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1、1上海交通大学2006-2007学年第2学期上海交通大学2006-2007学年第2学期船舶原理（船舶船舶原理（船舶船舶原理（船舶船舶原理（船舶阻力阻力阻力阻力）张怀新张怀新张怀新张怀新 教授教授教授教授2007年年4月月20日日上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 2船舶阻力船舶阻力船舶阻力对于船舶和海洋工程系的学生来 说是一门很重要的专业课。本课程着重介绍船 舶航行时所受到的阻力的产生原因，各种阻力 的特性，决定阻力的方法，影响阻力的因素以 及减少阻力的途径等问题。船舶阻力对于船舶和海洋工程系的学生来 说是一门很重要的专业课。本课程着重介绍船 舶航行时所受到的阻力的产生原因，各种阻力
2、 的特性，决定阻力的方法，影响阻力的因素以 及减少阻力的途径等问题。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 3第一章第一章总论总论浮性、抗沉性稳性静力学船型功率船舶阻力船舶推进快速性操纵性耐波性运动性动力学船舶原理结构力学市场、经济材料工艺设备法规Ship Design1 1- -1 1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位船舶快速性及其在船舶设计中的地位船舶快速性及其在船舶设计中的地位船舶快速性及其在船舶设计中的地位上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 4 快速性：指在给定主机功率时，船舶航行速 度快慢的一种性能。它包括：快速性：指在给定主机功率时，船舶航行速 度快慢的一种性能。它
3、包括：船舶阻力：研究船体在运动过程中所受到的各种阻力问 题。 船舶推进：克服阻力的推进器（常用螺旋桨）及船体相 互干扰与匹配问题。船舶阻力：研究船体在运动过程中所受到的各种阻力问 题。 船舶推进：克服阻力的推进器（常用螺旋桨）及船体相 互干扰与匹配问题。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 5 1.1.航速指标：航速指标：航速指标：航速指标：静水（试航速度）、静水（试航速度）、 平均海况时航速（服务速度）平均海况时航速（服务速度） 设计指标：设计指标：设计指标：设计指标：商船商船经济性、使用性经济性、使用性 军舰军舰作战性能作战性能 2.2.速度速度速度速度（阻力小，推进性能高）（阻力
4、小，推进性能高） 3.3.船型仍然是竞争的关键之一船型仍然是竞争的关键之一船型仍然是竞争的关键之一船型仍然是竞争的关键之一上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 6船舶阻力课程的主要内容船舶阻力课程的主要内容 阻力成因与性质阻力成因与性质阻力成因与性质阻力成因与性质 阻力与航速、船型等的关系阻力与航速、船型等的关系阻力与航速、船型等的关系阻力与航速、船型等的关系 减少阻力的方法，寻找优良船型减少阻力的方法，寻找优良船型减少阻力的方法，寻找优良船型减少阻力的方法，寻找优良船型 估算阻力大小，作为设计的依据估算阻力大小，作为设计的依据估算阻力大小，作为设计的依据估算阻力大小，作为设计的依据2
5、上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 7 模型试验模型试验 实船试验实船试验 理论分析理论分析 物理概念物理概念 简单分析简单分析 计算分析计算分析 CFD CFD （Computational Computational FliudFliud DynamicsDynamics） 数值模拟数值模拟研究方法研究方法试验方法理论计算分析试验方法理论计算分析上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 8模型试验模型试验长期以来船模试验是研究船舶阻力的主要 手段。至今，凡重要船舶设计、新船型的采用 都必须进行。长期以来船模试验是研究船舶阻力的主要 手段。至今，凡重要船舶设计、新船型的采用 都
6、必须进行。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 9试验性质试验种类试验性质试验种类 校核试验校核试验 阻力试验阻力试验 （无螺旋桨）（无螺旋桨） 变参数试验变参数试验 自航试验自航试验 系列试验系列试验拖曳水池拖曳水池Froude(傅汝德） 1871年2783610英尺上海交大11063 米708所7552.5 米702所474147 米上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 10实船试验实船试验鉴定船舶的各种性能是否达到设计要求，并 同船模试验比较，分析鉴定船舶的各种性能是否达到设计要求，并 同船模试验比较，分析尺度效应尺度效应的影响，验证船 模试验结 果的准确性。但是由于经济
7、原因和测试 的困难，除新船试验外很少进行。的影响，验证船 模试验结 果的准确性。但是由于经济原因和测试 的困难，除新船试验外很少进行。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 11理论分析理论分析应用流体力学的理论，建立解决问题的基本 数学模型，对一些复杂问题减化为简单的情况， 抓出问题的本质，给出一些指导性的定性结果。应用流体力学的理论，建立解决问题的基本 数学模型，对一些复杂问题减化为简单的情况， 抓出问题的本质，给出一些指导性的定性结果。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 12CFDCFD(Computational Fluid Dynamics(Computational
