船舶阻力與船舶推進(jìn)3

1、三、附加阻力的處理、阻力換算與估算第一部分：主要知識(shí)點(diǎn)一、附加阻力的概念1、附加阻力包括空氣阻力、洶濤阻力和附體阻力。1）船舶在航行過程中，船體水上部分所受到的阻力，其中包括由于風(fēng)的作用而產(chǎn)生的阻力，稱為空氣阻力。2）船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)的阻力將較在靜水時(shí)為大，所增加的阻力稱為波浪中的阻力增值，或稱為洶濤阻力。3）船舶設(shè)計(jì)水線以下的附屬體，如舭龍骨、舵、軸包架、軸和支軸架等，統(tǒng)稱為船的附體。由于附體的存在而產(chǎn)生的阻力稱為附體阻力。二、附加阻力的處理方法以增加相對于船體阻力（或?qū)?yīng)于船體阻力的有效功率）的百分?jǐn)?shù)來計(jì)算。式中：Pew為考慮附加阻力后的船舶阻力對應(yīng)的有效功率。 Peb為不考慮附加阻力時(shí)

2、船體阻力對應(yīng)的有效功率。 Kap為附體系數(shù)。 Kaa為空氣阻力百分?jǐn)?shù)。 Kaw為儲(chǔ)備功率百分?jǐn)?shù)。三、附體阻力1、主要成分附體阻力的主要成分是摩擦阻力和粘壓阻力，是因?yàn)榇母襟w通常位于水下較深位置，且相對尺寸較小。1）較短附體：如支軸架等，其阻力成分幾乎都是粘壓阻力，并認(rèn)為其阻力系數(shù)與速度無關(guān)；2）長附體或沿流線方向安裝的附體：如舭龍骨、軸包架等，其阻力幾乎都是摩擦阻力。2、附體設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)附體阻力的主要成分是粘壓阻力和摩擦阻力，因此附體的設(shè)計(jì)應(yīng)從減少這兩種阻力成分著手。附體設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)主要有：1） 附體應(yīng)沿船體流線方向設(shè)置。其目的是減小由附體所產(chǎn)生的旋渦，從而減小粘壓阻力。2）盡可能采

3、用濕面積較小的附體。其目的在于減小附體所引起的摩擦阻力。3）一般附體沿水流方向應(yīng)采用流線型剖面。這對減小附體阻力的作用是顯而易見的。常見的舵、軸支架、軸包架等沿流動(dòng)方向的剖面形狀均應(yīng)設(shè)計(jì)成流線型剖面。四、空氣阻力空氣阻力包括摩擦阻力和粘壓阻力兩種阻力成分。由于空氣的密度和粘性很小，故摩擦阻力只占極小部分，就目前一般船舶而言，其所受到的空氣阻力幾乎都是粘壓阻力。五、洶濤阻力洶濤阻力：波浪中的水阻力增加值。船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)，由于風(fēng)浪作用而產(chǎn)生阻力增值，這樣會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況：1、 由于波浪阻力增值的存在，若保持靜水中相同功率時(shí)，航速必然會(huì)有所下降，這種航速的減小稱為速度損失或簡稱失速。2、 考慮

4、到波浪中的阻力增值，若要維持靜水中的相同航速，則必須較原靜水功率有所增加，所增加的功率稱為儲(chǔ)備功率。在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，通常并不直接計(jì)算波浪中的阻力增值，而是通過確定儲(chǔ)備功率來體現(xiàn)的。儲(chǔ)備功率除主要考慮到波浪中的阻力增值外，還考慮到船舶所受到的較之平均海況下所增加的空氣阻力、航行中的污底阻力、主機(jī)性能下降以及在風(fēng)浪中由于操縱性惡化而增加的阻力等各種因素。船舶設(shè)計(jì)中常用儲(chǔ)備功率百分?jǐn)?shù)(或稱附加數(shù))來表示儲(chǔ)備功率的大小。該百分?jǐn)?shù)是在已計(jì)入附體阻力、空氣阻力以后所需靜水航行功率后再增加的功率百分?jǐn)?shù)（理解為：儲(chǔ)備功率百分?jǐn)?shù)不僅考慮了洶濤阻力，還考慮附體阻力和空氣阻力的影響），記作Kaw。附加：1、試航速度V

5、t：船舶建成后，在要求裝載情況下，且主機(jī)以額定功率時(shí)在平靜水域中所能達(dá)到的速度叫試航速度。2、服務(wù)速度Vs：以主機(jī)的持久功率(約為額定功率的85%90%)在平均海況下船舶所能達(dá)到的航速稱為服務(wù)速度。考慮到船舶在航行中因受風(fēng)浪和污底等原因致使增加阻力，故服務(wù)速度總是低于試航速度，一般VtVs（0.51.0）（節(jié)）。六、傅汝德（換算）法（或稱為二因次法）1、傅汝德假定1）假定船體總阻力可以分為獨(dú)立的兩部分：一為摩擦阻力Rf，只與雷諾數(shù)有關(guān)；另一為粘壓阻力R p v與興波阻力R w合并后的剩余阻力Rr，只與傅汝德數(shù)有關(guān)，且適用比較定律。2）假定船體的摩擦阻力等于同速度、同長度、同濕面積的平板摩擦阻力

