船型对阻力的影响.docx
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船型对阻力的影响
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学生姓名
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指导教师
摘要…………………………………………………………………………………3
第一章绪论……………………………………………………………………4
第二章船型对阻力影响的基本概念……………………………………………5
2.1船型、航速与阻力性能之间的关系
2.2确定影响阻力的船型参数
2.3船型对阻力影响问题的研究方法
第三章船体主尺度的影响………………………………………………………6
3.1排水量长度系数对阻力的影响
3.2宽度吃水比的影响
第四章主要船型系数的影响……………………………………………………11
4.1棱形系数的影响
4.2船中横剖面系数的影响
4.3方形系数的影响
第五章横剖面面积曲线形状的影响……………………………………………16
5.1浮心纵向位置的影响
5.2平行中体长度和位置的影响
5.3横剖面面积曲线两端形状的影响
第六章首尾端形状的影响………………………………………………………19
6.1首尾横剖面形状
6.2船首柱、尾柱形状
6.3球鼻艏对阻力的影响
6.4特殊船尾形状
结束语……………………………………………………………………………….25
致谢………………………………………………………………………………….26
参考文献…………………………………………………………………………….27
附录………………………………………………………………………………….28
摘要
船舶设计中一个重要步骤是确定船型参数，就是确定表征船体水线以下部分的一些特征参数的数值和几何形状。
但应该指出，船舶设计是一个必须考虑各种因素的综合性问题，船型参数的选择应顾及总体布置、工艺结构、快速性、耐波性、稳性、航区和经济性等诸多方面既有联系又有矛盾的各种要求。
关键词：
船体主尺度、主要船型系数、横剖面面积曲线、首尾端形状
第一章绪论
船舶设计建造部门总希望所设计建造的船舶具有优良的航行性能，用船部门理所当然要求所属的各类船舶都具有优良的航行性能。
概括来说，所谓优良的航行性能大体包括：
船舶是否具有合理的浮态和足够的稳性，是否属低阻力的优良船型，推进器的效率是否最佳，推进器与船体及主机是否匹配，是否具有良好的航向稳定性和回转性，在风浪中航行时是否会产生剧烈的摇摆运动以及砰击、甲板上浪及失速等，但在实际造船工作中，判断船舶是否具有优良的航行性能是有一定衡量指标的，有些指标因素考虑到航海安全而由船籍社乃至国际组织规定必须满足的硬指标，有些指标则是与长期积累的优秀船型资料相比较而判定的。
所有这些指标都和船舶的主要尺度、船体形状、装载情况等密切相关。
因此，本文中所讨论的众多问题，都是船舶设计、建造和营运乃至新型船舶的研究开发需要用到的专门基础知识
第二章船型对阻力影响的基本概念
2.1、船型、航速与阻力性能之间的关系
▪2.1.1．优良船型的含义
▪船型对阻力性能的影响是与船速密切联系的，在不同速度范围内，船型参数对阻力的影响不仅程度上不同，甚至还有本质上的差别，因此，所谓阻力性能优良的船型是对某一定速度范围而言。
2.1.2．船舶分类及其主要阻力成分
▪低速船航速较低，兴波阻力很小，其总阻力中
摩擦阻力与粘压阻力占主要成分，
▪中速船的航速较低速船有所增大，兴波阻力成
