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()Akxt1 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kzrAe3-1 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 T T= =2/ / 自由

2、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 21535krAeAeA3-1 船行波的形成与特征船行波的形成与特征10vCr/CT20vCr5、波速、波速C 波峰：波峰： 波谷：波谷： 22001002/ 2/ 2rprvgrprvg 222104vvgr/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 / 2CgT3-1 船行波的形成与特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

3、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cossinpxy2( )/( 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 0kpEEE214k

4、pEEgA2201128EgAgH212bEgA 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( )aCkpSkp7、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220( )/( cos )seckgvK20/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/220/220( , )( )cossec( cossin ) ( )sinsec( cossin )dx yCKxySKxy将不同传播方向上的基元

5、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)(20yxKpk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220022AAppvvZgggg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=0Av202AvZg2202BBvvZg202CvZg船行波的实际情况船行波的实际情

6、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、实际水面抬高小于 (A和和 C 并非真正驻点并非真正驻点)22AvZg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

7、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

8、；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

9、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，

10、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22()vmLnqg2/rFv gL2()/ 2rnqmF12.04.08.02(m)=0.169VV(kn)=14.4312.5113.159.316.7511.2313.7950平行中体长（m）7090130110L(m)15030100907050Rr(t)兴波图3兴波图43-3 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

11、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218Eg bH 根据能量守恒，船体所提供给波浪的能量等于兴波根据能量守恒，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20128wREg bH 20116wRgbH20wRbH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

12、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(2123d2221DBqHKHHKHHbEEE1确定各部分波浪的参数及其波能确定

13、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整个船体兴波阻力整个船体兴波阻力62(cos)wmLRb ABv422cos12wwRmLvCCDgLv S 222,bvb vHv 所以而6(cos2)wRb ABq v所以()mLnqcos2cos2 ()cos2mLqnq2222221( )( )cos2wRvCSd 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

14、速船， RwRw比例小；高速船，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 662c o swm LRA vBv不利干扰出现不利干扰出现“峰峰” /1,2,3mL2cos1mL有利干扰，出现有利干扰，出现“谷谷”/0.5,1.5,2.5mL2cos1mL 3-3 兴波阻力特性兴波阻力特性3Cw 10较 丰 满 船4极 瘦 削 船2350.40.3F r0.70.60.50.100.213 3、不同船型的兴波阻力差异、不同船型的兴波阻力

15、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，主要受首尾端部形状的影响，而首部形状的影响尤为突出。响

16、，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

17、，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：3-4pC LmL34pC Lnq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/p

18、ppvgC LggC LC L波阻谷点波阻谷点 ：= 1/1/ 44/3, 4/7, 4/11, 4/15n1/3/ 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pprpg/22.5066C LC LFC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：

19、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)seVL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 1、CtmCtm、Cvm Cvm 船模实验船模实验 + + 对叠船对叠船模实验模实验wmtmvmCCC2、rtmfmCCC3-6 减小兴波阻力的方法减小兴波阻力的方法一、

20、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，Le3-6 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

21、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(1)twfCCk C(1)twpfwbCCk CCwbC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

22、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 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波引起的阻力称破波