船舶阻力第三章

1、3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征一、平面行進(jìn)波的特征一、平面行進(jìn)波的特征 復(fù)雜的波系可視為由復(fù)雜的波系可視為由無數(shù)簡(jiǎn)單的平面行進(jìn)波無數(shù)簡(jiǎn)單的平面行進(jìn)波（或基元波）疊加而成（或基元波）疊加而成3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征cos()Akxt1 1、波形、波形波形方程：波形方程： 2、波幅與波高波幅與波高波幅：波幅：A A 波高：波高：H=2A 水質(zhì)點(diǎn)以水質(zhì)點(diǎn)以 作軌圓運(yùn)動(dòng)作軌圓運(yùn)動(dòng)kzrAe3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征3、波長(zhǎng)、波長(zhǎng) =2/k k波數(shù)波數(shù)4、波浪周期波浪周期 前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)距離所需的時(shí)間前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)距離所需的時(shí)間 T T= =2/ / 自由

2、表面：自由表面：Z Z=0=0，r r = =A A 自由表面以下為自由表面以下為次波面次波面，波幅隨水深迅速衰減，波幅隨水深迅速衰減 當(dāng)水深為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)當(dāng)水深為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí) 21535krAeAeA3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征10vCr/CT20vCr5、波速、波速C 波峰：波峰： 波谷：波谷： 22001002/ 2/ 2rprvgrprvg 222104vvgr/Cg2 /T / 2CgT在波峰和波谷處列出在波峰和波谷處列出 柏努利方程柏努利方程同時(shí)有同時(shí)有 /Cg2 /T / 2CgT3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征波長(zhǎng)越大，周期越大，速度越快；波長(zhǎng)越大，周期

3、越大，速度越快； 波速越快，周期越大，則波長(zhǎng)越大波速越快，周期越大，則波長(zhǎng)越大/ 21.25Cg波速可表達(dá)為：波速可表達(dá)為： 2/20.8Tg波浪周期：波浪周期：船行波船行波: : C=Vs, VsC=Vs, Vs大大 波長(zhǎng)越長(zhǎng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)。 波長(zhǎng)與船速成平方關(guān)系波長(zhǎng)與船速成平方關(guān)系3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征cossinpxy2( )/( cos )kgv 為為 方向的位置做座標(biāo)方向的位置做座標(biāo) C()C()余弦波波幅函數(shù)余弦波波幅函數(shù) S()S()正弦波波幅函數(shù)正弦波波幅函數(shù) k()k()基元波波數(shù)基元波波數(shù)6、波能波能 單位自由表面波能單位自由表面波能 0kpEEE214k

4、pEEgA2201128EgAgH212bEgA b對(duì)波長(zhǎng)對(duì)波長(zhǎng) ，波寬，波寬b b的波的波能為的波的波能為 波能與水深無關(guān)波能與水深無關(guān)( )( )cos( )( )sin( )aCkpSkp7、船行自由波船行自由波 基元波基元波 - -傳播方向傳播方向3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征220( )/( cos )seckgvK20/Kg v沿沿x x方向傳播的方向傳播的, ,波速等于船速的波數(shù)波速等于船速的波數(shù)- -基本波數(shù)基本波數(shù)/220/220( , )( )cossec( cossin ) ( )sinsec( cossin )dx yCKxySKxy將不同傳播方向上的基元

5、波疊加之船行自由波表達(dá)式將不同傳播方向上的基元波疊加之船行自由波表達(dá)式: :)sincos(sec)(20yxKpk式中式中: :稱為相位函數(shù)稱為相位函數(shù)3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征二、船行波的形成二、船行波的形成(a)實(shí)際形成的船波實(shí)際形成的船波 (b)深水壓力分布深水壓力分布 (c)船形物體速度分布船形物體速度分布 (d)船形物體周圍流動(dòng)情況船形物體周圍流動(dòng)情況220022AAppvvZgggg駐點(diǎn)流速駐點(diǎn)流速 A A點(diǎn)波面升高點(diǎn)波面升高B B點(diǎn)波面升高點(diǎn)波面升高C C點(diǎn)波面升高點(diǎn)波面升高=0Av202AvZg2202BBvvZg202CvZg船行波的實(shí)際情況船行波的實(shí)際情

