第04章 附加阻力

1、船舶阻力第四章第四章 附加阻力附加阻力4.1 4.1 附體阻力附體阻力4.2 4.2 空氣阻力空氣阻力4.3 4.3 波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加1/14.1 4.1 附體阻力附體阻力n31/3附體阻力附體阻力 實船需安裝實船需安裝舵舵、舭龍骨舭龍骨、軸包架軸包架、軸軸和和軸支架軸支架、聲納聲納等附體等附體(不含螺旋槳不含螺旋槳)，由于水對附體作用而增加的那一部，由于水對附體作用而增加的那一部分阻力稱為分阻力稱為附體阻力附體阻力。 由于附體通常安裝在水線以下較深的位置，且相對尺由于附體通常安裝在水線以下較深的位置，且相對尺寸較小，興波阻力通常很小，因而認為寸較小，興波阻力通常很小，因而認為

2、附體阻力附體阻力的主要成的主要成分是分是摩擦阻力摩擦阻力和和粘壓阻力粘壓阻力。 軸支架軸支架等較短的附體，主要是等較短的附體，主要是粘壓阻力粘壓阻力，并可認為其，并可認為其阻力系數(shù)與速度無關(guān)；而阻力系數(shù)與速度無關(guān)；而舭龍骨舭龍骨、軸包套軸包套等較長的沿流線等較長的沿流線方向安裝的附體，主要是方向安裝的附體，主要是摩擦阻力摩擦阻力。2/3附體阻力附體阻力3/3一、確定附體阻力的方法一、確定附體阻力的方法二、附體設(shè)計應(yīng)注意的事項二、附體設(shè)計應(yīng)注意的事項一、確定附體阻力的方法一、確定附體阻力的方法 目前準確確定附體阻力相當困難，其原因是：目前準確確定附體阻力相當困難，其原因是：附體阻力附體阻力復(fù)雜復(fù)

3、雜。因為除要精確地確定各種附體的自身。因為除要精確地確定各種附體的自身阻力外，還要確定附體與船體之間的阻力外，還要確定附體與船體之間的干擾干擾阻力；阻力；尺度效應(yīng)尺度效應(yīng)影響。通過模型試驗確定附體阻力，由于船影響。通過模型試驗確定附體阻力，由于船模速度低，附體尺度小，因而存在較嚴重的尺度效應(yīng)。模速度低，附體尺度小，因而存在較嚴重的尺度效應(yīng)。 工程上一般采用兩種近似方法確定附體阻力：工程上一般采用兩種近似方法確定附體阻力：1/51. 1. 用已有資料或經(jīng)驗公式估算用已有資料或經(jīng)驗公式估算2. 2. 用模型試驗確定附體阻力。用模型試驗確定附體阻力。1. 1. 用已有資料或經(jīng)驗公式估算用已有資料或經(jīng)

4、驗公式估算2/5 用經(jīng)驗公式確定附體阻力有兩種方式：一是分別求每用經(jīng)驗公式確定附體阻力有兩種方式：一是分別求每一附體阻力之后相加；二是將所有附體總起來計算，取裸一附體阻力之后相加；二是將所有附體總起來計算，取裸船阻力的百分數(shù)船阻力的百分數(shù) kap 來表示，稱為來表示，稱為附體阻力百分數(shù)附體阻力百分數(shù)。不同類型船的附體系數(shù)不同類型船的附體系數(shù)單螺旋槳民用船2 5%雙螺旋槳民用船7 13%雙或四螺旋槳高速軍艦8 16% 記裸船體所需有效功率為記裸船體所需有效功率為Peb，則計及附體的實船有效，則計及附體的實船有效功率功率Pe1為為: Pe1=Peb(1+kap)用已有資料或經(jīng)驗公式估算用已有資料或