分随之增大，故在设计过程中既要注意减小兴波阻
力，又要防止其他阻力成分的增长。
▪高速船的兴波阻力是总阻力中的主要成分，有
时可达50%以上。
为此，设计中应力求减少兴波阻
力。
2.2、确定影响阻力的船型参数
▪船型参数主要包括三个方面：
▪
（1）主尺度比：
▪有长宽比L/B，宽度吃水比B/d。
▪
（2）船型系数：
▪有方形系数Cb，棱形系数Cp，船中横剖面系数Cm以及排水体积长度系数/L。
所述的六个船型参数，并非完全独立，存在如下两关系：
Cp=Cb/Cm
▪
▪因而上述六个参数中，可取四个作独立参
数。
即:
▪/L、Cm、Cp或Cb
▪（3）船体形状：
▪表征船体形状的因素很多，可归纳为三个主要方面：
▪①横剖面面积曲线的形状：
可由浮心纵向位置xc，平行中体长度Lp和位置，以及曲线两端的形状来表征。
▪②满载水线面的形状：
可以由满载水线面的面积，满载水线平行中段，满载水线首尾端的形状以及满载水线首端半进角等因素表征。
▪③首尾形状：
包括首尾横剖面形状和纵剖面形状。
▪若上述诸方面的各项参数、特征一定时，船的形状可以说基本上确定，故总阻力系数表达式可改写成：
▪
Ct=f（、、Cp、Cm、船体形状、Fr）
2.3、船型对阻力影响问题的研究方法
▪由于目前还不可能用理论计算方法来确定船型诸参数对船体阻力的影响，所以现在解决这个问题的主要手段是船模系列试验方法。
▪派生系列船模改变船型的方式有两种：
一种为仿射变化；
另一种是改变线型特征的方式。
第三章船体主尺度的影响3.1排水量长度系数对阻力的影响
▪船型参数的变化可以由两种情况所引起：
▪
若在排水量Δ一定时：
要求船中横剖面系数Cm，Cp和B/d都保持不变，则的变化是由同时改变宽度和吃水并相应改变船长L而得到的；
▪若船长L一定时：
要求Cm、Cp和B/d均保
持不变，则的变化是由同时改变B和d以致由Δ变化而得到的。
3.1.1．由船长变化，讨论的影响
▪
（1）对摩擦阻力影响
▪
由于湿面积可按S=Cs估算，在参数Cm，Cp和B/d不变情况下，Cs近似为常数，因此可认为在排水量一定时，S与L成正比关系。
▪
由此可知，船长增大时，湿面积将随之增加，而一般说来船长增大时，以致Re增大所引起的摩擦阻力系数减小是极微的。
因此增大船长（或减小）将使摩擦阻力增加。
（2）对剩余阻力的影响
▪因为在排水量Δ一定时，增加船长，必
▪定要求B、d同时减小，其L/B增大，所以船
▪型变得较瘦长，这样对剩余阻力产生的影响
▪反映在两个方面：
一方面，船型瘦长，将使
▪粘压阻力下降；另一方面，船宽B，吃水d
▪减小，将使兴波阻力下降。
▪显然，在Δ一定时，增加L将使剩余阻
▪力下降。
（3）对总阻力的影响
由于在一定Δ时，增长L的结果使摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr产生完全相反的影响，因而对总阻力的影响作用将取决于Rf与Rr两者增减的数值而定。
但由前知，对于不同航速的船舶说来，Rf和Rr占总阻力的比重是不同的，因而船长对总阻力的影响也将是不同的。
①对低速船：
▪Rf占总阻力的主要成分，可达总阻力的
70%以上。
而Rr所占比例较小，因此当排水
量一定时，增长L时（即减小），剩余阻
力的减小值不大，因此总阻力几乎无甚下降。
如果L过大时，总阻力反而增大。
▪②对高速船：
▪由于Rr占总阻力的比例很大，因此随着
船长增大，即减小，总阻力的变化情
况与低速船有所不同，
▪当航速Vs一定时：
▪如果船长较短时，Rr很大，因此增大船长，Rr下降相当明显，Rr的减小值大于Rf的增加值，因而总阻力的减小相当显著。
▪