6、況3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征2、慣性作用下最高水位滯后，、慣性作用下最高水位滯后，首波峰首波峰在在艏柱稍后艏柱稍后，尾波峰尾波峰位于位于艉柱之后艉柱之后，艉柱前總為一波谷艉柱前總為一波谷；3、水質(zhì)點(diǎn)受擾動(dòng)后，震蕩，形成波浪（重力、水質(zhì)點(diǎn)受擾動(dòng)后，震蕩，形成波浪（重力+慣性慣性力）力） 。1、實(shí)際水面抬高小于、實(shí)際水面抬高小于 (A和和 C 并非真正駐點(diǎn)并非真正駐點(diǎn))22AvZg三、船行波圖形及組成三、船行波圖形及組成3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征1 1、單個(gè)壓力點(diǎn)的興波圖形、單個(gè)壓力點(diǎn)的興波圖形散波系散波系橫波系橫波系凱爾文角凱爾文角 190 28 3-1 船行

7、波的形成與特征船行波的形成與特征 船首壓力興波：船首波系船首壓力興波：船首波系艏橫波、艏散波艏橫波、艏散波 船尾壓力興波：船尾波系船尾壓力興波：船尾波系尾橫波、尾散波尾橫波、尾散波 艏橫波、艉橫波在船尾混合，組成合成橫波艏橫波、艉橫波在船尾混合，組成合成橫波 艉散波、艏散波不混合艉散波、艏散波不混合3-1 船行波的形成與特征船行波的形成與特征2、船行波的組成與特征船行波的組成與特征興波圖1破波圖1破波圖2 實(shí)際成本或費(fèi)用：概述與預(yù)算相關(guān)的實(shí)際工作情況 列出與目標(biāo)和限制沖突的工作情形l 整個(gè)波系有兩大波系組成：首波系和尾波系，每個(gè)整個(gè)波系有兩大波系組成：首波系和尾波系，每個(gè)波系都由橫波和散波組成

8、；波系都由橫波和散波組成；l 首橫波恒從艏柱稍后處的波峰開始，尾橫波恒從艉首橫波恒從艏柱稍后處的波峰開始，尾橫波恒從艉柱稍前處的波谷開始；柱稍前處的波谷開始；l 同一波系各散波段中點(diǎn)之連線基本為一直線，且此同一波系各散波段中點(diǎn)之連線基本為一直線，且此直線與船中線面之夾角在直線與船中線面之夾角在180 200。l 各波系橫波均集中在自身波系的相應(yīng)散波內(nèi)，且隨各波系橫波均集中在自身波系的相應(yīng)散波內(nèi)，且隨扇形寬度的擴(kuò)展，橫波寬度也相應(yīng)增大，但波幅變扇形寬度的擴(kuò)展，橫波寬度也相應(yīng)增大，但波幅變小；?。籰 整個(gè)波系各散播之間及散波與橫波之間互不干擾，整個(gè)波系各散播之間及散波與橫波之間互不干擾，但在尾波系

9、扇形面內(nèi)，首尾波系發(fā)生興波干擾；但在尾波系扇形面內(nèi)，首尾波系發(fā)生興波干擾；l 整個(gè)波系隨船一起運(yùn)動(dòng)，波速為船速。整個(gè)波系隨船一起運(yùn)動(dòng)，波速為船速。3-2 船的首尾波系及其干擾船的首尾波系及其干擾一、船行波的主要特性一、船行波的主要特性3-2 船的首尾波系及其干擾船的首尾波系及其干擾二、首尾橫波干擾二、首尾橫波干擾 首尾橫波系在船尾相遇疊加稱：首尾橫波系在船尾相遇疊加稱：1 1、有利干擾與不利干擾、有利干擾與不利干擾 2、影響干擾結(jié)果的因素、影響干擾結(jié)果的因素 取決于首尾橫波相對(duì)位置取決于首尾橫波相對(duì)位置 由由興波長(zhǎng)度興波長(zhǎng)度 mL和波長(zhǎng)和波長(zhǎng)決定決定 mL=（n+q） 1）q=0，相位差為零，