5、經(jīng)驗公式估算 中、低速船的附體系數(shù)與速度的關(guān)系甚??；但中、低速船的附體系數(shù)與速度的關(guān)系甚??；但高速船高速船或或軍艦軍艦因興波阻力占總阻力的主要部分，附體也使興波阻因興波阻力占總阻力的主要部分，附體也使興波阻力的增大。力的增大。 此外，若附體此外，若附體形狀特殊形狀特殊或或未按流線方向未按流線方向設(shè)計，則附體設(shè)計，則附體系數(shù)應(yīng)適當加大。系數(shù)應(yīng)適當加大。3/52 2用模型試驗確定附體阻力用模型試驗確定附體阻力4/5 目前普遍采用模型試驗確定附體阻力，通過目前普遍采用模型試驗確定附體阻力，通過帶附體帶附體和和不帶附不帶附體體船模試驗所得到的船模試驗所得到的總阻力之差總阻力之差來確定附體阻力。來確定附

6、體阻力。為了減少尺度效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用大模型試驗。為了減少尺度效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用大模型試驗。 逐一去除法逐一去除法是用試驗確定附體阻力的實用方法。即先是用試驗確定附體阻力的實用方法。即先安裝全部附體進行試驗，然后逐一去除對其它附體干擾小安裝全部附體進行試驗，然后逐一去除對其它附體干擾小的附體的附體(去除后不再安裝去除后不再安裝)，再進行試驗。以保證在附體阻，再進行試驗。以保證在附體阻力中既包含其自身阻力，又包括它對船體及其它附體的干力中既包含其自身阻力，又包括它對船體及其它附體的干擾力。擾力。用模型試驗確定附體阻力用模型試驗確定附體阻力 設(shè)模型試驗得到的不帶附體船模的總阻力為設(shè)模型試驗得到的不

7、帶附體船模的總阻力為Rm；加裝；加裝全部附體后的總阻力為全部附體后的總阻力為Rm+Rm。則模型的。則模型的附體系數(shù)附體系數(shù)： kapmRm/Rm， 認為認為實船實船的的附體系數(shù)附體系數(shù)kaps等于等于模型模型的的附體系數(shù)附體系數(shù)kapm，這，這樣實船的附體阻力樣實船的附體阻力: Rs=kapmRs5/5二、附體設(shè)計注意事項二、附體設(shè)計注意事項1/2 1. 附體應(yīng)附體應(yīng)沿船體流線方向沿船體流線方向設(shè)置，以減小附體產(chǎn)生的旋設(shè)置，以減小附體產(chǎn)生的旋渦，而減少粘壓阻力。渦，而減少粘壓阻力。 舭龍骨的長度通常為船長的舭龍骨的長度通常為船長的30 50，如布置得當，如布置得當，其阻力基本上僅為摩擦阻力，但

8、如與流線交叉，將引起很其阻力基本上僅為摩擦阻力，但如與流線交叉，將引起很大的粘壓阻力，故其安裝位置需經(jīng)大的粘壓阻力，故其安裝位置需經(jīng)流線觀察試驗流線觀察試驗確定，同確定，同樣軸包架、軸支架等也應(yīng)盡可能沿水流方向裝置。樣軸包架、軸支架等也應(yīng)盡可能沿水流方向裝置。n2附體設(shè)計注意事項附體設(shè)計注意事項 2.盡可能采用盡可能采用濕面積較小濕面積較小的附體，以減小附體的摩擦的附體，以減小附體的摩擦阻力。阻力。 3.舵、軸支架、軸包架等附體沿水流方向應(yīng)舵、軸支架、軸包架等附體沿水流方向應(yīng)采用流線采用流線型對稱剖面型對稱剖面，對減小附體阻力有顯著的作用。，對減小附體阻力有顯著的作用。2/24.2 4.2 空

