船舶阻力第3章兴波阻力.ppt

1,船舶阻力第三章 兴波阻力,船舶在水面上运动时会扰动周围的水从而使船体周围的流体压力分布发生变化，兴起波浪。这种由于船体兴波导致的船体前后压力分布不对称而产生的船舶运动方向上的压差力称为兴波阻力。,1、兴波阻力的概念,从能量的观点，因兴波要消耗能量，船体要对水做功，根据力作用力与反作用力原理，水对船体的反作用力的水平分量就是兴波阻力。,2,2、注意：这里所说的兴波和兴波阻力是指船舶在静止水面上运动时，由于自身运动而产生的兴波及兴波阻力，不包括外界如过往的船只、阵风等作用在水面上兴起的波而产生的阻力。,3、研究兴波阻力的重要性,兴波阻力在船舶阻力中占有重要位置。通常兴波越大，兴波阻力就越大，同时兴波对堤坝等结构物和过往船只等产生冲击作用。兴波阻力随航速的增高而增大，对于高速船，兴波阻力占总阻力的一半左右。,3,3-1 船舶兴波及特性,一、船舶兴起波浪的分类,1、船行波：在船舶行驶过后，留在船体后方并不断向外传播的波浪。由船行波而产生的阻力称为波型阻力，它是兴波阻力的主要部分。,2、破波：被船体兴起后很快就破碎的波浪。破波主要发生在肥大船型上。破波产生的阻力称为破波阻力，在兴波阻力中占有的比重较小，因此习惯上若无特别说明，兴波阻力不包括破波阻力。,4,二、船行波的特征,5,1、整个船行波分为首尾两大波系：船首横波和船首散波；船尾横波和船尾散波。,2、整个船波系基本上集中在凯尔文角所限定的扇形面范围内。,3、整个船波系各散波之间及散波与横波之间互不干扰。,4、船首尾波两横波在船尾部分互相混合，组成合成横波，因此通常在船尾及其后方所观察到的已是两横波干扰后的合成波。,6,3-2 船舶兴波阻力特性,一、兴波阻力与波浪参数的关系,当船舶航行时，整个船波随船体一起前进，所以船波的传播速度与船速相等。根据能量守恒，船体所供给的波浪能量等于兴波阻力所做的功，依据波浪理论有：,关系：兴波阻力与波高平方和波宽成正比关系。当船舶航行的兴波波高增大时，兴波阻力必然急剧增大。,7,二、船体兴波阻力表达式,船舶兴波阻力必须计及三方面产生的波浪阻力,1、船首横波中未受干扰部分的波阻。,2、船首尾横波干扰后合成波的波阻。,3、船首尾波系中散波的波阻。,8,二、船体兴波阻力表达式,9,兴波阻力近似表达式：,兴波阻力系数近似表达式：,上式中A、B、C、D为常数，S为船体湿表面积,10,三、兴波阻力的特性,由上式可知：随船速增加，兴波阻力将急剧增大；同时也说明对低速船而言，兴波阻力在总阻力中所占比例很小，而对高速船而言，兴波阻力在总阻力中所占比例很大。,1、兴波阻力的一般规律,11,2、兴波阻力的曲线的形状,12,3、不同船型的兴波阻力差异,13,3-3 兴波阻力与船型的关系,1、兴波阻力与波高关系密切，而波浪的波高受船体形状的影响，特别是首部形状的影响尤为突出。,2、在相同傅汝德数时，丰满船型的兴波阻力系数比瘦削船型的兴波阻力系数大。,14,3、兴波干扰主要和船长和菱形系数有关。,兴波干扰：船行波的首尾横波在船后发生相互干扰。若它们是反相的，则两者相互抵消，兴波阻力也较少，这种干扰称为有利干扰；反之，若两者相位相同，则船后波浪变大，兴波阻力增加，这种干扰称为不利干扰。,15,3-4 确定兴波阻力的方法,一、船模试验法,原理：,方法一：依据傅汝德法，即二因次法的关系式 。通过模型试验确定剩余阻力系数来确定分析兴波阻力。,16,方法二：依三因次法 通过模型试验确定兴波阻力系数来研究分析兴波阻力。可比二因次法更正确的反映兴波阻力的特性。,采用方法一的主要原因： 1、船模试验很难将兴波阻力与粘压阻力分开，而且粘压阻力系数基本上不随船速变化。 2、将兴波阻力从剩余阻力中分出来的意义不大,17,二、兴波阻力理论计算概况,（一）、阻力主要是由兴波引起的，而兴波又主要是由重力作用引起的，粘性在其中的作用较笑，所以兴波阻力理论中大部分基于势流理论。,线性理论：薄船、细长船和扁船理论等。,1、薄船理论：将自由表面边界条件简化为在静水面上满足，船体表面上分布奇点简化为在船体纵中剖面上满足，这种理论称为薄船理论，以Michell积分为代表。,18,2、细长船理论：若引入船舶宽长比及吃水长度比均为小值，自由液面边界条件简化为在水平面上满足，船体表面奇点简化在船体中纵轴分布 ，相应的兴波阻力理论称为细长船理论，以Noblesse细长船理论为代表。,3、扁船理论：若引入船舶吃水宽度比和吃水长度比均为小值，自由液面边界条件简化为在水平面上满足，船体表面分布奇点简化在船体设计水线面上满足 ，相应的兴波阻力理论称为扁船理论。该理论适合于浅吃水的扁船。,19,说明一：势流理论研究中，由于忽略了粘性的影响，导致有些势流理论方法的计算结果普遍出现兴波阻力系数曲线的峰谷夸张等现象。有研究者解释，是因为势流理论夸大了波的干扰现象。为了弥补势流理论的不足，研究者们探讨了粘性对兴波阻力的影响。,说明二：由于现有的粘流理论、数值计算方法等的不完善以及计算机硬件和软件的限制，目前自由表面形状模拟结果不如势流理论。同时粘流所用的的时间远比势流理论多的多，目前粘流模拟还没有达到较为成熟的工程适用阶段,20,（二）、薄船理论,1）船宽长比很小，船体为薄船； 2）水是不可压缩、均质及无粘性的理想流体，流动无旋； 3）船体兴波为微幅波； 4）忽略船体下沉、纵倾对兴波阻力的影响。,1、假设,21,2、计算坐标系,流场中速度势：,22,3、扰动速度势满足的基本方程,4、扰动速度势满足的边界条件,23,24,理论上，通过求解拉普拉斯方程，并满足上述边界条件就可求出速度势，进而求出兴波阻力。但是船体形状比较复杂，对实用船型无法得到速度势的解析解。,25,5、兴波阻力公式,公式表示了兴波阻力与船型函数及航速之间的关系。影响兴波阻力主要是水线的纵向梯度。,26,6、说明：对实用船而言，理论计算结果与试验结果有很大偏差。但是，理论计算结果与试验结果定性上是一致的，在一定的条件下，只要运用得当，按线性理论得到的优良船型，在实际应用上相对也是优良船型。,27,3-5 减小兴波阻力的方法,一、减小常规船兴波阻力的方法,1、选择合理的船型参数 （船长、菱形系数、进流段长度等）,2、设计优良的首尾形状,28,29,3、造成有利的波型干扰,30,4、高速排水