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1、,船舶快速性,应业炬,主讲教师,快速性概述,一、船舶快速性概念 船舶在航行过程中会受到流体（水与空气）阻止它前进的力，这种与船体运动方向相反的作用力称为船的阻力。 为了使船舶维持一定的速度航行，必须对船舶提供推力以克服阻力。 船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的机器功率以维持一定航行速度的能力，或者说，船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航行速度快慢的一种性能。 因此，快速性的含义是：对一定的船舶在给定主机功率时，能达到的航速较高者，谓之快速性好，反之为差；或者，对一定的船舶要求达到一定航速时，所需主机功率小者，谓之快速性好，反之则否。,二、本课程的研究内容和任务,快速性是船舶诸性能中的重
2、要性能之一。快速性的优劣，对一般船舶来说将影响船舶的使用性和经济性，或对军用舰艇的作战性能密切相关。在船舶设计中应当从下述四个方面来考虑对快速性的要求： 船舶于航行时所遭受的阻力要小，即所谓优良线型的选择问题； 选择推力足够，且效率高的推进器； 选取合适的主机； 推进器与船体和主机之间协调一致。,“船舶阻力”是与造船工程实际密切联系，对设计性能良好的船舶具有重要意义。其研究的主要问题包括：船舶以一定速度在水中航行时所遭受的各种阻力成分的成因、特性，及随航速，船型和外界条件不同的变化规律；研究减小阻力的方法，寻求设计低阻力的优良船型；研究船舶阻力估算方法，以及如何通过模型试验来确定船舶阻力，为决
3、定主机功率，设计推进器(螺旋桨)提供可靠的依据。 “船舶推进”主要研究推进器在水中运动时产生推力的基本原理，影响螺旋桨性能（效率的因素，船机桨的配合，以及如何设计性能优良的螺旋桨推进器等问题。,三、研究方法,1理论研究方法 是根据观察实际现象，进行力学抽象与数学建模，从而利用流体力学的基本理论和数学工具来分析、研究和计算船舶阻力与推进问题。 2试验方法 它是将实船或螺旋桨按一定比尺缩小，制作成船模或桨模，然后在试验水池或水洞中进行试验，测量与分析船模的阻力，或螺旋桨的推力。 3数值模拟 近年来，由于高速计算机的迅速发展和普及，加上数值方法的进步，因此根据数学模型，采用数值方法（数值模拟）预报船
4、舶航行性能和优化船型及推进器的设计。,第一章 绪 论, 1-1 船舶阻力划分与分类 裸船体阻力 静水阻力 水阻力 附体阻力 船舶阻力 船舶阻力 汹涛阻力 附加阻力 空气阻力,一、船体阻力成因及分类,1船体绕流物理现象与阻力成因 其一，船体在运动过程中兴起波浪，简称兴波（R w）。 其二，由于水的粘性，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用， 亦即船体表面产生了摩擦力（R f ）。 其三，在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部常会产生旋涡（R p v）。,2船体阻力的分类,a、按上述船舶周围流动现象和产生的原因来分类 R t R w + R f + R pv b、按作用在船体表面上的流体作用力的
5、方向来分类 R t = R f + R p C、按流体性质分类,R t = R w + R v,显然，船体总阻力与各种阻力成分间的关系可以表示如下：,摩擦阻力 Rf 总阻力 Rt 粘性阻力 Rv 粘压阻力 Rpv 压阻力 Rp Rt 兴波阻力 Rw ,图1-2 船体受力示图,二、阻力（有效功率）与航速及船型的关系,对于给定的船型，且在一定的外界条件下，船体阻力仅仅是航速s的函数，其公式表示为： R t f 1 (s ) 若船速为s时，船体总阻力为R t，则直接用于克服船体阻力所需的功率，称为有效功率，以Pe 示之，其数值为： P e R t s,图1-3 阻力曲线和有效功率曲线, 1-2 阻力
6、相似定律,一、粘性阻力相似定律：雷诺定律 根据分析，认为粘性阻力Rv 与水的质量密度、物体长度L、速度、水的运动粘性系数有关，可以写成： Rv = ( ，L，) 根据量纲表示式，组成无量纲数1，2： 1 = 2 = = = 其中 Re = L / ，称为雷诺数,据定理，列出下式的无量纲函数表示式： 1 = (2)，即可得 Cv = = ( ) 或者 Cv = f (Re ) 上式表明：对一定形状的物体，粘性阻力系数仅与雷诺数有关，当雷诺数相同时，则粘性阻力系数必相等。 Cv，则称为粘性阻力系数,二、兴波阻力相似定律：傅汝德定律,影响兴波阻力的物理量是 ，L， 和重力加速度g，因而可写成： Rw