随着船长继续增加，或继续减小，Rr的下降渐趋缓慢，总阻力的减小趋势减缓，直至出现对应于总阻力最低点的最佳船长Lopt；如果进一步再增加船长，总阻力反趋增大。
因为当船长增加到一定程度后，Rr并没有更多的减小，而Rf却随之不断增加，致使总阻力反而变大。
图Ⅲ-1排水量长度系数对阻力影响的示意图
（a）低速船情况（当Δ＝常数）；（b）高速船情况（当Δ＝常数）。
（4）船长的选择必须考虑的几个方面的要求
▪①布置要求：
满足船舶使用要求，使舱室布
置符合要求；
▪②阻力性能：
尽量选择对应于船体阻力性能
良好的船长；
▪③操纵性：
船长与操纵性关系密切，船过
长，其回转性差，要考虑港口、航道内的操
纵性问题；
▪④经济性：
如果在最低阻力所对应的最佳船
长附近范围的总阻力差别不大时，应选用阻
力并不过高的最短船长，以降低船体造价。
（5）确定船长的经验公式
▪
①巴士久宁公式
Ldisp=0.305×C△1/3
▪巴士久宁公式适用于Δ＝1600～42000t的各类民用船。
▪②艾亚公式
▪艾亚对一般民用船的长度、排水量与速度关系以下式表示，其平均数值：
▪
=3.344+10.225Fr
适用于Lbp=120～140m的商船。
③诺吉德公式
▪该公式比较简单，给出的长度排水体积
系数与航速的关系式为
▪
=2.3υs
2．由排水量变化，讨论的影响
▪
（1）对摩擦阻力影响
▪
因为在一定船长时，Rf/Δ随S/Δ而变，并且：
▪由此知增大排水量，即排水量长度系数
▪增加时，单位排水量摩擦阻力Rf/Δ
将减小。
（2）对剩余阻力的影响
▪同样地，当船长不变时，增大排水量Δ是
▪由同时增大B、d实现的。
因此不但兴波阻
▪力将增大，而且由于船型变肥，粘压阻力亦
▪随之增大。
剩余阻力Rr必然增大。
▪
对于低速船，可以认为对Rr/Δ的
▪影响是不大的。
图Ⅲ-2排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr=0.298
排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr
排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr
图6-5排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr
图6-5排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr
图6-5排水量长度系数对Rr/Δ影响
（a）Fr＝0.208；（b）Fr
▪
对于高速船，由图Ⅲ-2（b）知的影响相当敏感，随着该系数增大，Rr/Δ将有明显增加。
▪
（3）对总阻力的影响
▪低速船：
当增大时，Rf/Δ将减小，但Rr/Δ却几乎保持为常数。
▪
高速船：
由于Rr/Δ在总阻力中占重要比重，一般说来，当值减小时，Rr/Δ将下降，Rt/Δ亦是下降的。
3．不同船舶的选取
▪
（1）低、中速船的宜取适当大一些；
随着航速增大，则应降低值，对阻力
性能是有利的。
▪
（2）高速船的较低速船要小得多，所
以高速船船型瘦长，低速船短而肥。
▪
对应于不同航速应该存在的最佳曲线。
3.2宽度吃水比的影响
3.2.1．B/d对摩擦阻力的影响
▪讨论B/d对摩擦阻力的影响，亦即讨论B/d变化对湿面积的影响，试验资料认为在B/d=2.25～3.75的实用范围内变化时，对摩擦阻力的影响很小。
3.2.2.B/d对剩余阻力的影响
▪B/d对剩余阻力的影响要看B和d分别影响的大小而定：
一般认为船宽B增大时，船体的散波波高增大；吃水d增大时横波的波高增大。
