船舶阻力第三章

1、3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 一、平面行进波的特征一、平面行进波的特征 复杂的波系可视为由复杂的波系可视为由 无数简单的平面行进波无数简单的平面行进波 （或基元波）叠加而成（或基元波）叠加而成 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 cos()Akxt 1 1、波形、波形 波形方程：波形方程： 2、波幅与波高波幅与波高 波幅：波幅：A A 波高：波高：H=2A 水质点以水质点以 作轨圆运动作轨圆运动 kz rAe 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 3、波长、波长 =2/k k波数波数 4、波浪周期波浪周期 前进一个波长距离所需的时间前进一个波长距离所需的时间

2、T T= =2/ / 自由表面：自由表面：Z Z=0=0，r r = =A A 自由表面以下为自由表面以下为次波面次波面，波幅随水深迅速衰减，波幅随水深迅速衰减 当水深为一个波长时当水深为一个波长时 2 1 535 k rAeAeA 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 10 vCr /CT 20 vCr 5、波速、波速C 波峰：波峰： 波谷：波谷： 22 001002 / 2/ 2rprvgrprvg 22 210 4vvgr /Cg2 /T / 2CgT 在波峰和波谷处列出在波峰和波谷处列出 柏努利方程柏努利方程 同时有同时有 /Cg2 /T / 2CgT 3-1 船行波的形成与特

3、征船行波的形成与特征 波长越大，周期越大，速度越快；波长越大，周期越大，速度越快； 波速越快，周期越大，则波长越大波速越快，周期越大，则波长越大 / 21.25Cg 波速可表达为：波速可表达为： 2/20.8Tg 波浪周期：波浪周期： 船行波船行波: : C=Vs, VsC=Vs, Vs大大 波长越长。波长越长。 波长与船速成平方关系波长与船速成平方关系 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 cossinpxy 2 ( )/( cos )kgv 为为 方向的位置做座标方向的位置做座标 C()C()余弦波波幅函数余弦波波幅函数 S()S()正弦波波幅函数正弦波波幅函数 k()k()基元波

4、波数基元波波数 6、波能波能 单位自由表面波能单位自由表面波能 0kp EEE 2 1 4 kp EEgA 22 0 11 28 EgAgH 2 1 2 b EgA b对波长对波长 ，波宽，波宽b b的波的波能为的波的波能为 波能与水深无关波能与水深无关 ( )( )cos( )( )sin( )aCkpSkp 7、船行自由波船行自由波 基元波基元波 - -传播方向传播方向 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 22 0 ( )/( cos )seckgvK 2 0 /Kg v 沿沿x x方向传播的方向传播的, ,波速等于船速的波数波速等于船速的波数- -基本波数基本波数 /2 2 0

5、 /2 2 0 ( , )( )cossec( cossin ) ( )sinsec( cossin )d x yCKxy SKxy 将不同传播方向上的基元波叠加之船行自由波表达式将不同传播方向上的基元波叠加之船行自由波表达式: : )sincos(sec )( 2 0 yxK pk 式中式中: : 称为相位函数称为相位函数 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 二、船行波的形成二、船行波的形成 (a)实际形成的船波实际形成的船波 (b)深水压力分布深水压力分布 (c)船形物体速度分布船形物体速度分布 (d)船形物体周围流动情况船形物体周围流动情况 22 00 22 A A ppvv

6、Z gggg 驻点流速驻点流速 A A点波面升高点波面升高 B B点波面升高点波面升高 C C点波面升高点波面升高 =0 A v 2 0 2 A v Z g 22 0 2 B B vv Z g 2 0 2 C v Z g 船行波的实际情况船行波的实际情况 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 2、惯性作用下最高水位滞后，、惯性作用下最高水位滞后，首波峰首波峰在在艏柱稍后艏柱稍后， 尾波峰尾波峰位于位于艉柱之后艉柱之后，艉柱前总为一波谷艉柱前总为一波谷； 3、水质点受扰动后，震荡，形成波浪（重力、水质点受扰动后，震荡，形成波浪（重力+惯性惯性 力）力） 。 1、实际水面抬高小于、实际水面

7、抬高小于 (A和和 C 并非真正驻点并非真正驻点) 2 2 A v Z g 三、船行波图形及组成三、船行波图形及组成 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 1 1、单个压力点的兴波图形、单个压力点的兴波图形 散波系散波系 横波系横波系 凯尔文角凯尔文角 190 28 3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征 船首压力兴波：船首波系船首压力兴波：船首波系艏横波、艏散波艏横波、艏散波 船尾压力兴波：船尾波系船尾压力兴波：船尾波系尾横波、尾散波尾横波、尾散波 艏横波、艉横波在船尾混合，组成合成横波艏横波、艉横波在船尾混合，组成合成横波 艉散波、艏散波不混合艉散波、艏散波不混合 3-1 船