7、 = ( ，L，g ) 据定理，列出上式的无量纲函数表示式为： 1 = (2)，即可得 Cw = = ( ) 因此，对于给定船型必有： Cw = f (Fr),由上式知，对于给定船型的兴波阻力系数仅是傅汝德数的 函数，当两船的Fr 相等时，兴波阻力系数Cw必相等，这称 为傅汝德定律。 显然，对于不同船型而言，兴波阻力系数Cw除与Fr数有关 外，还将因船型变化而发生变化。 现在来讨论在船舶工程中经常要应用的形似船在相应速度时的傅汝德定律问题。,形似船是指仅大小不同，而形状完全相似的船舶之间的统称，如实船和船模即为形似船。,相应速度是指形似船之间，为了保持傅汝德数Fr相同，则它们的速度必须满足一定
8、的对应关系。对于船模和实船，要求 = ；则相应速度关系为： m = = 式中：下标 m，s分别为船模和实船的参数；是实船与船模间的缩尺比。,由于实船与船模的船型是相同的，且在相应速度时，它们的傅汝德数亦是相等的，故它们的兴波阻力系数必相等，可表示为：,= 或 R w s = R wm 考虑到形似船，且在相应速度，则必有：Ss / S m = 和 / = 代入上式得： R w s = R w m = R w m,其中 s ， m分别为实船和船模的排水体积，如改用相应的排水量，最后得： R w s = R w m 或 = 常数 由上式知，形似船在相应速度时(或相同Fr数)，单位排水兴波阻力必相等。
9、这称为傅汝德比较定律。由此知，试验求得船模的兴波阻力后，就可得到相应速度时的实船兴波阻力。,三、船体总阻力相似定律: 全相似定律,船体总阻力R t 应是，L，和 g 的函数，可写作： R t =（，L，g） 根据量纲式，组成无量纲数1，2，3： 1 = , 2 = = , 3 = = 据定理，列出无量纲函数表示式： 1 = (2，3) 即 Ct = = ( ， ),所以，对一定船型： Ct = f (Re，Fr) 由上式知，水面船舶的总阻力系数是雷诺数和傅汝德数的函数；若能使实船和船模的雷诺数和傅汝德数同时相等，就称为全相似。满足全相似条件下，实船和船模的总阻力系数为一常数，故称为全相似定律。
10、, 1-3 速度参数及其物理意义,一、速度参数的表示 研究船舶快速性中常常用到船速，而船速在实用上是以节 （kn）为单位。1knl n mile/h，而1 n mile =1852m，或 6080ft，所以l kn0.5144 m/s。 有些国家常用速长比 代替傅汝德数，但其中航速Vs以 “kn”计，L以“f t”计，傅汝德数与速长比的关系为： Fr = 0.2977 或 = 3.355 Fr, 1-4 傅汝德假定,一、实现全相似的条件 如果要求实船与船模满足傅妆德数相等，则有： = 若雷诺数等，则有： = 若雷诺数和傅汝德数同时相等，则必有：,m =s 这里下标m，s分别代表船模和实船的数据
11、，设 实船对船模的尺度比 LS / Lm 36，则由上式得： m = vs / 216 要满足此式在实际上还存在困难，因为要求试验池 的介质的粘性系数仅为实船航行介质的1/216，这是不 切合实际的。若船模也在水池中进行试验，而水的运 动粘性系数相差不大，可假定 m = s ，则要满足上 式的全相似条件的话，除非=1，即Ls = Lm，这就意 味着实船在试验池内进行试验，显然这是不现实的。,二、傅汝德假定,船模与实船不能同时满足雷诺数和傅汝德数相等，所以 不可能根据船模试验结果直接求得实船的总阻力。实际上单 一的雷诺数相等也是不能实现的。因此，只能在保持傅汝德 数相等的情况下组织试验。为了能从
12、船模试验结果求得实船 的阻力，傅汝德作出下列假定： (1) R t = R f + R r (2) 相当平板假定 如果满足傅汝德数相等组织船模试验，同时应用傅汝德 假定，便可将试验结果换算得实船在相应速度时的阻力。,傅汝德换算关系 :,R t s = R f s +（Rtm- R f m） 显然，由船模试验得到船模总阻力R t m，并分别计算船模和实船的摩擦阻力后，即可得实船总阻力。 傅汝德换算关系式亦可用无量纲形式表示 Ct s = C f s + Cr s 因在速度相应时：Cr s = Cr m ，而Cr m = Ct m C f m ，代入上式有： Ct s = C f s + Cr m = C f s +（Ct m C f m）,