9、氣阻力空氣阻力1/6空氣阻力空氣阻力 船舶在航行中、船體水線以上部分和上層建筑與空氣船舶在航行中、船體水線以上部分和上層建筑與空氣的相互作用而受到的阻力。的相互作用而受到的阻力?？諝庾枇諝庾枇Π諝獾陌諝獾哪Σ磷枇δΣ磷枇秃驼硥鹤枇φ硥鹤枇刹糠帧Ｒ驗榭諝獾膬刹糠?。因為空氣的密度密度和和粘性系數(shù)粘性系數(shù)比水比水小小得得多，所以空氣阻力通常只占船總阻力的很小部分。多，所以空氣阻力通常只占船總阻力的很小部分。 在空氣阻力中，摩擦阻力只占極小部分，而在空氣阻力中，摩擦阻力只占極小部分，而主要部分主要部分是粘壓阻力是粘壓阻力。它與船舶水上部分的外形以及與風的相對速。它與船舶水上部分的外形以及

10、與風的相對速度大小和方向有關(guān)。度大小和方向有關(guān)。 空氣阻力空氣阻力Raa可由下式計算：可由下式計算：2/6221ataaaavACR Ca:空氣阻力系數(shù)空氣阻力系數(shù), a:空氣密度空氣密度(1.226/g kg/m3), At:船體水船體水線以上部分在中橫剖面上的投影線以上部分在中橫剖面上的投影, va:相對風速。相對風速。相對風速相對風速v va a3/6 相對風速相對風速: va=vs+uwcos(a) vs: 船速船速 uw:風速風速(按風級從表按風級從表4-2中查取中查取) a:風速與船速間的夾角。風速與船速間的夾角。 實用上所說的實用上所說的空氣阻力空氣阻力，是指船在，是指船在靜止空

11、氣靜止空氣或或風速小風速小于于 2 級級情況下航行時所遭受的空氣阻力。對一般船舶，特情況下航行時所遭受的空氣阻力。對一般船舶，特別是肥大船，可按下式估算空氣阻力系數(shù)別是肥大船，可按下式估算空氣阻力系數(shù):SASvRCtsaaaa/001. 0/221 (4-9)水水的密度；的密度；S船體濕表面面積船體濕表面面積(m2)；At船體水線以上部分船體水線以上部分在橫剖面上的投影在橫剖面上的投影(m2)?？諝庾枇ο禂?shù)空氣阻力系數(shù) 根據(jù)風洞試驗，空氣阻力系數(shù)根據(jù)風洞試驗，空氣阻力系數(shù)Caa的平均值為：的平均值為：4/6普通貨船普通貨船 0.1010-3漁船漁船0.1310-3散裝貨船散裝貨船 0.0810

12、-3客船客船0.0910-3油船油船0.0810-3渡船渡船0.1010-3超級油船超級油船 0.0410-3集裝箱船集裝箱船(甲板上無集裝箱甲板上無集裝箱) (甲板上有集裝箱甲板上有集裝箱)0.0810-30.1010-3空氣阻力試驗空氣阻力試驗5/6 空氣阻力可通過以下試驗確定：空氣阻力可通過以下試驗確定：1.在在風洞風洞中做船舶水上部分的模型試驗；中做船舶水上部分的模型試驗；2.將帶有上層建筑的船模倒置在將帶有上層建筑的船模倒置在水中水中進行拖曳試驗。進行拖曳試驗。三島式船和客船的空氣阻力試驗結(jié)果三島式船和客船的空氣阻力試驗結(jié)果空氣阻力估算空氣阻力估算6/6 船舶設(shè)計中常以裸船阻力的百分

13、數(shù)來估算空氣阻力，船舶設(shè)計中常以裸船阻力的百分數(shù)來估算空氣阻力，一般船舶一般船舶，如風速不大于，如風速不大于2級時，其空氣阻力百分數(shù)級時，其空氣阻力百分數(shù)kaa=2 4，而高速，而高速軍艦軍艦則要則要大大很多。如果已確定船的附體阻力很多。如果已確定船的附體阻力和空氣阻力則實船的有效功率和空氣阻力則實船的有效功率(靜水有效功率靜水有效功率)Pet: Pet=Peb(1+kap+kaa) 在設(shè)計船體上層建筑時，應(yīng)注意在設(shè)計船體上層建筑時，應(yīng)注意上層建筑上層建筑盡可能盡可能低低而而長長，盡可能減小水上部分在舯橫剖面上的，盡可能減小水上部分在舯橫剖面上的投影面積投影面積；上層；上層建筑前端應(yīng)設(shè)計成建筑