6、。通常稱為相當(dāng)平板假定。2、傅汝德法換算關(guān)系1）阻力形式：2）阻力系數(shù)形式：3、傅汝德法換算的一般步驟1）船模試驗(yàn)，測得船模的船體阻力。2）以相當(dāng)平板假定為基礎(chǔ)，計(jì)算出船模的摩擦阻力。3）求出船模的剩余阻力。4）應(yīng)用比較定律，換算出實(shí)船的剩余阻力。5）以相當(dāng)平板假定為基礎(chǔ)，計(jì)算出船模的摩擦阻力。6）求出實(shí)船的船體阻力。注意：1）傅汝德法只換算剩余阻力（以比較定律為依據(jù)），摩擦阻力以相當(dāng)平板假定為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。2）在計(jì)算摩擦阻力中，水密度和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)均為水溫的函數(shù)（詳見P340附錄）。例如水溫時(shí)：。，即得。3）水溫未特別指出時(shí)，一般取標(biāo)準(zhǔn)水溫進(jìn)行計(jì)算。4）表面粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)的取值：實(shí)船s一般取

7、為。船模m表面可作得相當(dāng)光滑，一般不考慮粗糙度的影響，即取為。5）船模試驗(yàn)一般在淡水中進(jìn)行，船模水密度和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)取為相應(yīng)溫度下的淡水?dāng)?shù)值。實(shí)船為海船時(shí)，水密度和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)取為相應(yīng)溫度下的海水?dāng)?shù)值；實(shí)船為內(nèi)河船時(shí)，水密度和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)取為相應(yīng)溫度下的淡水?dāng)?shù)值。6）傅汝德認(rèn)為：低速范圍內(nèi)，粘壓阻力系數(shù)是一常數(shù)。傅汝德法意味著：假定同型船的粘壓阻力系數(shù)不隨雷諾數(shù)而變化，實(shí)船和船模的粘壓阻力系數(shù)是相等的。（傅汝德法的關(guān)鍵所在）4、傅汝德法的不足之處1）把船體阻力分成互不相關(guān)的兩個(gè)獨(dú)立部分。一部分僅與重力和傅汝德數(shù)有關(guān)，另一部分僅與粘性和雷諾數(shù)有關(guān)，忽略了兩者的相互影響不合理。2）傅汝德將興波阻力

8、和粘壓阻力這兩種不同性質(zhì)的阻力合并為剩余阻力，并認(rèn)為符合比較定律，在理論上是不恰當(dāng)?shù)摹?）船體形狀是相當(dāng)復(fù)雜的三因次物體，其周圍水的流動(dòng)情況與平板相比顯然有一定的差別，用相當(dāng)平板的摩擦阻力來代替船體的摩擦阻力必然存在誤差。七、（1K）法（或稱三因次法）1、三因次法的基本思想（即休斯假定）1）粘壓阻力與摩擦阻力合并為粘性阻力并與雷諾數(shù)有關(guān)。2）興波阻力與傅汝德數(shù)有關(guān)。3）據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為粘壓阻力系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)之比是一常數(shù)k，即 或式中k稱為形狀系數(shù)，（1k）為形狀因子，僅與船體形狀有關(guān)。對于相似的船模和實(shí)船來說，形狀因子相等。2、三因次法換算關(guān)系3、三因次換算法與傅汝德法的主要差別1）因

9、次不同：傅汝德法中，應(yīng)用平板公式計(jì)算船的摩擦阻力，所以可叫二因次換算法；而在三因次換算法中引進(jìn)形狀因子以考慮船的三因次流動(dòng)，所以叫三因次換算法，又稱(1+k)法。2）粘壓阻力的處理不同：將粘壓阻力與摩擦阻力合并處理，且認(rèn)為是雷諾數(shù)的函數(shù)。3）比較定律換算的阻力成份不同：在三因次換算法中適用于比較定律的阻力成分較傅汝德法大為減小。八、海軍系數(shù)法1、阻力估算方法分為三類1）船模系列資料估算法，例如泰洛法等。2）經(jīng)驗(yàn)公式估算法，例如艾亞法等。3）母型船數(shù)據(jù)估算法，例如海軍系數(shù)法等。2、海軍系數(shù)法1）出發(fā)點(diǎn)（基本思想）對于設(shè)計(jì)船和母型船，船體阻力，船體阻力對應(yīng)的有效功率。海軍系數(shù)，其中：為排水量(t)

10、，V為航速(kn)。對于船型近似，尺度和航速略同的船，它們的海軍系數(shù)大致相同。母型船：船型近似，尺度和航速略同的船。2）估算步驟找設(shè)計(jì)船對應(yīng)的母型船（即與設(shè)計(jì)船船型相近，大小和航速相差不多的船舶），并求得母型船的海軍系數(shù)。認(rèn)為設(shè)計(jì)船的海軍系數(shù)近似等于母型船的海軍系數(shù)，即。求設(shè)計(jì)船船體阻力對應(yīng)的有效功率。引申：由于同類船的有效功率和機(jī)器功率Pm之比大致為一常數(shù)，故也可用Pm代替Pe，這樣海軍系數(shù)也可定義為Cm = ，則設(shè)計(jì)船的機(jī)器功率Pm為 Pm = 。系數(shù)Ce和Cm的含義是不同的：Ce µ µ 1/Ct僅反映船舶的阻力性能。Cm = µ /Ct綜合包含阻力和推進(jìn)的