而改变B/d是由B、d两者相反变化而得。
因此两者对兴波的影响，反映在剩余阻力有相反影响作用
图Ⅲ-3对应最小湿面积的B/d值
对应最小湿面积的B/d值
图6-7对应最小湿面积的B/d值
图Ⅲ-4B/d对Rr/Δ的影响
3.3.3．B/d对总阻力影响
由上述知，B/d对总阻力将有所影响，但是这种影响作用往往是不大的。
一般根据试验统计资料认为可近似估计这种影响，对于低中速船，在常用的B/d范围内，当B/d值增加0.1时，将使总阻力增加0.50%～0.75%，而高速船相应增加要大些。
第四章主要船型系数的影响
4.1、棱形系数的影响
Cp＝/LAm
图Ⅳ-1不同Cp值的横剖面面积曲线
4.1.1．棱形系数对阻力的影响
▪
（1）Cp对Rf的影响
▪一般认为Cp对摩擦阻力的影响可不予考虑。
▪
（2）Cp对Rr的影响
▪棱形系数对剩余阻力的影响是很大的。
▪棱形系数对剩余阻力的影响，随航速而发生变化的原因如下：
▪低速时，由于兴波阻力极小，因而棱形系数对阻力的影响甚微；
▪中速时，船的兴波作用主要在船首尾两端，棱形系数Cp小者，首尾尖瘦，对减小兴波有利。
▪在高速时，整个船体均产生较大的兴波作用，若排水体积沿船长分布比较均匀，则有利于缓和兴波作用。
因此取适当大的Cp值时，其剩余阻力反而较小。
图Ⅳ-3Cp值与船首形状、水压力的关系
▪棱形系数对剩余阻力的影响，随航速而发生变化的原因是与不同航速时的兴波情况有关。
▪低速时，Cp对阻力的影响甚微；
▪中速时，选择较小的Cp值有利。
▪高速时，取适当大的Cp值。
4.1.2．最佳棱形系数曲线
图Ⅳ-4最佳棱形系数曲线
4.1.3．经验公式确定棱形系数
▪
（1）楚思德（Troost）公式=1.85-1.6Cp
▪
▪
（2）贝克（Baker）公式Cp=1.02–
▪（3）直接利用设计资料
▪
▪实际棱形系数可按图6-6选取；也可由下式计算：
▪当Fr＜0.24时：
Cp＝1.015-1.46Fr
▪
Fr＝0.24～0.30时：
Cp＝0.325Fr
4.2、船中横剖面系数的影响
图Ⅳ-5两种船中横剖面形状
▪4.2.1．Cm对阻力的影响
▪基于泰洛的试验结果和其他类似试验结果，总是认为Cm对阻力的影响并不重要。
4.2.2．Cm值的选取
Cm值的选取实际上是取决于方形系数Cb。
图Ⅳ-5民用船的Cm与对应的Cb曲线
4.3、方形系数的影响
图Ⅳ-6不同Fr时的Cb、Cp、Cm相应关系
▪4.3.1．方形系数对阻力影响
▪方形系数Cb对摩擦阻力的影响比较小，但对剩余阻力的影响较大，尤其是对航速较高的船的影响更为显著。
（1）根据不同Fr数，可确定临界方形系数：
Cbc=1.05-1.68Fr（对于服务速度）
Cbc=1.08-1.68Fr（对于试航速度）
（2）根据Cp、Cm和Cb三者关系确定：
由于Cp、Cm和Cb三者之间存在着密切联系，图6-16是商船在不同Fr数时的三者的相应曲线值，可供设计时应用。
图Ⅳ-7Cb对阻力性能的影响
第五章横剖面面积曲线形状的影响
横剖面面积曲线形状可以由下列几方面来表征：
▪浮心纵向位置xc；
▪平行中体长度Lp和位置；
▪横剖面面积曲线两端的形状。
5.1、浮心纵向位置的影响
▪5.1.1．浮心纵向位置对阻力的影响
▪由于浮心纵向位置的改变，对船体湿面积影响不
大，故对摩擦阻力影响很小，然而对剩余阻力的影响比较大。
列表说明如下：
浮心位置变化
xc：
由船中之前→船中之后
船体形状改变
船型：
首部肥、尾部瘦→首部瘦、尾部肥
剩余阻力的影响
粘压阻力：
由较小→变为较大
兴波阻力：
由较大→减小
5.1.2．不同船型的xc选择