8、行波的形成与特征船行波的形成与特征 2、船行波的组成与特征船行波的组成与特征 兴波图1 破波图1 破波图2 实际成本或费用：概述与 预算相关的实际工作情况 列出与目标和限制冲突的工作 情形 l 整个波系有两大波系组成：首波系和尾波系，每个整个波系有两大波系组成：首波系和尾波系，每个 波系都由横波和散波组成；波系都由横波和散波组成； l 首横波恒从艏柱稍后处的波峰开始，尾横波恒从艉首横波恒从艏柱稍后处的波峰开始，尾横波恒从艉 柱稍前处的波谷开始；柱稍前处的波谷开始； l 同一波系各散波段中点之连线基本为一直线，且此同一波系各散波段中点之连线基本为一直线，且此 直线与船中线面之夹角在直线与船中线面

9、之夹角在180 200。 l 各波系横波均集中在自身波系的相应散波内，且随各波系横波均集中在自身波系的相应散波内，且随 扇形宽度的扩展，横波宽度也相应增大，但波幅变扇形宽度的扩展，横波宽度也相应增大，但波幅变 小；小； l 整个波系各散播之间及散波与横波之间互不干扰，整个波系各散播之间及散波与横波之间互不干扰， 但在尾波系扇形面内，首尾波系发生兴波干扰；但在尾波系扇形面内，首尾波系发生兴波干扰； l 整个波系随船一起运动，波速为船速。整个波系随船一起运动，波速为船速。 3-2 船的首尾波系及其干扰船的首尾波系及其干扰 一、船行波的主要特性一、船行波的主要特性 3-2 船的首尾波系及其干扰船的首

10、尾波系及其干扰 二、首尾横波干扰二、首尾横波干扰 首尾横波系在船尾相遇叠加称：首尾横波系在船尾相遇叠加称： 1 1、有利干扰与不利干扰、有利干扰与不利干扰 2、影响干扰结果的因素、影响干扰结果的因素 取决于首尾横波相对位置取决于首尾横波相对位置 由由兴波长度兴波长度 mL和波长和波长决定决定 mL=（n+q） 1）q=0，相位差为零，相位差为零，不利干不利干 扰扰 2）q=0.5 相位差为相位差为，有利干有利干 扰扰 3） q为任意分数时，出现为任意分数时，出现一一 般干扰般干扰 3-2 船的首尾波系及其干扰船的首尾波系及其干扰 波长与波速波长与波速( (船速船速) )平方成正比平方成正比 2

11、 2 () v mLnq g 2 / r Fv gL 2 ()/ 2 r nqmF 12.0 4.0 8.0 2 (m)=0.169V V(kn)=14.43 12.51 13.15 9.31 6.75 11.23 13.79 50 平行中体长（m） 7090130110 L(m) 150 30100907050 Rr(t) 兴波图3 兴波图4 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 一、兴波阻力与波浪参数的关系一、兴波阻力与波浪参数的关系 假定船波是平面进行波，则其一个波长内的波能为假定船波是平面进行波，则其一个波长内的波能为 2 1 8 Eg bH 根据能量守恒，船体所提供给波浪的能量等于兴波根

12、据能量守恒，船体所提供给波浪的能量等于兴波 阻力所作的功，也即行进两个波长内所作的功阻力所作的功，也即行进两个波长内所作的功 2 0 1 2 8 w REg bH 2 0 1 16 w RgbH 2 0w RbH 上式并不能用于计算实际船舶的兴波阻力，但却给上式并不能用于计算实际船舶的兴波阻力，但却给 出明显的物理启示，即兴波阻力与波高平方和波宽出明显的物理启示，即兴波阻力与波高平方和波宽 成正比关系。当船波的波高增大时，兴波阻力必然成正比关系。当船波的波高增大时，兴波阻力必然 急剧增大。急剧增大。 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 二、船体兴波阻力表达式二、船体兴波阻力表达式 船体兴波阻力必

13、须计及以下三方面产生的波阻：船体兴波阻力必须计及以下三方面产生的波阻： (1)船横波中未受干扰部分的波阻；船横波中未受干扰部分的波阻； (2)船首尾横波干扰后，合成波的阻；船首尾横波干扰后，合成波的阻； (3)船首尾波系中散波的波阻。船首尾波系中散波的波阻。 整个船体波系的总能量应该是首尾横波系和散波系整个船体波系的总能量应该是首尾横波系和散波系 的能量之和，即的能量之和，即 )2cos2( 21 2 3d 2 2 2 1DB qHKHHKHHbEEE 1确定各部分波浪的参数及其波能确定各部分波浪的参数及其波能 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 二、船体兴波阻力表达式二、船体兴波阻力表达式 2

