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1、,上海交通大学2010-2011 学年第1学期 船舶原理（阻力）,张怀新,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,船舶阻力(ship Resistance),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。,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,第一章 总论,1-1 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,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：,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
2、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,1.航速指标：静水（试航速度）、 平均海况时航速（服务速度） 设计指标：商船经济性、使用性 军舰作战性能 2.速度（阻力小，推进性能高） 3.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,船舶阻力课程的主要内容,阻力成因与性质,阻力与航速、船型等的关系,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,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,模型试验 实船试验,理论分析 物理概念 简单分析 计算分析 CFD （Computational Fliud Dynamics） 数值模拟,研究
3、方法,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,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。,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,试验性质 试验种类,校核试验 阻力试验 （无螺旋桨） 变参数试验 自航试验 系列试验,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,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。但是由于经济原因和
4、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,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。,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,CFD(Computational Fluid Dynamics) 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 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。,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,
5、1-2 船舶阻力的成因及分类,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,从作用力的方向分类,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,船体受力分析,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,按物理现象分类,其中,为湿表面，,为,与,夹角的余弦,为,与,夹角的余弦,（粘压阻力）,（兴波阻力）,（摩擦阻力）,（压阻力）,（摩擦阻力）,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,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,（粘性阻力）,（兴波阻力）,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,
6、傅汝德阻力分类,其中,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）,（剩余阻力）,则,近似认为：,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,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,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,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,阻力曲线,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,:有效功率（主机功率的一部分）,若船速为,时，船体总阻力为,。,此时，如以,拖曳船前进，则直接,用于克服船体阻力所需功率称为有,效
7、功率。,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,阻力的因素：速度 船型 介质水运动粘性系数,R 阻力 单位 N（牛）= KN= kgf=9.80665N 航速 单位 m/s V 节 1kn（节）=1mile/h（海里/小时） =1852/h=0.5144m/s P 功率 单位 kW（千瓦）1W=1J/s（焦耳/秒） = 1 1HP（马力）=75 =75 9.80665W =0.7355kW,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,1-3 阻力相似定律,模型,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,雷诺定律（ 粘性阻力 ）,无兴波,量纲,上海交通大学船舶原
8、理 之 船舶阻力,取,为基本量，其它物理量用基本量表示：,比较量纲,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,同样,雷诺数,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,S:湿表面积 和,的量纲相同,动压力,代替,可得 粘性阻力系数,根据,定律,or,雷诺定律,即 粘性阻力系数仅与雷诺数有关,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,二.傅汝德定律（兴波阻力 无粘性）,量纲分析,傅汝德数,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,兴波阻力系数,定律,实船与船模的兴波阻力系数相等。,相等时，,即,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,形似船：几何形状相似（如实船与船模）,当傅汝德数相等，则 相应速度（模型） 这里 为实船与船
9、模之间的缩尺比,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,按照傅汝德定律，实船与船模船型相似， 相等时，其兴波阻力系数相等，则,因为 ， 则,或,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,全相似（总阻力）,取,为基本量，其他物理量用基本量表示,通过量纲分析可得,对几何相似的实船和船模： 等速正航（状态）,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,同样,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,结论：对几何相似的实船与船模,包括流场,若,则,称为全相似,下标 m: model s: ship,全相似不可能,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,若要,和,都相等，则必须有,淡水,海水,导致,！,上海交通大学船舶原理 之 船
10、舶阻力,部分相似,1,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,2,实验可以实现，但由于,但不能直接求出,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,Froude假定,（因为全相似难以实现，通过Froude假定可从船模 实验中求得实船的阻力）,1一拆二个独立分量 全阻力分为两个部分：,其中,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,傅汝德阻力分类,其中,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）,（剩余阻力）,则,近似认为：,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,2船体摩擦阻力近似于等长、等面积平板的摩擦阻力,即,根据以上Froude假定，可从船模实验求得实船阻力,上式写成无量纲形式 即两边除以,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,比较律,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,Froude假定的问题点,忽略相互干涉,上海交通大学船舶原理 之 船舶阻力,平板摩擦力：实际船体是三维的,Froude假定虽有欠妥当之处，但尚能,比较准确地满足,实际工程上的需要，,其原因在于：非常简单，可通过模,型实验求得实船的阻力；粘压阻力,一般情况下在总,阻力中所占比重较,小，且粘压阻力系数与,关系不大，,即近似为常数，因此并入剩余阻力系,数应用比较定律,也不,致有明显误差。,粘压与兴波放在一起，并符合比较律,
