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黏压阻力特性:舰艇静力学与快速性

时间:2023-09-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:物体的长宽比对其黏压阻力也有明显的影响。图8-15扁柱体长宽比变化对阻力的影响需要注意的是,图中的总阻力系数摩擦阻力系数黏压阻力系数这三种阻力系数都是根据扁柱体横剖面的宽度进行无因次化的。对于水下航行的潜艇,主艇体的阻力主要是摩擦阻力和黏压阻力。“大青花鱼”试验潜艇的主尺度为62.2 m×8.2 m×5.6 m。

黏压阻力特性:舰艇静力学与快速性

通过对黏压阻力成因的分析可以看出,水流流至物体后部的流动分离对黏压阻力有关键的影响;如果流动分离很早出现,则黏压阻力较大;如果流动分离推迟出现甚至不出现,则黏压阻力可以大幅度降低。

图8-13给出了尺寸大小不同、形状特征不同的六种水下航行体,这六种水下航行体在水流中以同一速度从右向左运动(或者水流以同一速度从左向右流经物体)时,水流作用在物体上的总阻力是相等的。

图8-13 流体中六种等阻力的水下航行体外形(从右向左运动)

由于此时水下航行体的总阻力是摩擦阻力和黏压阻力之和,而在水流速度相同时,物体的摩擦阻力主要取决于湿表面积,所以图中物体尺度越小,其所受黏压阻力反而越大。进一步分析可以发现,物体前部迎流段和后部去流段外形尖瘦对减小黏压阻力有利,并且后部形状对黏压阻力的影响大于前部形状对黏压阻力的影响。

物体的长宽比对其黏压阻力也有明显的影响。图8-14给出了七种对称扁柱体的横剖面形状特征,表8-1给出了其横剖面长度L值和L/B值。

图8-14 七种对称扁柱体的横剖面形状特征

表8-1 七种对称扁柱体的横剖面长度L值和L/B值

这七种不同横剖面形状特征的对称扁柱体在水流中阻力的试验结果如图8-15所示,该图反映了扁柱体长宽比的变化对其总阻力、摩擦阻力和剩余阻力的影响规律。

图8-15 扁柱体长宽比变化对阻力的影响

需要注意的是,图中的总阻力系数(www.xing528.com)

摩擦阻力系数

黏压阻力系数

这三种阻力系数都是根据扁柱体横剖面的宽度进行无因次化的。在宽度尺寸相同的情况下,这里总阻力系数、摩擦阻力系数、黏压阻力系数的变化反映的其实是扁柱体的总阻力、摩擦阻力和黏压阻力的变化规律。

可见:随着扁柱体长宽比的增大,扁柱体的摩擦阻力将持续增大(因为在宽度B相同时,L/B增大则长度L增大,湿表面积增大,所以摩擦阻力持续增大);扁柱体的黏压阻力持续减小(因为L/B越大,扁柱体横剖面越瘦长);而扁柱体的总阻力是先减小后增大,大概在L/B=3.85时达到最低值。当然,这是对二维物体在水流中运动(雷诺数Re=4×105)情况的分析结果。而实际的航行体都是三维的,并且舰艇作为海上机动作战平台,必须首先要具备足够的作战装备、机械设备、人员、油、水等的容纳能力以满足使命任务要求,然后在此基础上追求良好的平台运动性能并在一定程度上进行调节,并不是要单纯设计一个阻力最小的船型。若其实际装载和容纳能力很差,就不能称之为合格的作战平台。

水面舰艇的船长L、船宽B、设计吃水T之间的比例关系表1-2已给出。

对于水下航行的潜艇,主艇体的阻力主要是摩擦阻力和黏压阻力。第二次世界大战后,美国为了降低潜艇水下高航速航行阻力,开展了大规模的潜艇主艇体低阻力线型试验研究,建造27条潜艇模型,在大卫·泰勒水池进行了一系列的阻力拖曳测量试验。基于对大量试验数据的分析,最终确定了水下高速航行潜艇的最佳主艇体线型——水滴型。为了针对研究结果进行实艇验证,美国在20世纪50年代建造了“大青花鱼”号试验潜艇。“大青花鱼”试验潜艇的主尺度为62.2 m×8.2 m×5.6 m。根据水池试验结果,为了降低水下航行阻力,艇体长宽比不宜较大,取为7.6,同时不宜采用平行中体,艇体的所有横剖面尽量接近圆形。“大青花鱼”号潜艇水池试验模型的外形和实艇照片分别如图8-16、图8-17所示。

图8-16 “大青花鱼”号潜艇水池试验模型

图8-17 “大青花鱼”号潜艇实艇

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