第04章 附加阻力

1、船舶阻力第四章第四章 附加阻力附加阻力4.1 4.1 附体阻力附体阻力4.2 4.2 空气阻力空气阻力4.3 4.3 波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加1/14.1 4.1 附体阻力附体阻力n31/3附体阻力附体阻力 实船需安装实船需安装舵舵、舭龙骨舭龙骨、轴包架轴包架、轴轴和和轴支架轴支架、声纳声纳等附体等附体(不含螺旋桨不含螺旋桨)，由于水对附体作用而增加的那一部，由于水对附体作用而增加的那一部分阻力称为分阻力称为附体阻力附体阻力。 由于附体通常安装在水线以下较深的位置，且相对尺由于附体通常安装在水线以下较深的位置，且相对尺寸较小，兴波阻力通常很小，因而认为寸较小，兴波阻力通常很小，因而认为

2、附体阻力附体阻力的主要成的主要成分是分是摩擦阻力摩擦阻力和和粘压阻力粘压阻力。 轴支架轴支架等较短的附体，主要是等较短的附体，主要是粘压阻力粘压阻力，并可认为其，并可认为其阻力系数与速度无关；而阻力系数与速度无关；而舭龙骨舭龙骨、轴包套轴包套等较长的沿流线等较长的沿流线方向安装的附体，主要是方向安装的附体，主要是摩擦阻力摩擦阻力。2/3附体阻力附体阻力3/3一、确定附体阻力的方法一、确定附体阻力的方法二、附体设计应注意的事项二、附体设计应注意的事项一、确定附体阻力的方法一、确定附体阻力的方法 目前准确确定附体阻力相当困难，其原因是：目前准确确定附体阻力相当困难，其原因是：附体阻力附体阻力复杂复

3、杂。因为除要精确地确定各种附体的自身。因为除要精确地确定各种附体的自身阻力外，还要确定附体与船体之间的阻力外，还要确定附体与船体之间的干扰干扰阻力；阻力；尺度效应尺度效应影响。通过模型试验确定附体阻力，由于船影响。通过模型试验确定附体阻力，由于船模速度低，附体尺度小，因而存在较严重的尺度效应。模速度低，附体尺度小，因而存在较严重的尺度效应。 工程上一般采用两种近似方法确定附体阻力：工程上一般采用两种近似方法确定附体阻力：1/51. 1. 用已有资料或经验公式估算用已有资料或经验公式估算2. 2. 用模型试验确定附体阻力。用模型试验确定附体阻力。1. 1. 用已有资料或经验公式估算用已有资料或经

4、验公式估算2/5 用经验公式确定附体阻力有两种方式：一是分别求每用经验公式确定附体阻力有两种方式：一是分别求每一附体阻力之后相加；二是将所有附体总起来计算，取裸一附体阻力之后相加；二是将所有附体总起来计算，取裸船阻力的百分数船阻力的百分数 kap 来表示，称为来表示，称为附体阻力百分数附体阻力百分数。不同类型船的附体系数不同类型船的附体系数单螺旋桨民用船2 5%双螺旋桨民用船7 13%双或四螺旋桨高速军舰8 16% 记裸船体所需有效功率为记裸船体所需有效功率为Peb，则计及附体的实船有效，则计及附体的实船有效功率功率Pe1为为: Pe1=Peb(1+kap)用已有资料或经验公式估算用已有资料或

5、经验公式估算 中、低速船的附体系数与速度的关系甚小；但中、低速船的附体系数与速度的关系甚小；但高速船高速船或或军舰军舰因兴波阻力占总阻力的主要部分，附体也使兴波阻因兴波阻力占总阻力的主要部分，附体也使兴波阻力的增大。力的增大。 此外，若附体此外，若附体形状特殊形状特殊或或未按流线方向未按流线方向设计，则附体设计，则附体系数应适当加大。系数应适当加大。3/52 2用模型试验确定附体阻力用模型试验确定附体阻力4/5 目前普遍采用模型试验确定附体阻力，通过目前普遍采用模型试验确定附体阻力，通过带附体带附体和和不带附不带附体体船模试验所得到的船模试验所得到的总阻力之差总阻力之差来确定附体阻力。来确定附

6、体阻力。为了减少尺度效应，应尽可能采用大模型试验。为了减少尺度效应，应尽可能采用大模型试验。 逐一去除法逐一去除法是用试验确定附体阻力的实用方法。即先是用试验确定附体阻力的实用方法。即先安装全部附体进行试验，然后逐一去除对其它附体干扰小安装全部附体进行试验，然后逐一去除对其它附体干扰小的附体的附体(去除后不再安装去除后不再安装)，再进行试验。以保证在附体阻，再进行试验。以保证在附体阻力中既包含其自身阻力，又包括它对船体及其它附体的干力中既包含其自身阻力，又包括它对船体及其它附体的干扰力。扰力。用模型试验确定附体阻力用模型试验确定附体阻力 设模型试验得到的不带附体船模的总阻力为设模型试验得到的不