14、前端應(yīng)設(shè)計成流線型流線型，后端可做成，后端可做成階梯形階梯形。4.3 4.3 波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加 船在風浪中航行時所增加的阻力稱為船在風浪中航行時所增加的阻力稱為波浪中阻力增值波浪中阻力增值或稱為或稱為洶濤阻力洶濤阻力，記作，記作Raw。其大小與。其大小與風浪大小風浪大小、方向方向及及船型船型、航速航速等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。1/2波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加一一. .引起波浪阻力增加的原因引起波浪阻力增加的原因二二. 影晌波浪中阻力增值的因素影晌波浪中阻力增值的因素三三. 波浪阻力增值的處理與儲備功率波浪阻力增值的處理與儲備功率2/2 1船體運動船體運動 船在波浪中航行，將

15、產(chǎn)生船在波浪中航行，將產(chǎn)生縱搖縱搖、升沉升沉、橫搖橫搖和和搖首搖首等等運動，使運動，使阻力增加阻力增加，航速降低。其中主要是縱搖、升沉運，航速降低。其中主要是縱搖、升沉運動的影響，橫搖和搖首較為次要。動的影響，橫搖和搖首較為次要。 船舶在波浪中所船舶在波浪中所增加的阻力增加的阻力與船體與船體運動的幅值運動的幅值等參數(shù)等參數(shù)有關(guān)。有關(guān)。一一. .引起波浪阻力增加的原因引起波浪阻力增加的原因1/32 2船體對波浪的繞射作用船體對波浪的繞射作用2/3 波浪遇到船體后，波浪遇到船體后，被船體繞射被船體繞射而產(chǎn)生反射波，該水波而產(chǎn)生反射波，該水波的能量就是船體阻力增值的一部分。的能量就是船體阻力增值的一

16、部分。 由于波浪作用引起船體周圍由于波浪作用引起船體周圍壓力周期性變化壓力周期性變化，因而阻，因而阻力隨之發(fā)生變化，其平均值較靜水阻力為大；力隨之發(fā)生變化，其平均值較靜水阻力為大； 波浪中船體嚴重波浪中船體嚴重淹濕淹濕也使浸濕面積增大，亦是造成阻也使浸濕面積增大，亦是造成阻力增加的因素之一。力增加的因素之一。波浪阻力增加曲線波浪阻力增加曲線 圖示某船在規(guī)則波、不規(guī)則波中迎浪的阻力增值曲線。圖示某船在規(guī)則波、不規(guī)則波中迎浪的阻力增值曲線。圖中圖中Rs是是靜水阻力靜水阻力，Raw是是平均洶濤阻力平均洶濤阻力。規(guī)則波中。規(guī)則波中Raw不隨時間而變，洶濤阻力的瞬時值與平均值之不隨時間而變，洶濤阻力的瞬

17、時值與平均值之差差Raw按按波浪遭遇周期有規(guī)則地變化。不規(guī)則波中，波浪遭遇周期有規(guī)則地變化。不規(guī)則波中，Raw和和Raw為服從概率正態(tài)分布的隨機變量。為服從概率正態(tài)分布的隨機變量。3/3 波浪中的阻力增值問題相當復(fù)雜，已有的研究表明，波浪中的阻力增值問題相當復(fù)雜，已有的研究表明，影響波浪中阻力增值的因素主要有影響波浪中阻力增值的因素主要有波浪波浪和和船型船型兩方面：兩方面：二二. .影晌波浪中阻力增值的因素影晌波浪中阻力增值的因素1/5 1. 波浪方面波浪方面 實驗表明所有船型的波浪阻實驗表明所有船型的波浪阻力增值隨力增值隨遭遇波高遭遇波高平方成正比平方成正比增加。增加?？戏蚪o出了不同方形系數(shù)

