Теория судна. Лекция 3. Сопротивление воды движению судна

1.

ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова
Теория судна
лекция 3
Сопротивление воды движению
судна
Кафедра МиУС
К.т.н., доц. Коротков Б.П.
1

2. Учебные вопросы:

1. Основные понятия и определения
ходкости судна
2. Составляющие сопротивления воды
движению судна
2

3.

1. Основные понятия и определения
ходкости судна
3

4.

• Ходкость - это способность судна
развивать с помощью движителя
заданную скорость при минимальной
затрате мощности главных двигателей
• Движитель судна (винт, водомет,
крыльчатый движитель, парус и т.д.) –
это устройство, преобразующее работу
Главной Энергетической Установки
(ГЭУ) судна или внешнего источника в
полезную тягу
4

5. Потоки расходования энергии, генерируемой судовыми машинами

ГЭУ
Ne
Nw
Механические потери:
редуктор, валопровод,
подшипники
(2-4%)
Np
Полезный выход
для обеспечения
движения судна
Потери на
преобразование
энергии ГЭУ в тягу
(до 30-40%)
5

6. Обозначения

ГЭУ
Ne
Nw
Np
до 30-40%
• Ne - Мощность ГЭУ (судовых машин)
• Nw - Суммарная валовая мощность, подаваемая
на гребной вал
• Np - Буксировочная мощность – полезный выход6
2-4%

7. Связь валовой и буксировочной мощности

в, ред – кпд валопровода и редуктора (1-2%)
– пропульсивный коэффициент,
характеризующий эффективность
системы движитель-корпус судна
7

8. При скорости хода судна V вода оказывает сопротивление R

• При постоянной скорости винты должны
развивать тягу Pe = - R
• Буксировочная мощность: Np = R V
• Для обеспечения движения судна со
скоростью V потребна мощность ГЭУ :
8

9. Определение потребной мощности судовых машин

1. Определяется сопротивление воды R при
номинальной скорости хода судна Vn
2. Потребная тяга винтов Pe =R
3. Подбираются винты, обеспечивающие тягу
Pe при наименьших потерях (наибольшем
пропульсивном коэффициенте )
4. Потребная мощность судовой установки
Pe V
Ne
в ред
9

10.

2. Составляющие сопротивления
воды движению судна
10

11. Воздушное сопротивление

• Воздушное сопротивление,
составляющее у водоизмещающих
судов не более 1-2% полного
сопротивления в расчетах ходкости не
учитывается
• Воздушное сопротивление учитывается
в расчетах ходкости СПК, СВП,
экранопланов, глиссирующих судов
11

12. Уильям Фруд 1810-1879

Английский инженер,
основоположник корабельной
гидродинамики.
Разработал метод определения
сопротивления воды движению
судна по результатам
испытаний моделей.
Создатель первого
в мире опытового бассейна.
Ввел число Фруда в 1870 году
12

13. Модели канонерок «Сван» и «Равен», испытанные Фрудом в бассейне

13

14. Разделение сопротивления на составляющие по Фруду

• Сопротивление воды движению судна
разделяют на вязкостную и невязкую
составляющие, определяемые
независимо друг от друга
• Различные части сопротивления
определяют как теоретическими
расчетами, так и по результатам
модельных испытаний
14

15. Вязкостное и волновое сопротивление

R = Rвязк + Rв
• Rвязк - вязкостное сопротивление
• Rв – невязкая составляющая
сопротивления
• Rв – называют волновым
сопротивлением
• Rв связано с волнообразованием от
движущегося судна
15

16. Условия моделирования сил

• Условие подобия вязкостного сопротивления
– равенство чисел Рейнольдса:
Reм = Reн
• Для моделирования этих сил требуются
слишком большие скорости буксировки
• Условие подобия волнового сопротивления
– равенство чисел Фруда:
Frм = Frн
• Волновое сопротивление без проблем
моделируется в опытовых бассейнах
16

17. Осборн Рейнольдс 1842-1912

Английский инженер и физик,
работал в области механики,
гидродинамики и др.
В 1883 установил
критерий динамического
подобия –
«число Рейнольдса»
17

18. Вязкостное сопротивление также разделяют на составляющие:

Rвязк= Rт + Rф + Rв.ч
- Rт – сопротивление трения
- Rф – сопротивление формы
- Rв.ч – сопротивление выступающих
частей
18

19. Природа сопротивления трения

Область невозмущенной воды
Пограничный слой
Эпюры скоростей частиц воды
V
19

20. Сопротивление трения разделяют на составляющие:

Rт = Rгк +Rшер
- Rгк - сопротивление голого (технически
гладкого) корпуса, зависит от скорости и
площади смоченной поверхности судна
- Rшер - сопротивление шероховатости,
зависит от состояния поверхности
корпуса и скорости судна
20

21.