7、带附体船模的总阻力为Rm；加装；加装全部附体后的总阻力为全部附体后的总阻力为Rm+Rm。则模型的。则模型的附体系数附体系数： kapmRm/Rm， 认为认为实船实船的的附体系数附体系数kaps等于等于模型模型的的附体系数附体系数kapm，这，这样实船的附体阻力样实船的附体阻力: Rs=kapmRs5/5二、附体设计注意事项二、附体设计注意事项1/2 1. 附体应附体应沿船体流线方向沿船体流线方向设置，以减小附体产生的旋设置，以减小附体产生的旋涡，而减少粘压阻力。涡，而减少粘压阻力。 舭龙骨的长度通常为船长的舭龙骨的长度通常为船长的30 50，如布置得当，如布置得当，其阻力基本上仅为摩擦阻力，但

8、如与流线交叉，将引起很其阻力基本上仅为摩擦阻力，但如与流线交叉，将引起很大的粘压阻力，故其安装位置需经大的粘压阻力，故其安装位置需经流线观察试验流线观察试验确定，同确定，同样轴包架、轴支架等也应尽可能沿水流方向装置。样轴包架、轴支架等也应尽可能沿水流方向装置。n2附体设计注意事项附体设计注意事项 2.尽可能采用尽可能采用湿面积较小湿面积较小的附体，以减小附体的摩擦的附体，以减小附体的摩擦阻力。阻力。 3.舵、轴支架、轴包架等附体沿水流方向应舵、轴支架、轴包架等附体沿水流方向应采用流线采用流线型对称剖面型对称剖面，对减小附体阻力有显著的作用。，对减小附体阻力有显著的作用。2/24.2 4.2 空

9、气阻力空气阻力1/6空气阻力空气阻力 船舶在航行中、船体水线以上部分和上层建筑与空气船舶在航行中、船体水线以上部分和上层建筑与空气的相互作用而受到的阻力。的相互作用而受到的阻力。空气阻力空气阻力包括空气的包括空气的摩擦阻力摩擦阻力和和粘压阻力粘压阻力两部分。因为空气的两部分。因为空气的密度密度和和粘性系数粘性系数比水比水小小得得多，所以空气阻力通常只占船总阻力的很小部分。多，所以空气阻力通常只占船总阻力的很小部分。 在空气阻力中，摩擦阻力只占极小部分，而在空气阻力中，摩擦阻力只占极小部分，而主要部分主要部分是粘压阻力是粘压阻力。它与船舶水上部分的外形以及与风的相对速。它与船舶水上部分的外形以及

10、与风的相对速度大小和方向有关。度大小和方向有关。 空气阻力空气阻力Raa可由下式计算：可由下式计算：2/6221ataaaavACR Ca:空气阻力系数空气阻力系数, a:空气密度空气密度(1.226/g kg/m3), At:船体水船体水线以上部分在中横剖面上的投影线以上部分在中横剖面上的投影, va:相对风速。相对风速。相对风速相对风速v va a3/6 相对风速相对风速: va=vs+uwcos(a) vs: 船速船速 uw:风速风速(按风级从表按风级从表4-2中查取中查取) a:风速与船速间的夹角。风速与船速间的夹角。 实用上所说的实用上所说的空气阻力空气阻力，是指船在，是指船在静止空

11、气静止空气或或风速小风速小于于 2 级级情况下航行时所遭受的空气阻力。对一般船舶，特情况下航行时所遭受的空气阻力。对一般船舶，特别是肥大船，可按下式估算空气阻力系数别是肥大船，可按下式估算空气阻力系数:SASvRCtsaaaa/001. 0/221 (4-9)水水的密度；的密度；S船体湿表面面积船体湿表面面积(m2)；At船体水线以上部分船体水线以上部分在横剖面上的投影在横剖面上的投影(m2)。空气阻力系数空气阻力系数 根据风洞试验，空气阻力系数根据风洞试验，空气阻力系数Caa的平均值为：的平均值为：4/6普通货船普通货船 0.1010-3渔船渔船0.1310-3散装货船散装货船 0.0810

