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1、2-1 2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力一、平板边界层一、平板边界层 1 1、边界层厚度、边界层厚度 1船舶阻力粘性阻力课件影响边界层厚度的主要因素有：来流速度影响边界层厚度的主要因素有：来流速度v v、距板前单点距板前单点O O的距离的距离x x和流体的粘性（运动粘性和流体的粘性（运动粘性系数）。边界层厚度取决于有这三个物理量所系数）。边界层厚度取决于有这三个物理量所组成的无量纲数组成的无量纲数2 2、边界层内的流动状态、边界层内的流动状态 2船舶阻力粘性阻力课件将流体划分为截然不同的两部分，并分别加以将流体划分为截然不同的两部分，并分别加以处理处理。（。（1）界层外面视为理想流体，
2、可用势）界层外面视为理想流体，可用势流理论来解决；（流理论来解决；（2）界层内部则视为真实流）界层内部则视为真实流体，需用边界层理论来求解。体，需用边界层理论来求解。4 4、边界层理论的重要意义、边界层理论的重要意义 3船舶阻力粘性阻力课件由牛顿内摩擦定理有由牛顿内摩擦定理有：二、摩擦阻力的成因与主要特性二、摩擦阻力的成因与主要特性则整个平板的摩擦阻力为则整个平板的摩擦阻力为：1 1、摩擦阻力系数、摩擦阻力系数4船舶阻力粘性阻力课件若平板如上图所示，则平板摩擦阻力系数为：若平板如上图所示，则平板摩擦阻力系数为：5船舶阻力粘性阻力课件1 1）在相同来流条件下，紊流边界层内速度梯度）在相同来流条件
3、下，紊流边界层内速度梯度较大，摩擦切应力较层流情况大，摩擦阻力系较大，摩擦切应力较层流情况大，摩擦阻力系数也较大。数也较大。2 2、摩擦阻力的主要特性、摩擦阻力的主要特性6船舶阻力粘性阻力课件当来流速度不变，由当来流速度不变，由x x增大引起雷诺数增大时，增大引起雷诺数增大时，界层厚度增加，边界层内速度分布的丰满度减界层厚度增加，边界层内速度分布的丰满度减小。摩擦切应力和局部摩擦阻力系数均随雷诺小。摩擦切应力和局部摩擦阻力系数均随雷诺数增大而减小。数增大而减小。2 2）雷诺数对摩擦阻力的影响）雷诺数对摩擦阻力的影响当当x x一定，由一定，由v v增大引起雷诺数增大时，界层厚增大引起雷诺数增大时
4、，界层厚度减薄，边界层内速度分布的丰满度增大。摩度减薄，边界层内速度分布的丰满度增大。摩擦切应力随雷诺数增大而增大。擦切应力随雷诺数增大而增大。当雷诺数增大时，摩擦阻力系数和局部摩擦阻当雷诺数增大时，摩擦阻力系数和局部摩擦阻力系数均随之减少。力系数均随之减少。7船舶阻力粘性阻力课件如果流体介质给定，当界层内的流动状态固定如果流体介质给定，当界层内的流动状态固定时，则摩擦切应力为常数。显然板长为时，则摩擦切应力为常数。显然板长为L L的平的平板摩擦阻力的值正比于平板的湿面积。板摩擦阻力的值正比于平板的湿面积。3 3）摩擦阻力与平板湿面积的关系）摩擦阻力与平板湿面积的关系这一结论对研究船体形状以减
5、这一结论对研究船体形状以减小湿面积从而降低摩擦阻力具小湿面积从而降低摩擦阻力具有实际意义。有实际意义。8船舶阻力粘性阻力课件三、船体边界层三、船体边界层1 1、边界层外缘势流不同、边界层外缘势流不同2 2、界层内纵向压力分布不同、界层内纵向压力分布不同9船舶阻力粘性阻力课件2-2 2-2 平板摩擦阻力系数计算公式平板摩擦阻力系数计算公式所谓相当平板，就是具有相同运动速度、相同所谓相当平板，就是具有相同运动速度、相同长度、相同湿表面积的平板和船体的摩擦阻力长度、相同湿表面积的平板和船体的摩擦阻力相同。但实际船体表面不是平板，而是有曲度相同。但实际船体表面不是平板，而是有曲度的，同时船体表面还有粗