图Ⅴ-l系列60的最佳浮心位置
5.2、平行中体长度和位置的影响
▪5.2.1．平行中体对阻力的影响
▪在排水体积一定的情况下，适当地设置平行中体可使船首尾两端尖瘦，在中低速情况下，对减小兴波阻力和粘压阻力均有利，这是对阻力性能有利的一面。
但另一方面，由于平行中体的存在，船的前体（进流段）和后体（去流段）与平行中体之间将形成“前肩”和“后肩”，易于产生肩波和旋涡，这是对阻力性能不利的一面。
▪对高速船，如果设置平行中体，必然使船首过分瘦削，
水线成为S形，这样在较高航速时，首部波浪水压力的水平分量将增大，因而阻力增大。
5.2.2．确定平行中体长度和位置
图Ⅴ-2平行中体长度和位置的确定
（a）Lp/Lbp与V/L½的关系；（b）系列60的Lp和Le值。
▪此外，平行中体长度和位置亦可直接根据最短进流段和最短去流段要求而确定。
由兴波阻力和粘压阻力部分讨论知：
▪避免前肩波系干扰的最短进流段要求为：
▪
▪Le=0.257Vs，即=9.474Fr
▪
▪避免严重旋涡的最短去流段要求为：
▪
Lr=4.08即=4.08
5.3、横剖面面积曲线两端形状的影响
▪不同航速船舶的横剖面面积曲线两端的形状可概括为：
▪低速船：
两端宜为直线形；
▪中速船：
前端宜取微凹或凹形，后端直线或微凹；
▪高速船：
两端宜取直线或微凸。
图Ⅴ-3横剖面面积曲线的两端形状
第六章首尾端形状的影响6.1首尾横剖面形状
▪6.1.1．横剖面形状的形式
▪
按程度不同又可分为极端U形、V形，和缓和U形、V形（又称中U形和中V形）如图Ⅴ-1所示。
图Ⅵ-1不同的横剖面形状
6.1.2．横剖面形状对阻力影响及选择
▪
（1）首部横剖面形状：
低速船取V形较佳，一般对中高速船以采用U形为佳。
▪
（2）尾部横剖面形状：
从阻力观点来看，采用V形剖面。
▪从推进观点来看，尾部采用U形剖面可使伴流比较均匀，因此船体振动较小，特别对提高单螺旋桨效率有利。
6.2、船首柱、尾柱形状
6.2.1．船首柱形状
图Ⅵ-2各种船首型
6.2.2．船尾柱形状
图Ⅵ-3各种船尾外型
6.3、球鼻船首（亦称球鼻首）对阻力的影响
▪6.3.1．球鼻船首的减阻机理
▪
（1）减小兴波阻力；
▪
（2）减小舭涡阻力：
▪（3）减小破波阻力。
选用球鼻船首的“界限速度”
▪一般说来，只有当航速大于某一值时，球鼻船首才会显示其减阻作用。
该航速值称为球鼻船首的“界限速度”。
估算公式有：
▪中速货船：
[Fr]b＝0.644-0.641Cb；
▪低速肥大型船：
[Fr]b＝0.582-0.493Cb。
▪所以首先要判定设计航速时的Fr数是否大于[Fr]b，然后决定是否选用球鼻船首。
6.4、特殊船尾形状
▪6.4.1．方尾
▪方尾的最主要优点在于：
它的尾部纵剖线坡度缓和近于直线。
这样可使水流大致沿纵剖线方向流动，减少高速水流的扭转和弯曲程度，如图Ⅵ-4（a）所示。
从而可减少能量损失，可改善阻力性能。
更重要的是由图Ⅵ-4（b）可见，高速水流沿着方尾边缘一直延伸到尾后相当的距离处，其作用相当于增加了船体的有效长度，这样摩擦阻力并未增加，但对减小剩余阻力是有利的。
方尾的这种作用通常称为虚长度作用。
此外，由于方尾的尾部排水体积较大可以减小航行过程中的尾倾现象，从而使尾部产生的“鸡尾流”波浪情况得到改善。
图Ⅵ-4方尾
（a）方尾尾部流动状态；（b）方尾的“虚长度”
结束语
本研究及学位论文是在我的导师曾教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科
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