14、整个船体兴波阻力整个船体兴波阻力 6 2 (cos) w mL Rb ABv 4 2 2 cos 1 2 w w RmLv CCD gL v S 222 ,bvb vHv 所以而 6 (cos2) w Rb ABq v所以 ()mLnqcos2cos2 ()cos2 mL qnq 2 2222 2 1 ( )( )cos 2 w RvCSd 或通过积分得或通过积分得 三、船体兴波阻力特性三、船体兴波阻力特性 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 1 1、一般规律、一般规律 Rw Rw v6 Rw Rw Fr4 v v增加，则增加，则RwRw迅速增加迅速增加 低速船，低速船， RwRw比例小；高速船

15、，比例小；高速船，RwRw占比例很大占比例很大 自然兴波阻力部分自然兴波阻力部分 干扰后兴波阻力干扰后兴波阻力 “ “峰峰” ” 和和“谷谷” 2、兴波阻力组成与兴波阻力曲线特点兴波阻力组成与兴波阻力曲线特点 66 2 c o s w m L RA vBv 不利干扰出现不利干扰出现“峰峰” /1,2,3mL 2 cos1 mL 有利干扰，出现有利干扰，出现“谷谷”/0.5,1.5,2.5mL 2 cos1 mL 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 3 Cw 10 较 丰 满 船 4 极 瘦 削 船 2 3 5 0.40.3F r0.70.60.50.100.2 1 3 3、不同船型的兴波阻力差异

16、、不同船型的兴波阻力差异 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性 （1）Fr 0.15时时, Cw小小低速船，兴波阻力成分很低速船，兴波阻力成分很 小小 （2）相同）相同Fr数，丰满船型数，丰满船型Cw比瘦削船型大，比瘦削船型大，Fr大时大时 更明显更明显 （3）丰满船型）丰满船型Cw有峰谷现象；有峰谷现象； 瘦削船型在瘦削船型在Fr=0.5附近存在峰值区；附近存在峰值区；Fr0.5 后，后，Cw下降下降 3-4 兴波阻力与船型关系及干扰预测兴波阻力与船型关系及干扰预测 一、船型对兴波阻力的影响一、船型对兴波阻力的影响 (1) 自然兴波阻力自然兴波阻力部分，主要受首尾端部形状的影部分，主要受首尾端部

17、形状的影 响，而首部形状的影响尤为突出。响，而首部形状的影响尤为突出。 (2)相同相同Fr数数，丰满船型，丰满船型Cw比瘦削船型大，比瘦削船型大，Fr大时更大时更 明显明显,且曲线有明显的峰谷现象。且曲线有明显的峰谷现象。 (3) 兴波阻力第二项值兴波阻力第二项值的大小则取决于兴波长度的大小则取决于兴波长度mL 与波长与波长之比，即之比，即mL/。而兴波长度。而兴波长度mL与船长、与船长、 船速、以及船体的肥瘦程度有关；波长仅与船速有船速、以及船体的肥瘦程度有关；波长仅与船速有 关。关。 (4) 船体形状，特别是表征船体首尾肥瘦程度的船体形状，特别是表征船体首尾肥瘦程度的棱形棱形 系数系数Cp

18、不但直接影响兴波的大小，而且对两横波不但直接影响兴波的大小，而且对两横波 的干扰作用有较大的影响。的干扰作用有较大的影响。 二、二、 理论预测兴波干扰理论预测兴波干扰 3-4 兴波阻力与船型关系及干扰预测兴波阻力与船型关系及干扰预测 V V一定（即一定（即 一定一定 ）、）、mLmL决定首尾横波相对位置决定首尾横波相对位置 实验资料表明：实验资料表明： 3 - 4 p C LmL 3 4 p C L nq 当q = 0.5时， CpL / = n1 / 4有利干扰有利干扰 3-4 兴波阻力与船型关系及干扰预测兴波阻力与船型关系及干扰预测 当q = 0 时，CpL / = n3 / 4 不利干扰