18、船舶在波肯夫給出了不同方形系數(shù)船舶在波浪上航行時的速度降低百分數(shù)與波浪上航行時的速度降低百分數(shù)與波高的關(guān)系。高的關(guān)系。波浪與船的縱搖諧振波浪與船的縱搖諧振2/5 波浪阻力增值波浪阻力增值主要主要取決于船舶的取決于船舶的縱搖和升沉運動縱搖和升沉運動的強的強烈程度以及烈程度以及與波浪的相位與波浪的相位關(guān)系。一般，橫搖與首搖運動產(chǎn)關(guān)系。一般，橫搖與首搖運動產(chǎn)生的阻力增值較小，可不予考慮。當波浪周期與船的生的阻力增值較小，可不予考慮。當波浪周期與船的縱搖縱搖周期周期接近時，即使波浪高度并不大的情況下，也會發(fā)生相接近時，即使波浪高度并不大的情況下，也會發(fā)生相當大的縱搖運動，此時船體阻力增值可能很大。實用

19、上可當大的縱搖運動，此時船體阻力增值可能很大。實用上可以以變更船的航速變更船的航速或或航向航向來避免這種情況。來避免這種情況。遭遇波長的影響遭遇波長的影響 路易斯的研究指出，若遇波浪的波長在船長路易斯的研究指出，若遇波浪的波長在船長3/4以下，以下，產(chǎn)生的縱搖和升沉運動都較??；產(chǎn)生的縱搖和升沉運動都較?。辉庥龅扔诨虼笥诖L遭遇等于或大于船長的的波時，產(chǎn)生的運動將大為加劇，波時，產(chǎn)生的運動將大為加劇，波浪中的阻力增值亦將顯著增大。波浪中的阻力增值亦將顯著增大。迎浪情況下的模型試驗結(jié)果表明，迎浪情況下的模型試驗結(jié)果表明，在波長與船長比在波長與船長比/L=1 附近的區(qū)附近的區(qū)域，是縱搖諧振區(qū)，也是阻

20、力增域，是縱搖諧振區(qū)，也是阻力增值值Raw/的的峰值區(qū)峰值區(qū)。3/5 2. 2. 船型方面船型方面 方形系數(shù)方形系數(shù)Cb不同，在遭遇相同情況的波高時，它不同，在遭遇相同情況的波高時，它們的阻力增值不同。當船的方形系數(shù)超過們的阻力增值不同。當船的方形系數(shù)超過0.74，其波浪中，其波浪中的速度損失隨波高增加而迅速增長。的速度損失隨波高增加而迅速增長。 船長影響船長影響，如所設(shè)計的船航行于經(jīng)常出現(xiàn)波長與船，如所設(shè)計的船航行于經(jīng)常出現(xiàn)波長與船長之比大于長之比大于3/4范圍的航區(qū)，必須對波浪中阻力增值予以一范圍的航區(qū)，必須對波浪中阻力增值予以一定重視。定重視。4/5船型方面船型方面 船首部形狀船首部形狀

21、影響，試驗表明，船首采用影響，試驗表明，船首采用V型剖面則型剖面則波浪中阻力增值較波浪中阻力增值較U型小。型小。 在同樣風浪下，船舶處于滿載狀態(tài)的阻力增值較在同樣風浪下，船舶處于滿載狀態(tài)的阻力增值較壓載狀態(tài)壓載狀態(tài)為小，這是因為滿載船體運動較壓載時小。為小，這是因為滿載船體運動較壓載時小。5/5三三. .波浪阻力增值的處理與儲備功率波浪阻力增值的處理與儲備功率1/6 船舶在風浪中航行時由于風浪作用而產(chǎn)生阻力增值，船舶在風浪中航行時由于風浪作用而產(chǎn)生阻力增值，這樣會出現(xiàn)下面兩種情況：這樣會出現(xiàn)下面兩種情況： 1.由于波浪阻力增加，在保持靜水中由于波浪阻力增加，在保持靜水中相同功率相同功率時，航時