12、-3客船客船0.0910-3油船油船0.0810-3渡船渡船0.1010-3超级油船超级油船 0.0410-3集装箱船集装箱船(甲板上无集装箱甲板上无集装箱) (甲板上有集装箱甲板上有集装箱)0.0810-30.1010-3空气阻力试验空气阻力试验5/6 空气阻力可通过以下试验确定：空气阻力可通过以下试验确定：1.在在风洞风洞中做船舶水上部分的模型试验；中做船舶水上部分的模型试验；2.将带有上层建筑的船模倒置在将带有上层建筑的船模倒置在水中水中进行拖曳试验。进行拖曳试验。三岛式船和客船的空气阻力试验结果三岛式船和客船的空气阻力试验结果空气阻力估算空气阻力估算6/6 船舶设计中常以裸船阻力的百分

13、数来估算空气阻力，船舶设计中常以裸船阻力的百分数来估算空气阻力，一般船舶一般船舶，如风速不大于，如风速不大于2级时，其空气阻力百分数级时，其空气阻力百分数kaa=2 4，而高速，而高速军舰军舰则要则要大大很多。如果已确定船的附体阻力很多。如果已确定船的附体阻力和空气阻力则实船的有效功率和空气阻力则实船的有效功率(静水有效功率静水有效功率)Pet: Pet=Peb(1+kap+kaa) 在设计船体上层建筑时，应注意在设计船体上层建筑时，应注意上层建筑上层建筑尽可能尽可能低低而而长长，尽可能减小水上部分在舯横剖面上的，尽可能减小水上部分在舯横剖面上的投影面积投影面积；上层；上层建筑前端应设计成建筑

14、前端应设计成流线型流线型，后端可做成，后端可做成阶梯形阶梯形。4.3 4.3 波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加 船在风浪中航行时所增加的阻力称为船在风浪中航行时所增加的阻力称为波浪中阻力增值波浪中阻力增值或称为或称为汹涛阻力汹涛阻力，记作，记作Raw。其大小与。其大小与风浪大小风浪大小、方向方向及及船型船型、航速航速等因素有关。等因素有关。1/2波浪中的阻力增加波浪中的阻力增加一一. .引起波浪阻力增加的原因引起波浪阻力增加的原因二二. 影晌波浪中阻力增值的因素影晌波浪中阻力增值的因素三三. 波浪阻力增值的处理与储备功率波浪阻力增值的处理与储备功率2/2 1船体运动船体运动 船在波浪中航行，将

15、产生船在波浪中航行，将产生纵摇纵摇、升沉升沉、横摇横摇和和摇首摇首等等运动，使运动，使阻力增加阻力增加，航速降低。其中主要是纵摇、升沉运，航速降低。其中主要是纵摇、升沉运动的影响，横摇和摇首较为次要。动的影响，横摇和摇首较为次要。 船舶在波浪中所船舶在波浪中所增加的阻力增加的阻力与船体与船体运动的幅值运动的幅值等参数等参数有关。有关。一一. .引起波浪阻力增加的原因引起波浪阻力增加的原因1/32 2船体对波浪的绕射作用船体对波浪的绕射作用2/3 波浪遇到船体后，波浪遇到船体后，被船体绕射被船体绕射而产生反射波，该水波而产生反射波，该水波的能量就是船体阻力增值的一部分。的能量就是船体阻力增值的一

16、部分。 由于波浪作用引起船体周围由于波浪作用引起船体周围压力周期性变化压力周期性变化，因而阻，因而阻力随之发生变化，其平均值较静水阻力为大；力随之发生变化，其平均值较静水阻力为大； 波浪中船体严重波浪中船体严重淹湿淹湿也使浸湿面积增大，亦是造成阻也使浸湿面积增大，亦是造成阻力增加的因素之一。力增加的因素之一。波浪阻力增加曲线波浪阻力增加曲线 图示某船在规则波、不规则波中迎浪的阻力增值曲线。图示某船在规则波、不规则波中迎浪的阻力增值曲线。图中图中Rs是是静水阻力静水阻力，Raw是是平均汹涛阻力平均汹涛阻力。规则波中。规则波中Raw不随时间而变，汹涛阻力的瞬时值与平均值之不随时间而变，汹涛阻力的瞬

17、时值与平均值之差差Raw按按波浪遭遇周期有规则地变化。不规则波中，波浪遭遇周期有规则地变化。不规则波中，Raw和和Raw为服从概率正态分布的随机变量。为服从概率正态分布的随机变量。3/3 波浪中的阻力增值问题相当复杂，已有的研究表明，波浪中的阻力增值问题相当复杂，已有的研究表明，影响波浪中阻力增值的因素主要有影响波浪中阻力增值的因素主要有波浪波浪和和船型船型两方面：两方面：二二. .影晌波浪中阻力增值的因素影晌波浪中阻力增值的因素1/5 1. 波浪方面波浪方面 实验表明所有船型的波浪阻实验表明所有船型的波浪阻力增值随力增值随遭遇波高遭遇波高平方成正比平方成正比增加。增加。肯夫给出了不同方形系数