10、相位差為零，不利干不利干擾擾 2）q=0.5 相位差為相位差為，有利干有利干擾擾3） q為任意分?jǐn)?shù)時(shí)，出現(xiàn)為任意分?jǐn)?shù)時(shí)，出現(xiàn)一一 般干擾般干擾3-2 船的首尾波系及其干擾船的首尾波系及其干擾波長(zhǎng)與波速波長(zhǎng)與波速( (船速船速) )平方成正比平方成正比22()vmLnqg2/rFv gL2()/ 2rnqmF12.04.08.02(m)=0.169VV(kn)=14.4312.5113.159.316.7511.2313.7950平行中體長(zhǎng)（m）7090130110L(m)15030100907050Rr(t)興波圖3興波圖43-3 興波阻力特性興波阻力特性一、興波阻力與波浪參數(shù)的關(guān)系一、興波阻

11、力與波浪參數(shù)的關(guān)系 假定船波是平面進(jìn)行波，則其一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波能為假定船波是平面進(jìn)行波，則其一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波能為218Eg bH 根據(jù)能量守恒，船體所提供給波浪的能量等于興波根據(jù)能量守恒，船體所提供給波浪的能量等于興波阻力所作的功，也即行進(jìn)兩個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)所作的功阻力所作的功，也即行進(jìn)兩個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)所作的功20128wREg bH 20116wRgbH20wRbH上式并不能用于計(jì)算實(shí)際船舶的興波阻力，但卻給上式并不能用于計(jì)算實(shí)際船舶的興波阻力，但卻給出明顯的物理啟示，即興波阻力與波高平方和波寬出明顯的物理啟示，即興波阻力與波高平方和波寬成正比關(guān)系。當(dāng)船波的波高增大時(shí)，興波阻力必然成正比關(guān)系。當(dāng)船波的波高增大

12、時(shí)，興波阻力必然急劇增大。急劇增大。 3-3 興波阻力特性興波阻力特性二、船體興波阻力表達(dá)式二、船體興波阻力表達(dá)式 船體興波阻力必須計(jì)及以下三方面產(chǎn)生的波阻：船體興波阻力必須計(jì)及以下三方面產(chǎn)生的波阻： (1)船橫波中未受干擾部分的波阻；船橫波中未受干擾部分的波阻； (2)船首尾橫波干擾后，合成波的阻；船首尾橫波干擾后，合成波的阻； (3)船首尾波系中散波的波阻。船首尾波系中散波的波阻。 整個(gè)船體波系的總能量應(yīng)該是首尾橫波系和散波系整個(gè)船體波系的總能量應(yīng)該是首尾橫波系和散波系的能量之和，即的能量之和，即)2cos2(2123d2221DBqHKHHKHHbEEE1確定各部分波浪的參數(shù)及其波能確定

13、各部分波浪的參數(shù)及其波能3-3 興波阻力特性興波阻力特性二、船體興波阻力表達(dá)式二、船體興波阻力表達(dá)式2整個(gè)船體興波阻力整個(gè)船體興波阻力62(cos)wmLRb ABv422cos12wwRmLvCCDgLv S 222,bvb vHv 所以而6(cos2)wRb ABq v所以()mLnqcos2cos2 ()cos2mLqnq2222221( )( )cos2wRvCSd 或通過積分得或通過積分得 三、船體興波阻力特性三、船體興波阻力特性3-3 興波阻力特性興波阻力特性1 1、一般規(guī)律、一般規(guī)律 Rw Rw v6 Rw Rw Fr4 v v增加，則增加，則RwRw迅速增加迅速增加 低速船，低

14、速船， RwRw比例??；高速船，比例??；高速船，RwRw占比例很大占比例很大自然興波阻力部分自然興波阻力部分 干擾后興波阻力干擾后興波阻力 “ “峰峰” ” 和和“谷谷” 2、興波阻力組成與興波阻力曲線特點(diǎn)興波阻力組成與興波阻力曲線特點(diǎn) 662c o swm LRA vBv不利干擾出現(xiàn)不利干擾出現(xiàn)“峰峰” /1,2,3mL2cos1mL有利干擾，出現(xiàn)有利干擾，出現(xiàn)“谷谷”/0.5,1.5,2.5mL2cos1mL 3-3 興波阻力特性興波阻力特性3Cw 10較 豐 滿 船4極 瘦 削 船2350.40.3F r0.70.60.50.100.213 3、不同船型的興波阻力差異、不同船型的興波阻力

