所能达到的速度。

14、 服务航速: 考虑船舶在航行中受风浪和污底等原因致使阻力增加，以持久功率(约为额定功率的85 90)在平均海况下船舶所能达到的航速。,5/6,储备功率选择,储备功率的应视船长、船型、航道和船的业务性质而定，通常根据船长和方形系数相近的同型船舶在同样条件下航行的经验加以确定，一般取 kaw=1530，或者由耐波性试验求得。 备用功率不宜过大，否则在良好气候中，其结果很不经济；而在恶劣气候下，为防止发生危险事故，机器功率必须减低，也不能发挥储备功率的作用。,军舰勿需考虑功率储备,军舰，因对作战能力的特殊需要，有巡航速度和最大航速之分，且两者相差很大(50或更多)。 其主机的功率配备都是以满足静水中能达到最大航速为标准。所以功率估计仅考虑其在静水中的需要，在波浪中则尽力维持其可能达到的最大速度。相对于巡航速度而言，军舰已具有极大的备用功率，所以这时的备用功率自然勿需考虑。,6/6,本章作业,第四章 附体阻力 1，3，5。,谢谢！,1/1,吋,1/1,特殊符号,第一章 总论 p40 2 第二章 粘性阻力 p97 4 第三章 兴波阻力 p83 4 第四章 附加阻力 p32 2 第五章 船模阻力试验 p65 4 第六章 船型对阻力的影响 p126 8 第七章 阻力的近似估算方法 p48 4 第八章 船在限制航道中的阻力 p55 4 第九章 高速船的阻力特性 p 32,