19、不利干扰 定义定义为船速为船速与波长为与波长为CpL的波速之比，即的波速之比，即 / 2/ 2/ 2/ ppp vgC LggC LC L 波阻谷点波阻谷点 ：= 1/1/ 44/3, 4/7, 4/11, 4/15n 1/3/ 44,4/5,4/9,4/13n 波阻峰点波阻峰点 ： 3-4 兴波阻力与船型关系及干扰预测兴波阻力与船型关系及干扰预测 理论图谱理论图谱 p p r p g / 2 2.5066 C L C L F C 图中图中空白部分空白部分代表代表“有有 利干扰利干扰”区，而区，而阴影部阴影部 分分代表代表“不利干扰不利干扰”区，区， 此图仅适用于此图仅适用于 =1.15 以下

20、的情况。以下的情况。 三、应用三、应用Fr预测波阻峰点和谷预测波阻峰点和谷 3-4 兴波阻力与船型关系及干扰预测兴波阻力与船型关系及干扰预测 注意：注意：避免前肩波系与首波系干扰避免前肩波系与首波系干扰 原理：原理：L、Vs确定确定 Fr确定确定 Cp根据根据Fr选定选定 (1.956 1.992) se VL 设计时应避开波阻峰点，实在无法避开则可采用设计时应避开波阻峰点，实在无法避开则可采用 球鼻首等措施球鼻首等措施 3-5 确定兴波阻力的方法确定兴波阻力的方法 一、模型实验一、模型实验 二、理论计算方法二、理论计算方法 线性兴波阻力理论线性兴波阻力理论 三、波形分析法三、波形分析法 1

21、1、 CtmCtm、Cvm Cvm 船模实验船模实验 + + 对叠船对叠船 模实验模实验 wmtmvm CCC 2、 rtmfm CCC 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法 一、减小常规船兴波阻力的方法一、减小常规船兴波阻力的方法 1. 1.选择合理的船型参数选择合理的船型参数 2.优化船体型线优化船体型线 L，Cp，Le 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法 3. 造成有利的波系干扰造成有利的波系干扰 4. 4.其他其他 压浪板等压浪板等 球鼻首、消波水翼等球鼻首、消波水翼等 二、应用不同设计概念减小兴波阻力二、应用不同设计概念减小兴波阻力 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴

22、波阻力的方法 1 1、双体和多体船、双体和多体船 二、应用不同设计概念减小兴波阻力二、应用不同设计概念减小兴波阻力 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法 2、使船体抬出水面设计概念、使船体抬出水面设计概念 滑行艇、水翼艇、气垫船滑行艇、水翼艇、气垫船 二、应用不同设计概念减小兴波阻力二、应用不同设计概念减小兴波阻力 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法 3、船体下潜设计概念、船体下潜设计概念 二、应用不同设计概念减小兴波阻力二、应用不同设计概念减小兴波阻力 3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法 4、复合设计概念、复合设计概念 3-7 破波阻力破波阻力 瘦削船型瘦削船型

23、(1) twf CCk C (1) twpf wb CCk C C wb C 肥大型船：肥大型船： 破波阻力破波阻力 一、破波的成因一、破波的成因 3-6 破波阻力破波阻力 1 1、破波、破波（碎波）（碎波） 肥大型船在航行中除产生船行波外，在其首部肥大型船在航行中除产生船行波外，在其首部 常存在兴起后很快破碎的波浪。常存在兴起后很快破碎的波浪。 2 2、成因：、成因： （1 1）乾崇夫解释要点：）乾崇夫解释要点： 波形：波形： 线性波系线性波系 + + 非线性波系非线性波系 （凯尔文波系）（凯尔文波系） （水表面冲击系水表面冲击系） Rw = Rwp + Rw = Rwp + RwbRwb

24、水表面冲击波不稳定水表面冲击波不稳定 破波破波 （2）马场解释要点：）马场解释要点： 3-6 破波阻力破波阻力 运动物体前端自由表面下方存在一层剪切流；运动物体前端自由表面下方存在一层剪切流； 该剪切流沿水线引起旋涡（感生涡）；该剪切流沿水线引起旋涡（感生涡）； 剪切流和感生涡强与吃水、半进角、首端有关；剪切流和感生涡强与吃水、半进角、首端有关； 感生涡强随速度的增强而增大，感生涡强随速度的增强而增大，肥大型船破波与该肥大型船破波与该 涡强有关。涡强有关。 （3）破波阻力）破波阻力 3-6 破波阻力破波阻力 破波与波的非线性有关；破波对于瘦削船型可破波与波的非线性有关；破波对于瘦削船型可 以忽略，而主要出现在丰满船型；丰满船首阻以忽略，而主要出现在丰满船型；丰满船首阻 塞作用明显，首部高压区形成陡峭船首波塞作用明显，首部高压区形成陡峭船首波 破波的产生和破波引起的阻力称破波的产生和破