15、差異3-3 興波阻力特性興波阻力特性（1）Fr 0.15時(shí)時(shí), Cw小小低速船，興波阻力成分很低速船，興波阻力成分很小?。?）相同）相同F(xiàn)r數(shù)，豐滿船型數(shù)，豐滿船型Cw比瘦削船型大，比瘦削船型大，F(xiàn)r大時(shí)大時(shí)更明顯更明顯（3）豐滿船型）豐滿船型Cw有峰谷現(xiàn)象；有峰谷現(xiàn)象； 瘦削船型在瘦削船型在Fr=0.5附近存在峰值區(qū)；附近存在峰值區(qū)；Fr0.5后，后，Cw下降下降3-4 興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)一、船型對(duì)興波阻力的影響一、船型對(duì)興波阻力的影響(1) 自然興波阻力自然興波阻力部分，主要受首尾端部形狀的影部分，主要受首尾端部形狀的影響，而首部形狀的影響尤為突出。響

16、，而首部形狀的影響尤為突出。(2)相同相同F(xiàn)r數(shù)數(shù)，豐滿船型，豐滿船型Cw比瘦削船型大，比瘦削船型大，F(xiàn)r大時(shí)更大時(shí)更明顯明顯,且曲線有明顯的峰谷現(xiàn)象。且曲線有明顯的峰谷現(xiàn)象。(3) 興波阻力第二項(xiàng)值興波阻力第二項(xiàng)值的大小則取決于興波長(zhǎng)度的大小則取決于興波長(zhǎng)度mL與波長(zhǎng)與波長(zhǎng)之比，即之比，即mL/。而興波長(zhǎng)度。而興波長(zhǎng)度mL與船長(zhǎng)、與船長(zhǎng)、船速、以及船體的肥瘦程度有關(guān)；波長(zhǎng)僅與船速有船速、以及船體的肥瘦程度有關(guān)；波長(zhǎng)僅與船速有關(guān)。關(guān)。(4) 船體形狀，特別是表征船體首尾肥瘦程度的船體形狀，特別是表征船體首尾肥瘦程度的棱形棱形系數(shù)系數(shù)Cp不但直接影響興波的大小，而且對(duì)兩橫波不但直接影響興波的大小

17、，而且對(duì)兩橫波的干擾作用有較大的影響。的干擾作用有較大的影響。二、二、 理論預(yù)測(cè)興波干擾理論預(yù)測(cè)興波干擾3-4 興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)V V一定（即一定（即 一定一定 ）、）、mLmL決定首尾橫波相對(duì)位置決定首尾橫波相對(duì)位置實(shí)驗(yàn)資料表明：實(shí)驗(yàn)資料表明：3-4pC LmL34pC Lnq當(dāng)q = 0.5時(shí)， CpL / = n1 / 4有利干擾有利干擾3-4 興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)當(dāng)q = 0 時(shí)，CpL / = n3 / 4 不利干擾不利干擾定義定義為船速為船速與波長(zhǎng)為與波長(zhǎng)為CpL的波速之比，即的波速之比，即/2/2/2/p

18、ppvgC LggC LC L波阻谷點(diǎn)波阻谷點(diǎn) ：= 1/1/ 44/3, 4/7, 4/11, 4/15n1/3/ 44, 4/5, 4/9, 4/13n波阻峰點(diǎn)波阻峰點(diǎn) ：3-4 興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)理論圖譜理論圖譜pprpg/22.5066C LC LFC圖中圖中空白部分空白部分代表代表“有有利干擾利干擾”區(qū)，而區(qū)，而陰影部陰影部分分代表代表“不利干擾不利干擾”區(qū)，區(qū)，此圖僅適用于此圖僅適用于 =1.15以下的情況。以下的情況。 三、應(yīng)用三、應(yīng)用Fr預(yù)測(cè)波阻峰點(diǎn)和谷預(yù)測(cè)波阻峰點(diǎn)和谷 3-4 興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測(cè)注意：

