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裸船体阻力成分分析-舰艇静力学与快速性

时间:2023-09-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:船体的水阻力根据形成原因的不同,可以分为摩擦阻力、黏压阻力和兴波阻力三种类型。船体摩擦阻力来自于水的黏性。阻力Rt表达式中的第一项积分反映的是水流对船体表面摩擦切应力导致的阻力,即摩擦阻力Rf;第二项积分反映的是水流对船体表面法向压力导致的阻力,即压差阻力Rp。可见:图7-14阻力微表面积分示意图裸船体阻力的划分如图7-15所示。图7-15裸船体阻力的划分

裸船体阻力成分分析-舰艇静力学与快速性

舰艇在海洋上航行会对周围流体介质产生扰动,比如对空气与海水界面产生扰动,造成了兴波现象;由于黏性的作用,船体运动时会带动船体表面的一薄层水运动,形成黏性边界层;在运动船体的艉部区域还会出现旋涡与艉流等。这些现象都会导致阻力。船体运动时的水阻力是水对船体浸湿表面的力作用的结果。船体的水阻力根据形成原因的不同,可以分为摩擦阻力、黏压阻力和兴波阻力三种类型。

(1)摩擦阻力。船体摩擦阻力来自于水的黏性。由于水是有黏性的,所以当船体与水发生相对运动时,会受到水的迟滞力作用,这种迟滞力在微观上体现为水流微团对船体表面的切应力。将该切应力在船体运动方向上投影并沿整个船体浸湿表面积分,就得到了船体总的摩擦阻力。摩擦阻力一般用符号Rf表示。

(2)黏压阻力。黏压阻力也称形状阻力,形成的根本原因也是水的黏性。水的黏性导致船体表面受到的切向力最终合成为船体的摩擦阻力;同样,由于水的黏性,船体在运动时艉部流动受到影响,导致船体表面受到的法向力(也就是压力)艏、艉不能平衡。将该法向力在船体运动方向上投影,并沿整个船体浸湿表面积分,就得到了船体总的黏压阻力。黏压阻力一般用符号Rpv表示。

(3)兴波阻力。舰艇在水面航行时,将对水表面造成扰动,这种扰动在重力和惯性力的作用下将形成兴波现象。从能量的角度来讲,兴波的波能会消耗船前进的能量;从受力的角度来讲,船体周围兴波会改变船体周围的压力场,这种压力场变化导致的裸船体阻力称为兴波阻力。兴波阻力一般用符号Rw表示。

若从形成原因上看,摩擦阻力Rf和黏压阻力Rpv都是由水的黏性引起的,可以合称为黏性阻力,用符号Rv表示,即有

若从作用方式上看,摩擦阻力Rf是沿船体表面的切向力在运动方向上投影的积分,黏压阻力和兴波阻力是垂直于船体表面的法向力(即压力)在运动方向上投影的积分,体现的是船体前后的压力差,所以黏压阻力和兴波阻力可以合称为压差阻力,用符号Rp表示,即有

如图7-14所示,水流顺船体表面经过微面积dS时,水对该微面积的摩擦切应力为τ,法线方向压强为p,由于船体左右对称,所以直航运动时,水流摩擦切应力τ和法线方向压强p沿整个船体浸湿表面积分不会形成沿船体横向的力,而只有在船体中线面内的力,这个力可以分解成垂直于舰艇航行方向(即垂直于水平面)的抬升力P和沿舰艇航行方向的阻力Rt。Rt积分表达式为

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式中 S——整个船体浸湿表面面积(简称湿表面积)。

阻力Rt表达式中的第一项积分反映的是水流对船体表面摩擦切应力导致的阻力,即摩擦阻力Rf;第二项积分反映的是水流对船体表面法向压力导致的阻力,即压差阻力Rp。可见:

图7-14 阻力微表面积分示意图

裸船体阻力的划分如图7-15所示。

图7-15 裸船体阻力的划分

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