船舶阻力要点.docx

1、船舶阻力要点第一章 总论1.船舶快速性，船舶快速性问题的分解。船舶快速性：对一定的船舶在给定主机功率时，能达到的航速较高者快速性好；或者，对一定的船舶要求达到一定航速时，所需主机功率小者快速性好。船舶快速性简化成两部分:“船舶阻力”部分：研究船舶在等速直线航行过程中船体受到的各种阻力问题。“船舶推进”部分：研究克服船体阻力的推进器及其与船体间的相互作用以及船、机、桨（推进器）的匹配问题。2.船舶阻力，船舶阻力研究的主要内容、主要方法。船舶阻力：船舶在航行过程中会受到流体（水和空气）阻止它前进的力，这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。船舶阻力研究的主要内容：1.船舶以一定速度在水中直线航行时

2、所遭受的各种阻力的成因及其性质；2.阻力随航速、船型和外界条件的变化规律；3.研究减小阻力的方法，寻求设计低阻力的优良船型；4.如何较准确地估算船舶阻力，为设计推进器（螺旋桨）决定主机功率提供依据。 研究船舶阻力的方法：1理论研究方法：应用流体力学的理论，通过对问题的观察、调查、思索和分析，抓住问题的核心和关键，确定拟采取的措施。2.试验方法：包括船模试验和实船实验，船模试验是根据对问题本质的理性认识，按照相似理论在试验池中进行试验，以获得问题定性和定量的解决。3.数值模拟:根据数学模型，采用数值方法预报船舶航行性能，优化船型和推进器的设计。3.水面舰船阻力的组成，每种阻力的成因。船舶在水面航

3、行时的阻力由裸船体阻力和附加阻力组成，其中附加阻力包括空气阻力、汹涛阻力和附体阻力。船体阻力的成因: 船体在运动过程中兴起波浪，船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，产生了兴波阻力；由于水的粘性，在船体周围形成“边界层”，从而使船体运动过程中受到摩擦阻力；在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部常会产生漩涡，引起船体前后压力不平衡而产生粘压阻力。4.船舶阻力分类方法。1.按产生阻力的物理现象分类：船体总阻力由兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力Rpv三者组成，即Rt=Rw+Rf+Rpv.2.按作用力的方向分类：分为由兴波和旋涡引起的垂直于船体表面压力和船体表面切向水质点的摩擦阻力，即Rt

4、=Rf+Rp.3.按流体性质分类：分为兴波阻力和粘性阻力（摩擦阻力和粘压阻力），即Rt=Rw+Rv.4.傅汝德阻力分类：分为摩擦阻力和剩余阻力（粘压阻力和兴波阻力）,即Rt=Rf+Rr.5.船舶动力相似定律，研究船舶动力相似定律的意义，粘性与重力互不相干假定。 船舶动力相似定律：航行于水面的船舶，其阻力和船体几何尺寸、航速、水的运动粘性系数，水的质量密度和重力加速度等有关用一种函数表示形式来联系船体阻力和这些物理量之间的关系。研究船舶动力相似定律的意义：如果建立了船舶阻力的函数表示式，则可给出船模与实船满足动力相似的条件并作为将船模试验结果换算到实船的根据。第二章 粘性阻力1. 边界层，边界层

5、厚度，边界层内流体流态及其特点。边界层：当水流过平板时，由于水具有粘性，平板表面处的水质点均被粘附在平板上，平板表面上的流速为0，据平板表面处流速达到来流速度，存在粘性作用的这一薄层水流称为边界层。称为边界层厚度。边界层内流体的流态和特点：1.层流：在平板前端部分，水质点表现有稳定的分层流动，边界层沿板长方向增长较慢。2.紊流：在平板后部，水质点互相碰撞，运动方向极不规则，但其平均速度还是沿平板方向前进、界层厚度沿板长方向的增长较层流情况为快。3.过渡流：介于层流和紊流之间的一段过渡状态。2. 与平板边界层对比，船体表面边界层的特点。1.船体边界层外缘势流的速度和压力沿船体表面均发生变化。2.