11、綜合性能（推進(jìn)系數(shù)Pe/Pm），實(shí)際上反映了船的快速性好壞。該系數(shù)越大，則表示在給定主機(jī)功率時(shí)所能達(dá)到的航速高，所以船的快速性越好。九、艾亞法（或稱愛爾法）1）出發(fā)點(diǎn)（基本思想） 首先規(guī)定其所給出的直接估算有效功率數(shù)據(jù)所對應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)船型”；然后根據(jù)設(shè)計(jì)船與標(biāo)準(zhǔn)船型之間的差異逐一進(jìn)行修正，最后得到設(shè)計(jì)船的有效功率值。 2）艾亞法規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)船型標(biāo)準(zhǔn)方形系數(shù)Cbc，可用下列公式表示：單槳船：Cbc-Fr；雙槳船：Cbc-Fr。標(biāo)準(zhǔn)寬度吃水比：B/d 2.0。標(biāo)準(zhǔn)浮心縱向位置xc，其值亦在表7-3中列出。標(biāo)準(zhǔn)水線長：LwlLbp。3）艾亞法給出的標(biāo)準(zhǔn)船型的有效功率Pe表達(dá)式Pe · (kw)

12、 式中：Vs為靜水試航速度，節(jié)(kn)；為排水量噸(t)。第二部分：歷屆真題1、附加阻力的組成及其計(jì)算處理方法。2、附體阻力的主要成分、附體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。3、空氣阻力的主要成分。4、試航速度、服務(wù)速度、失速、儲(chǔ)備功率的概念。5、傅汝德假定的主要內(nèi)容有哪些？6、傅汝德法的不足之處是什么？7、形狀因子（1K）實(shí)質(zhì)上反映了船體粘壓阻力與平板摩擦阻力的比值，僅與船型有關(guān)，而與雷諾數(shù)無關(guān)。（）8、形狀因子（1K），實(shí)質(zhì)上是的比值，與船型關(guān)，與雷諾數(shù)關(guān)。9、因?yàn)樾螤钜蜃樱?K）在低速時(shí)求得，所以三因次換算法也只能換算低速船的阻力。（）10、三因次換算法與傅汝德法的主要差別是什么？11、海軍系數(shù)法的基

13、礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)分別是什么？海軍系數(shù)法估算的步驟怎樣？12、某船在排水量不變的前提下，若航速在原有基礎(chǔ)上提高1%，主機(jī)功率應(yīng)增加多少？13、某船在航速不變的條件下，排水量增加3%，問主機(jī)功率應(yīng)增加多少？14、某船排水量增加3%，航速減少1%，主機(jī)功率應(yīng)增加或減少多少？(提示：全微分在近似計(jì)算中的應(yīng)用。)15、艾亞法的基本思想是什么？16、什么是相似船、母型船和標(biāo)準(zhǔn)船型？17、某客貨船裝有軸功率為2000馬力的主機(jī)，正常航速為12節(jié)。因鍋爐故障，致使主機(jī)功率下降12%，試估算船速下降的百分比。18、現(xiàn)欲設(shè)計(jì)一新船，船長為112米，排水量為6850噸，試估算新船在航速為11節(jié)時(shí)的有效功率。母型船資料：船

14、長115米，船寬15.6米，吃水5.5米，棱形系數(shù)0.735，排水體積7104立方米，排水量7325噸，航速12節(jié)時(shí)的有效功率為900千瓦。19、某船的總阻力是通過船模試驗(yàn)用三因次法換算得到的，如果試求：1K？20、某海船模型速度Vm1.80m/s，L6.1m, ,濕面積，縮尺比，測得總阻力，試驗(yàn)水池水溫為。試用傅汝德法求海水中的實(shí)船總阻力。21、某海船的模型長度：，濕面積，試驗(yàn)溫度，模型速度Vm5m/s，模型阻力，縮尺比。求實(shí)船的相應(yīng)速度及有效功率。海水淡水22、某海船的模型速度Vm1.54m/s,Fr0.22，測得，模型濕面積，縮尺比，試驗(yàn)水溫。試求實(shí)船在下的有效率。23、某海船模型速度Vm1.75m/s，L6.0m, ,濕面積，縮尺比，試驗(yàn)水池水溫為，測得總阻力，該船形狀系數(shù)K0.023，試比較用三因次換算法和傅汝德?lián)Q算法求得的實(shí)船總阻力大小（海水溫度）。24、某海船模型長度9米，濕表面積10平方米，在船池中進(jìn)行試驗(yàn)，測得其在每秒時(shí)總阻力。已知船模摩擦阻力，試用二因次換算方法，計(jì)算縮尺比為25的實(shí)船在相應(yīng)