R = Rвязк + Rв
Rвязк= Rтр + Rф + Rв.ч
Rтр = Rгк + Rшер
21

22. По гипотезе Фруда Rгк = Rтп при соблюдении ряда условий

Rтп - сопротивление технически гладкой
прямоугольной пластины.
Vгк
Vтп
гк
тп
Lгк
Lтп
гк = тп
Lгк = Lтп
Vгк = Vтп
22

23. Сопротивление голого корпуса

ρV
R ГК =c ГК
Ω
2
2
• Формула Прандтля - Шлихтинга:
0,455
cГК
2,58
lg Re
23

24. Сопротивление шероховатости составляет до 10% от сопротивления трения

ρV
R шер =cшер
Ω
2
2
сшер– зависит от состояния смоченной
поверхности
корпуса
Сопротивление шероховатости
увеличивается по мере роста срока
эксплуатации судна
24

25. Сопротивление выступающих частей составляет до 1,5 – 2% полного сопротивления

• Выступающие части – кронштейны
гребных валов, рули, скуловые кили и
др.
2
ρV
R вч =cвч
Ω
2
свч зависит от количества, размеров и
формы выступающих частей
25

26. Сопротивление формы Rф

• Сопротивление формы - следствие
ускорения частиц воды в пограничном
слое
• Увеличение скорости приводит к
понижению давления особенно
заметному в кормовой части судна
• Это снижение давления формирует
некоторое увеличение сопротивления
26

27. Сопротивление формы Rф

p
p p0
p
2
v
2
p
v
Распределение гидродинамического давления
по корпусу движущегося судна
27

28. Определение вязкостных составляющих сопротивления

• Коэффициент сопротивления шероховатости
назначается на основе накопленного опыта.
Обычно сшер = (0,1-0,5)10 -3
• Сопротивление выступающих частей также
определяют на основе опыта проектирования
• Воздушное сопротивление при
необходимости определяют продувками
сдвоенной модели надводной части судна в
аэродинамических трубах
28

29. Волновое сопротивление

29

30.

Расходящиеся
волны
(носовые)
Расходящиеся
волны
(кормовые)
2
Поперечные
волны
(кормовые)
= 18 20 ;
v
Поперечные
волны
(носовые)
2 = 36 40
30

31. Описание волнообразования

• Носовая группа судовых волн
начинается вершиной, зарождается
позади форштевня
• Кормовая группа начинается впадиной
перед ахтерштевнем
31

32. Описание волнообразования

• Кормовая группа волн обычно
выражена слабее, чем носовая
• С ростом скорости поперечные волны
становятся интенсивнее
• Уменьшение глубины фарватера и
ограничение фарватера по ширине
существенно изменяют картину
волонообразования
32

33. Волнообразование движущимся судном

Гребни поперечных волн
Гребни расходящихся волн
33

34. Распространение судовых волн

34

35. Волновое сопротивление

ρV
R в =cв
Ω
2
2
- св – коэффициент волнового сопротивления
• св зависит от числа Фруда св = f(Fr)
35

36. Зависимость волнового сопротивления от скорости

• С ростом скорости линейные размеры волн
возрастают пропорционально квадрату
скорости судна
• До чисел Фруда Fr=0,15 волновое
сопротивление отсутствует
• У судов с полными обводами волновое
сопротивление проявляется при Fr=0,15 0,17
• У судов с острыми обводами волновое
сопротивление проявляется при Fr=0,20 0,25
36

37. Интерференция – это взаимодействие систем волн

• При различных скоростях возможна
благоприятная или неблагоприятная
интерференция носовых и кормовых
поперечных волн
• Неблагоприятная интерференция:
Fr = 0,22; 0,25; 0,30 и 0,50
• Общее влияние интерференции волн
на полное сопротивление относительно
невелико
37

38. Коэффициент волнового сопротивления

св
5
4
3
2
0
0,1
0,2 0,3
0,22 0,25
0,4
0,5
Fr
38

39. Наибольшее волновое сопротивление соответствует Fr=0,5

• При скорости судна, соответствующей
Fr=0,5 волновое сопротивление
примерно пропорционально квадрату
скорости хода судна
• При скорости судна, соответствующей
Fr > 0,5 волновое сопротивление
уменьшается вплоть до полного
исчезновения.
39

40.

Доля составляющей, в %
Составляющая
сопротивления
Танкеры,
балкеры
Fr=0,15 0,18
Пассажирские,
контейнер.
Fr>0,27
Сопротивление
трения
70%
70%
Сопротивление
формы
20-25%
6-10%
Волновое
сопротивление
5-7%
18-24%
40

41. Задание на самостоятельную работу

• Теория и устройство судна. 2018
• Стр. 262-273
41