6、船体边界层内存在纵向压力梯度，首部压力高，中部较低而尾部又相应有所升高。3. 摩擦阻力的成因，及流体流态、雷诺数、湿面积对摩擦阻力的影响。摩擦阻力的成因：当船在静水中航行时，由于粘性作用，必带动一部分水一起运动，为携带这部分水一起前进，在运动过程中船体将不断供给这部分水质点以能量，因而产生摩擦阻力。在相同来流条件下，紊流的摩擦阻力系数较层流情况为大。当增大时，平均摩擦阻力系数和局部摩擦阻力系数均下降。减小湿面积可以降低摩擦阻力。4. 船体摩擦阻力的处理方法，相当平板定义。在“相当平板”假定的前提下，用平板摩擦阻力公式来计算船体的摩擦阻力。相当平板：在摩擦阻力计算中，实船或船模的摩擦阻力分别等于

7、与其同速度、同长度、同湿面积的光滑平板摩擦阻力，该假定中的“光滑平板”就称为该船的“相当平板”。5. 平板摩擦阻力系数计算的1957ITTC公式，适用范围。6. 船体表面粗糙度，粗糙度对摩擦阻力的影响及其计算处理方法，Cf取值。 船体表面粗糙度可分为普遍粗糙度和局部粗糙度。普遍粗糙度主要是油漆面的粗糙度和壳板表面的凹凸不平，局部粗糙度主要为焊缝、铆钉、开孔以及突出物等粗糙度。微小的粗糙度会导致摩擦阻力较大的增加。采用“粗糙度补贴系数”的形式计算船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响，Cf =0.0004.7. 船舶污底，污底对船舶阻力的影响，减小污底影响的措施。船舶污底：船舶在营运过程中，船体水下部分

8、因长期浸泡在水中，除钢板被腐蚀外，海水中的生物将附着在船体上生长，是船体表面凹凸不平，大大增加了船体表面的粗糙度，阻力增加很大，这种现象称为污底。 污底会增加船舶的总阻力，造成船速下降。防治污底的方法通常是现在船体表面敷涂两遍防锈漆，然后再涂一、二遍防污漆，因为防污漆有避污作用，可以在层流底层中保持有一定的毒素含量，可以使幼小的贝类、海草等致死。此外，污底的海船在淡水港内停泊数日后再行出海，其附着的贝类和海草的大部分因死亡而脱落。8. 船体摩擦阻力计算的步骤。1.计算船的湿表面积 2.计算雷诺数 3.根据光滑平板摩擦阻力公式算出或相应的表中查出摩擦阻力系数Cf 4.决定粗糙度补贴系数Cf =0

9、.0004 5.算出船的摩擦阻力9. 减少船体摩擦阻力的有效、实用方法。1.减小湿面积 2.减小表面粗糙度 3.边界层控制4.喷注降阻剂 5.气膜减阻 6.采用高性能船10. 粘压阻力的成因、基本特性，及船体粘压阻力的处理方法。粘压阻力的成因：在实际流体中，由于粘性而形成边界层，水质点由于动能的消耗而产生压力差，出现边界层分离的现象，界层分离后产生的旋涡造成了船首尾压差，便产生了粘压阻力。粘压阻力特性：1.船的后体收缩，沿曲面的流速变化较缓慢，粘压阻力减小。2.采用船首底升高的球鼻首，首部舭侧水流明显趋于水平方向流动，能明显改善阻力性能。3.层流的粘压阻力较紊流的情况大。粘压阻力的处理方法：一

10、种是将粘压阻力归并入兴波阻力而统称为剩余阻力，另一种是将粘压阻力以形状因子的形式与摩擦阻力联系在一起而统称为粘性阻力。11. 船舶设计时从降低船体粘压阻力出发，应该注意哪些方面？1.应注意船的后体形 2.应避免船体曲率变化过大 3.前体线型应予适当注意第三章 兴波阻力1. 深水平面进行波的波形、波长、周期、波速、波能、波能传播速度，及其相互关系。2. 船行波的成因，船型波的主要特性，凯尔文角。船行波的成因：水流流经弯曲的船体时，沿船体表面的压力分布不一样，导致船体周围的水面升高或降低，在重力和惯性的作用下，在船后形成实际的船波。船行波的特性：1.凯尔文角：横波和散波相交处成尖角，各尖角与原点的

11、连线称为尖点线，它与运动方向的夹角为1928，该角称为凯尔文角。3. 兴波干扰，兴波长度mL，船舶兴波干扰的结果。兴波干扰：由于实际船体兴波存在船首波系和船尾波系，且两波系种的横波在船尾处相遇而叠加，这种现象称为兴波干扰。兴波长度：船首横波的第一个波峰和船尾横波第一个波峰之间的距离称为兴波长度。4. 船体兴波阻力的主要特性。随船速增加，兴波阻力将很快增加，同时对低速船而言，兴波阻力在总阻力中所占比例很小，而对高速船来说，兴波阻力将占很大的比例。5. 影响兴波阻力的主要船型参数。1.船体首部形状对兴波阻力的影响最为突出 2.相同Fr时丰满船的Cw较大3.兴波长度与波长之比对兴波阻力也有影响 4.