6、糙度等。的，同时船体表面还有粗糙度等。因此，用相因此，用相当平板理论计算得到的摩擦阻力与实船的摩擦当平板理论计算得到的摩擦阻力与实船的摩擦阻力有差异。阻力有差异。目前还没有直接计算船体摩擦阻力的可靠公式，目前还没有直接计算船体摩擦阻力的可靠公式，工程上主要采用相当平板理论确定船体摩擦阻工程上主要采用相当平板理论确定船体摩擦阻力。力。10船舶阻力粘性阻力课件一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式 二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式 1、速度为指数的计算公式、速度为指数的计算公式 11船舶阻力粘性阻力课件2、速度为对数的计算公式、速度为对数的
7、计算公式 1）桑海公式）桑海公式 2）柏兰特）柏兰特-许立汀公式许立汀公式 12船舶阻力粘性阻力课件3）休斯公式）休斯公式 3、平板摩擦阻力的普遍公式、平板摩擦阻力的普遍公式 13船舶阻力粘性阻力课件三、三、1957ITTC公式公式 四、过渡流平板摩擦阻力计算公式四、过渡流平板摩擦阻力计算公式 14船舶阻力粘性阻力课件2-3 2-3 减少摩擦阻力的方法减少摩擦阻力的方法一、减小船体湿表面积一、减小船体湿表面积由于摩擦力的大小正比于船体湿表面积，因此由于摩擦力的大小正比于船体湿表面积，因此船型参数、特别是主尺度的确定要适当。船型参数、特别是主尺度的确定要适当。 二、减小船体表面粗糙度二、减小船体
8、表面粗糙度 三、控制边界层三、控制边界层 四、采用聚合物溶液降阻剂及仿生学研究四、采用聚合物溶液降阻剂及仿生学研究 15船舶阻力粘性阻力课件2-4 2-4 船体摩擦阻力的计算步骤船体摩擦阻力的计算步骤一、计算公式一、计算公式 二、具体计算步骤二、具体计算步骤 1 1、计算湿表面积、计算湿表面积 16船舶阻力粘性阻力课件1 1）有线型图时）有线型图时 2 2）无线型图时，利用近似公式计算）无线型图时，利用近似公式计算 17船舶阻力粘性阻力课件（1 1）荷兰瓦根宁船池经验公式）荷兰瓦根宁船池经验公式 （2 2）我国长江船型的近似公式计算）我国长江船型的近似公式计算 （3 3）交通部船舶运输科学研究
9、所的江船公式）交通部船舶运输科学研究所的江船公式 18船舶阻力粘性阻力课件（4 4）利用桑地图谱）利用桑地图谱 19船舶阻力粘性阻力课件2 2、计算雷诺数、计算雷诺数 3 3、根据光滑平板摩擦阻力公式算出或由相应、根据光滑平板摩擦阻力公式算出或由相应的表中查得摩擦阻力系数。的表中查得摩擦阻力系数。 4 4、决定粗糙度补贴系数的值。目前我国一般、决定粗糙度补贴系数的值。目前我国一般取：取： 5 5、计算出船舶的摩擦阻力：、计算出船舶的摩擦阻力： 20船舶阻力粘性阻力课件2-5 2-5 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性一、船体粘压阻力产生的原因一、船体粘压阻力产生的原因 粘压阻力产生的原因