8、 Fluid Dynamics(Computational Fluid Dynamics(Computational Fluid Dynamics) ) 数值模拟数值模拟利用计算机，根据数学模型，采用数值方法，模 拟船体航行时的流场，阻力性能等，与模型试验进行 比较，预报船舶航行性能。解决问题的有效途径解决问题的有效途径以理论分析为基础，把数值模拟和模型试验相结 合，提高计算预报的精度和使用范围，总结出一些对船舶设计的指导意见。3上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 131 1 1 1- - - -2 2 2 2 船舶阻力的成因及分类船舶阻力的成因及分类船舶阻力的成因及分类船舶阻力的成
9、因及分类上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 14从作用力的方向分类从作用力的方向分类上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 15船体受力分析船体受力分析= sfdsxR),cos(cos( , )psRpp xds=上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 16按物理现象分类按物理现象分类cos( , )cos( , )tssRx dspp x ds= fR=其中S为湿表面，cos( , ) x为与x夹角的余弦 cos( , )p x为p与x夹角的余弦fR=（粘压阻力）WR+（兴波阻力）（摩擦阻力）PR+（压阻力）（摩擦阻力）pvR+上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Sli
10、de 17应该注意的是压阻力中包含有粘压阻力和兴波 阻力两类不同性质的力。兴波阻力既使在理想流体 中仍然存在，而摩擦阻力和粘压阻力两者都是由于 水的粘性而产生的，在理想流体中并不存在。应该注意的是压阻力中包含有粘压阻力和兴波 阻力两类不同性质的力。兴波阻力既使在理想流体 中仍然存在，而摩擦阻力和粘压阻力两者都是由于 水的粘性而产生的，在理想流体中并不存在。按流体性质分类按流体性质分类tvRR=（粘性阻力）wR+（兴波阻力）上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 18傅汝德阻力分类傅汝德阻力分类tR =fpR其中fpR为相当平板的摩擦阻力相当平板：船长与湿表面积相等的平板（摩擦阻力）rR+
11、（剩余阻 力）则近似认为：ffpRRrpvwRRR+4上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 191.83tR2pR46wR低速船摩擦阻力70%80%，粘压阻力10%以上 兴波阻力很小高速船兴波阻力40%50%，摩擦阻力50% 粘压阻力5%低速船摩擦阻力70%80%，粘压阻力10%以上 兴波阻力很小高速船兴波阻力40%50%，摩擦阻力50% 粘压阻力5%阻力成分的比例阻力成分的比例上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 20( )tsRf v=船型给定时，在一定外界条件下（粘性系 数一定，流体密度一定），船体阻力仅仅是船 速的函数船型给定时，在一定外界条件下（粘性系 数一定，流体密
12、度一定），船体阻力仅仅是船 速的函数阻力曲线阻力曲线sv上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 21:有效功率（主机功率的一部分）:有效功率（主机功率的一部分）EP()0.5144()EtstPR v kWR VkW=若船速为若船速为s时，船体总阻力为时，船体总阻力为tR。此时，如以。此时，如以s拖曳船前进，则直接用于克服船体阻力所需功率称为拖曳船前进，则直接用于克服船体阻力所需功率称为有效功率有效功率。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 22阻力的因素：速度阻力的因素：速度船型船型 介质水运动粘性系数介质水运动粘性系数 R R R R 阻力阻力阻力阻力单位单位单位单位N N
13、N N（牛）（牛）（牛）（牛）= KN= = KN= = KN= = KN= kgfkgfkgfkgf=9.80665N=9.80665N=9.80665N=9.80665N 航速航速航速航速单位单位单位单位m/s m/s m/s m/s V V V V 节节节节1kn1kn1kn1kn（节）（节）（节）（节）=1mile/h=1mile/h=1mile/h=1mile/h（海里（海里（海里（海里/ / / /小时）小时）小时）小时） =1852/h=0.5144m/s =1852/h=0.5144m/s =1852/h=0.5144m/s =1852/h=0.5144m/s P P P P
14、功率功率功率功率单位单位单位单位 kWkWkWkW（千瓦）（千瓦）（千瓦）（千瓦）1W=1J/s1W=1J/s1W=1J/s1W=1J/s（焦耳（焦耳（焦耳（焦耳/ / / /秒）秒）秒）秒） = 1 = 1 = 1 = 1 1HP1HP1HP1HP（马力）（马力）（马力）（马力）=75 =75 9.80665W=75 =75 9.80665W=75 =75 9.80665W=75 =75 9.80665W =0.7355kW =0.7355kW =0.7355kW =0.7355kW 2/smkg 2/smt s秒）米（牛/smN smkgf/上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 231 1- -3 3 阻力阻力相似相似定定律律模型模型实船因为尺寸不同，所以要寻找无量纲的数学表达式。实船因为尺寸不同，所以要寻找无量纲的数学表达式。上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 24雷诺定律（雷诺定律（ 粘性阻力粘性阻力 ）无兴波无兴波 ( , , , )vRL = 量纲量纲 LL: 2:vRMLT 1:TL3:LM 12:TL5上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力Slide 25取取,L为基本量，其它物理量用基本量表示：为基本量，其它物理量用基本量表示： vRL=比较量纲比较量纲M=1 T=