12、兴波干扰主要与L和Cp有关6. *用p理论、傅汝德数预测波阻的峰、谷点。7. 用船模试验确定船体兴波阻力的二因次法、三因次法。二因次法Cr =Ctm-Cfm ,通过模型试验确定剩余阻力系数Cr来确定、分析兴波阻力。 三因次法Cw =Ctm-(1+k)Cfm , 通过模型试验确定兴波阻力系数来确定、分析兴波阻力。8. 减小常规船兴波阻力的方法，减小兴波阻力的船舶设计新概念。减小常规船兴波阻力的方法：1.选择合理的船型系数 2.设计良好的首尾 3.造成有利的波系干扰 4.高速排水型艇安装消波水翼应用不同设计概念减小兴波阻力：1.双体和多体船设计概念 2.是船体抬出水面设计概念3.船体下潜设计概念

13、4.复合设计概念9. 破波阻力的成因，破波阻力的特性。破冰阻力的成因：破冰阻力的出现时船体周围及其复杂的波浪运动的结果。破冰阻力的特性：1.对于航速较高的丰满船型，破冰阻力是一种不容忽视的阻力成分 2.破冰阻力来源于船首非线性兴波的破碎 3.对于几何相似的丰满船型，破冰阻力随Fr的增大而增加 4.对于同一丰满船，在同样航速时，压载情况的吃水小，吃水傅汝德数大，破冰阻力比满载时高 5.系统的试验表明：破冰阻力与船型参数，主要是宽度吃水比、进流段长度、球首伸出长度有关。第四章 附加阻力1. 船舶附体，附体阻力，确定附体阻力的实用方法，逐一去除法，附体阻力系数的确定。船舶附体：安装在船体外面的舵、舭

14、龙骨、轴包架、轴和支轴架等附体。附体阻力：由于水对船舶附体作用而增加的那一部分阻力称为附体阻力。确定附体阻力的方法：1.应用已有资料或经验公式进行估算，2.通过模型试验确定附体阻力。第5/9页 逐一去除法：加装全部附体后，在试验过程中，从后往前依次去掉附体。附体阻力系数的确定：实船的附体系数等于模型的附体系数，即Kaps=Kapm.2. 从减小附体阻力出发，附体设计时应注意的原则。1.附体应沿船体流线方向设置，其目的是减小由附体所产生的旋涡，从而减小粘压阻力。2.尽可能采用湿面积较小的附体，其目的在于减小附体所引起的摩擦阻力。3.一般附体沿水流方向应采用流线型对称剖面，这样对减小附体阻力有显著

15、的作用。3. 船舶航行中的空气阻力，空气阻力系数确定，船舶设计中减小空气阻力的措施 。船舶航行中的空气阻力：船舶在航行中，其船体水线以上部分和上层建筑将受到空气的阻力，包括摩擦阻力和粘压阻力两部分。船舶设计中减小空气阻力的措施：上层建筑尽可能低而长，尽可能减小水上部分在横舯剖面上的投影面积，以减小迎风面积；上层建筑前端应设计成流线型，后端可做成阶梯型。4. 波浪中阻力增值，影响波浪增阻的因素。波浪中阻力增值：船舶在风浪中航行时的阻力将较静水时为大，所增加的阻力称为波浪中的阻力增值。影响波浪增阻的因素：1.从波浪情况看，同一船舶遭遇的波浪越大，船体运动愈剧烈，阻力愈大；波浪中的阻力增值主要取决于

16、船舶的纵摇和升沉运动的强烈程度以及与波浪的相位关系；路易斯的研究指出，所遇波浪的波长等于或大于船长时所产生的运动将大为加剧，波浪中的阻力增值亦将显著增大。2.从船型来看，船模在波浪上的试验和实船试验结果，在静水中阻力较低的船在波浪中的阻力增值也相对较低。5. 船舶储备功率选择原则。储备功率的多少应视船长、船型、航道和船的业务性质而异，通常根据船长和方形系数相近的同型船舶在同样条件下航行的经验加以确定，一般取Kaw=1530,或者由耐波性试验求得，但储备功率不宜过大，否则在良好气候中，其结果很不经济；而在恶劣气候下，为防止发生危险事故，机器功率必须减低，也不能发挥储备功率的作用。第五章 船模阻力