22、，航速必然下降，這種航速的減少稱為速必然下降，這種航速的減少稱為速度損失速度損失或簡稱或簡稱失速失速。 2.考慮波浪阻力增值，如要維持靜水中考慮波浪阻力增值，如要維持靜水中相同航速相同航速，則，則功率必須較靜水功率有所增加，所增加的功率稱為功率必須較靜水功率有所增加，所增加的功率稱為儲備功儲備功率率。風浪中平均有效功率增量公式風浪中平均有效功率增量公式2/6 馬隆馬隆(Malone)提出的船舶在風浪中平均有效功率增量提出的船舶在風浪中平均有效功率增量Pe的經(jīng)驗公式，可供近似估算儲備功率時使用。的經(jīng)驗公式，可供近似估算儲備功率時使用。 Pe=4.594B(2w+0.152)2/(TLpp2) (

23、kw) Lpp兩柱間長兩柱間長; B船寬船寬; T吃水吃水;排水量排水量;w=0.02vw2波高波高; vw風速風速(m/s)。 算例：某滾裝船算例：某滾裝船LppBT=16727.349.12m, =29753t, Cb=0.712, Vs=18kn, Pe=7186kw, 按馬隆式計算：按馬隆式計算：蒲氏風級蒲氏風級45678平均風速平均風速 m/s6.79.412.315.519.0波高波高 m0.91.773.04.87.2Pe kw62.7224.2622.51564.4 3483.3Pe/Pe %0.873.128.6621.7748.5儲備功率估算儲備功率估算 3/6 船舶設(shè)計時

24、，通?？偸蔷C合考慮船舶設(shè)計時，通?？偸蔷C合考慮波浪中阻力增值波浪中阻力增值、強、強風作用下的風作用下的空氣阻力空氣阻力、污底污底增加的阻力、增加的阻力、主機性能下降主機性能下降以以及風浪中由于及風浪中由于操縱性惡化操縱性惡化而增加的阻力等各種因素。而增加的阻力等各種因素。 考慮波浪阻力增加而儲備的功率，是在已計入附體阻考慮波浪阻力增加而儲備的功率，是在已計入附體阻力、空氣阻力的靜水航行功率后，再增加的功率百分數(shù)，力、空氣阻力的靜水航行功率后，再增加的功率百分數(shù)，記為記為kaw。這樣計及波浪中阻力增值等因素后的實際有效。這樣計及波浪中阻力增值等因素后的實際有效功率功率Pew為：為： Pew=Pe

25、b(1+kap+kaa)(1+kaw)靜水有效功率靜水有效功率 附體系數(shù)附體系數(shù) 空氣系數(shù)空氣系數(shù) 波浪系數(shù)波浪系數(shù)船舶正常航行必需的功率船舶正常航行必需的功率4/6試航速度與服務(wù)航速試航速度與服務(wù)航速 試航速度試航速度: 船舶建成后，在要求裝載情況下，且主機船舶建成后，在要求裝載情況下，且主機額定功率在平靜水域中所能達到的速度。額定功率在平靜水域中所能達到的速度。 服務(wù)航速服務(wù)航速: 考慮船舶在航行中考慮船舶在航行中受風浪受風浪和和污底污底等原因致等原因致使阻力增加，以使阻力增加，以持久功率持久功率(約為額定功率的約為額定功率的85 90)在在平平均海況下均海況下船舶所能達到的航速。船舶所能達到的航速。5/6儲備功率選擇儲備功率選擇 儲備功率的應(yīng)視船長、船型、航道和船的業(yè)務(wù)性儲備功率的應(yīng)視船長、船型、航道和船的業(yè)務(wù)性