19、注意：避免前肩波系與首波系干擾避免前肩波系與首波系干擾原理：原理：L、Vs確定確定 Fr確定確定 Cp根據(jù)根據(jù)Fr選定選定(1.956 1.992)seVL設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開波阻峰點(diǎn)，實(shí)在無法避開則可采用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開波阻峰點(diǎn)，實(shí)在無法避開則可采用球鼻首等措施球鼻首等措施3-5 確定興波阻力的方法確定興波阻力的方法一、模型實(shí)驗(yàn)一、模型實(shí)驗(yàn)二、理論計(jì)算方法二、理論計(jì)算方法 線性興波阻力理論線性興波阻力理論三、波形分析法三、波形分析法1 1、CtmCtm、Cvm Cvm 船模實(shí)驗(yàn)船模實(shí)驗(yàn) + + 對(duì)疊船對(duì)疊船模實(shí)驗(yàn)?zāi)?shí)驗(yàn)wmtmvmCCC2、rtmfmCCC3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法一、

20、減小常規(guī)船興波阻力的方法一、減小常規(guī)船興波阻力的方法1. 1.選擇合理的船型參數(shù)選擇合理的船型參數(shù)2.優(yōu)化船體型線優(yōu)化船體型線L，Cp，Le3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法3. 造成有利的波系干擾造成有利的波系干擾 4. 4.其他其他 壓浪板等壓浪板等球鼻首、消波水翼等球鼻首、消波水翼等二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法1 1、雙體和多體船、雙體和多體船二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法2、使船體抬出水面設(shè)計(jì)概念、使船體抬出水面設(shè)計(jì)概念

21、滑行艇、水翼艇、氣墊船滑行艇、水翼艇、氣墊船二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法3、船體下潛設(shè)計(jì)概念、船體下潛設(shè)計(jì)概念二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力二、應(yīng)用不同設(shè)計(jì)概念減小興波阻力3-6 減小興波阻力的方法減小興波阻力的方法4、復(fù)合設(shè)計(jì)概念、復(fù)合設(shè)計(jì)概念3-7 破波阻力破波阻力 瘦削船型瘦削船型(1)twfCCk C(1)twpfwbCCk CCwbC肥大型船：肥大型船： 破波阻力破波阻力 一、破波的成因一、破波的成因3-6 破波阻力破波阻力1 1、破波、破波（碎波）（碎波） 肥大型船在航行中除產(chǎn)生船行波外，在其首部肥大

22、型船在航行中除產(chǎn)生船行波外，在其首部常存在興起后很快破碎的波浪。常存在興起后很快破碎的波浪。2 2、成因：、成因：（1 1）乾崇夫解釋要點(diǎn)：）乾崇夫解釋要點(diǎn)： 波形：波形： 線性波系線性波系 + + 非線性波系非線性波系 （凱爾文波系）（凱爾文波系） （水表面沖擊系水表面沖擊系） Rw = Rwp + Rw = Rwp + RwbRwb 水表面沖擊波不穩(wěn)定水表面沖擊波不穩(wěn)定 破波破波（2）馬場(chǎng)解釋要點(diǎn)：）馬場(chǎng)解釋要點(diǎn)： 3-6 破波阻力破波阻力運(yùn)動(dòng)物體前端自由表面下方存在一層剪切流；運(yùn)動(dòng)物體前端自由表面下方存在一層剪切流；該剪切流沿水線引起旋渦（感生渦）；該剪切流沿水線引起旋渦（感生渦）；剪切流和感生渦強(qiáng)與吃水、半進(jìn)角、首端有關(guān)；剪切流和感生渦強(qiáng)與吃水、半進(jìn)角、首端有關(guān)；感生渦強(qiáng)隨速度的增強(qiáng)而增大，感生渦強(qiáng)隨速度的增強(qiáng)而增大，肥大型船破波與該肥大型船破波與該渦強(qiáng)有關(guān)。渦強(qiáng)有關(guān)。（3）破波阻力）破波阻力3-6 破波阻力破波阻力破波與波的非線性有關(guān)；破波對(duì)于瘦削船型可破波與波的非線性有關(guān)；破波對(duì)于瘦削船型可以忽略，而主要出現(xiàn)在豐滿船型；豐滿船首阻以忽略，而主要出現(xiàn)在豐滿船型；豐滿船首阻塞作用明顯，首部高壓區(qū)形成陡峭船首波塞作用明顯，首部高壓區(qū)形成陡峭船首波 破波的產(chǎn)生和破波引起的阻力稱破波的產(chǎn)生和破波引起的阻力稱破波