17、试验1. 进行船模阻力试验的目的，试验时应满足动力相似的要求。船模阻力试验的目的：研究船模在水中等速直线运动时所受到的作用力及其航行状态，包第6/9页 括1.船型研究 2.确定设计船舶的阻力性能 3.预报实船性能 4.系列船模试验 5.研究各种阻力成分试验 6.附体阻力试验 7.流线试验 8.航行状态的研究试验时应满足重力相似条件。2. 拖拽水池的主要任务和主要性能指标。拖曳水池的主要任务是进行船舶模型的拖曳、螺旋桨性能、自航及耐波性等试验。 拖曳水池的主要性能指标是船模的大小和速度。3. 进行船模阻力试验前应做的准备工作。首先按一定要求制作试验用的船模，然后安装人工激流装置，进行称重，通过调

18、整压载重量的位置使船模没有横倾，首尾吃水满足规定的要求，最后将船模安装到拖车上。4. 进行船模阻力试验需要测量的数据，怎样测量这些数据。1.船模速度记录。待拖车速度达到稳定匀速时，即可由机械式测速轮得到距离记录与时间记录来计算船模速度，船模速度就是拖车速度。2.船模阻力的测量。可由专门的阻力仪测得船模阻力。3.船模纵倾角和重心升沉的测量。可以用纵倾仪或专门用来测量船模运动的仪器来测量船模在等速直线运动时的纵倾角和升沉。4.浸湿面积和湿长度的确定。通过摄影、摄像或其他方法得到艇体与水的接触部位，进而确定浸湿面积和湿长度。5. 用傅汝德方法将船模试验结果换算成实船阻力的步骤。对船模：Vm(m/s)

19、 Rtm Ctm Rem Cfm Crm Fr对实船: Vs(m/s) Vs(kn) Res Cfs Cf =0.0004 Cts=Cfs+Crm+Cf Rts Pe 实船的根据Frm=Frs求得第六章 船型对阻力的影响1. 讨论船型对阻力影响时，根据航速对船型分类，各类船型的阻力特性。2. 选取排水量长度系数的原则。3. 选择B/T的原则。4. 纵向菱形系数Cp、方形系数Cb对船舶阻力的影响。5. 船体横剖面面积曲线形状对船舶阻力的影响？6. 船体满载水线形状对船舶阻力的影响？第7/9页 7. 船体首尾端形状对船舶阻力的影响，球鼻首的减阻原理。8. 方尾、球鼻形船尾、双尾和双尾鳍、涡尾及不对

20、称尾、隧道型船尾的船型特点及其阻力特性。第七章 阻力的近似估算方法1. 研究船舶阻力近似估算方法的意义，使用阻力近似估算方法的注意事项。2. *用泰勒图谱估算船舶阻力的步骤。3. *用陶德阻力回归公式估算船舶阻力的步骤。4. *用爱尔法计算阻力的步骤。5. 海军系数，用海军系数估算船舶阻力。第八章 船在限制航道中的阻力1. 回流速度，浅水阻塞效应，浅水对流场、航态、粘性阻力的影响。回流速度：当流体流经船体时，由于船体曲率的影响，除首尾两端外，船体周围水的流速将比来流速度有所增大，由于其平均增量与船速方向相反，所以称为回流速度。浅水阻塞效应：由于浅水对流场影响使回流速度增大的现象称为浅水阻塞效应

21、。浅水会引起船体周围流体发生变化，船底流速增加，从而使粘压阻力增加，导致吃水增加，甚至产生尾倾现象。3. 船在狭水道中运动的特点。亚临界速度区域：因为狭水道的回流速度较浅水情况大，所以摩擦阻力有较大的增加，同时沿船体纵向压降较大，可能引起边界层分离，且使兴波的波幅较浅水情况要大。临界速度区域：当航速超过第一临界速度后，船体阻力的增大情况变得较为缓慢，直至达到第二临界速度值，此时阻力达到最大值，由于流态不稳定，船的浮态亦很不稳定。超临界区域：此时摩擦阻力较深水情况为小，且骤然下降，由于水与船体相对速度减小，所以水面升高，船体正浮，纵倾角也较临界速度区减小。4. 许立汀中间速度。许立汀中间速度：由于相同波长的波浪在浅水中的波速较深水中要减小c，所以假定船在第8/9页 深水中以速度V航行时的兴波阻力与在浅水中航速为Vi= V-c航行时的兴波阻力相等。这里的称为中间速度。5. 阿普赫金法求浅水阻力的步骤。