10、是由于粘性作用和物体后粘压阻力产生的原因是由于粘性作用和物体后部的纵向压力梯度部的纵向压力梯度 。 21船舶阻力粘性阻力课件二、粘压阻力特性二、粘压阻力特性 1 1、粘压阻力与后体形状的关系、粘压阻力与后体形状的关系 如果船舶的后体收如果船舶的后体收缩较缓和，则沿曲缩较缓和，则沿曲面的流速变化较缓面的流速变化较缓慢，因而纵向正压慢，因而纵向正压力梯度较小，分离力梯度较小，分离现象可以推迟，甚现象可以推迟，甚至避免。至避免。物体后部物体后部形状是影响粘压阻形状是影响粘压阻力的主要因素。力的主要因素。 22船舶阻力粘性阻力课件2 2、粘压阻力与前体形状的关系、粘压阻力与前体形状的关系 如果船舶的前
11、体过于肥短，流线扩张很快，流如果船舶的前体过于肥短，流线扩张很快，流速增加快，在最大剖面处的速度很高，而压力速增加快，在最大剖面处的速度很高，而压力会降得很低，使得后体范围的正压力梯度增加，会降得很低，使得后体范围的正压力梯度增加，流动急剧减速，因此粘性阻力将增大。流动急剧减速，因此粘性阻力将增大。舭涡的产生舭涡的产生使船首底部使船首底部形成低压区，形成低压区，造成埋首现造成埋首现象，还会增象，还会增加阻力。加阻力。23船舶阻力粘性阻力课件采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一24船舶阻力粘性阻力课件3 3、界层内流动状态对粘压阻力的影响、界层内流动状态对
12、粘压阻力的影响层流比紊流更容易分离，分离点比较靠近前端，层流比紊流更容易分离，分离点比较靠近前端，分离区较大，因而粘性阻力比紊流情况为大分离区较大，因而粘性阻力比紊流情况为大25船舶阻力粘性阻力课件三、降低粘压阻力的船型要求三、降低粘压阻力的船型要求1 1、应注意船的后体形状。、应注意船的后体形状。2 2、应避免船体曲率变化过大。、应避免船体曲率变化过大。3 3、前体线型应予适当注意。、前体线型应予适当注意。四、船体粘压阻力的处理方法四、船体粘压阻力的处理方法1 1、傅汝德换算法：将粘压阻力并入兴波阻力统、傅汝德换算法：将粘压阻力并入兴波阻力统称为剩余阻力。称为剩余阻力。2 2、上世纪、上世纪
13、5050年代提出的换算法：将粘压阻力以年代提出的换算法：将粘压阻力以形状因子的形式并入摩擦阻力统称为粘性阻力。形状因子的形式并入摩擦阻力统称为粘性阻力。26船舶阻力粘性阻力课件2-6 2-6 船舶粘性阻力理论计算概述船舶粘性阻力理论计算概述一、边界层理论计算概述一、边界层理论计算概述 1 1、积分法：以边界层的、积分法：以边界层的 动量积分方程为基础，动量积分方程为基础，但遇到的困难是无法求出边界层内的速度分布，但遇到的困难是无法求出边界层内的速度分布，往往在计算之前先假定某种速度分布形式。往往在计算之前先假定某种速度分布形式。 2 2、微分法：直接求解边界层的偏微分方程，但、微分法：直接求解
14、边界层的偏微分方程，但在求解时须引进所谓湍流模式来定量描述雷诺应在求解时须引进所谓湍流模式来定量描述雷诺应力项力项。 27船舶阻力粘性阻力课件二、二、N-SN-S方程理论计算概述方程理论计算概述 1 1、由于、由于RANSRANS方法本身并不封闭，须引进所谓湍方法本身并不封闭，须引进所谓湍流模式来定量描述雷诺应力，能否正确给出湍流流模式来定量描述雷诺应力，能否正确给出湍流模式至关重要。模式至关重要。2 2、数值计算的方法和技巧。离散方法选取是否、数值计算的方法和技巧。离散方法选取是否适当、网格划分是否恰当以及计算网格的自动生适当、网格划分是否恰当以及计算网格的自动生成在数值计算至关重要。成在数值计算至关重要。目前运用目前运用N-SN-S方程理论计算粘性阻力时，应注意方程理论计算粘性阻力时，应注意28船舶阻力粘性阻力课件