18、船舶在波肯夫给出了不同方形系数船舶在波浪上航行时的速度降低百分数与波浪上航行时的速度降低百分数与波高的关系。高的关系。波浪与船的纵摇谐振波浪与船的纵摇谐振2/5 波浪阻力增值波浪阻力增值主要主要取决于船舶的取决于船舶的纵摇和升沉运动纵摇和升沉运动的强的强烈程度以及烈程度以及与波浪的相位与波浪的相位关系。一般，横摇与首摇运动产关系。一般，横摇与首摇运动产生的阻力增值较小，可不予考虑。当波浪周期与船的生的阻力增值较小，可不予考虑。当波浪周期与船的纵摇纵摇周期周期接近时，即使波浪高度并不大的情况下，也会发生相接近时，即使波浪高度并不大的情况下，也会发生相当大的纵摇运动，此时船体阻力增值可能很大。实用

19、上可当大的纵摇运动，此时船体阻力增值可能很大。实用上可以以变更船的航速变更船的航速或或航向航向来避免这种情况。来避免这种情况。遭遇波长的影响遭遇波长的影响 路易斯的研究指出，若遇波浪的波长在船长路易斯的研究指出，若遇波浪的波长在船长3/4以下，以下，产生的纵摇和升沉运动都较小；产生的纵摇和升沉运动都较小；遭遇等于或大于船长遭遇等于或大于船长的的波时，产生的运动将大为加剧，波时，产生的运动将大为加剧，波浪中的阻力增值亦将显著增大。波浪中的阻力增值亦将显著增大。迎浪情况下的模型试验结果表明，迎浪情况下的模型试验结果表明，在波长与船长比在波长与船长比/L=1 附近的区附近的区域，是纵摇谐振区，也是阻

20、力增域，是纵摇谐振区，也是阻力增值值Raw/的的峰值区峰值区。3/5 2. 2. 船型方面船型方面 方形系数方形系数Cb不同，在遭遇相同情况的波高时，它不同，在遭遇相同情况的波高时，它们的阻力增值不同。当船的方形系数超过们的阻力增值不同。当船的方形系数超过0.74，其波浪中，其波浪中的速度损失随波高增加而迅速增长。的速度损失随波高增加而迅速增长。 船长影响船长影响，如所设计的船航行于经常出现波长与船，如所设计的船航行于经常出现波长与船长之比大于长之比大于3/4范围的航区，必须对波浪中阻力增值予以一范围的航区，必须对波浪中阻力增值予以一定重视。定重视。4/5船型方面船型方面 船首部形状船首部形状

21、影响，试验表明，船首采用影响，试验表明，船首采用V型剖面则型剖面则波浪中阻力增值较波浪中阻力增值较U型小。型小。 在同样风浪下，船舶处于满载状态的阻力增值较在同样风浪下，船舶处于满载状态的阻力增值较压载状态压载状态为小，这是因为满载船体运动较压载时小。为小，这是因为满载船体运动较压载时小。5/5三三. .波浪阻力增值的处理与储备功率波浪阻力增值的处理与储备功率1/6 船舶在风浪中航行时由于风浪作用而产生阻力增值，船舶在风浪中航行时由于风浪作用而产生阻力增值，这样会出现下面两种情况：这样会出现下面两种情况： 1.由于波浪阻力增加，在保持静水中由于波浪阻力增加，在保持静水中相同功率相同功率时，航时

22、，航速必然下降，这种航速的减少称为速必然下降，这种航速的减少称为速度损失速度损失或简称或简称失速失速。 2.考虑波浪阻力增值，如要维持静水中考虑波浪阻力增值，如要维持静水中相同航速相同航速，则，则功率必须较静水功率有所增加，所增加的功率称为功率必须较静水功率有所增加，所增加的功率称为储备功储备功率率。风浪中平均有效功率增量公式风浪中平均有效功率增量公式2/6 马隆马隆(Malone)提出的船舶在风浪中平均有效功率增量提出的船舶在风浪中平均有效功率增量Pe的经验公式，可供近似估算储备功率时使用。的经验公式，可供近似估算储备功率时使用。 Pe=4.594B(2w+0.152)2/(TLpp2) (

23、kw) Lpp两柱间长两柱间长; B船寬船寬; T吃水吃水;排水量排水量;w=0.02vw2波高波高; vw风速风速(m/s)。 算例：某滚装船算例：某滚装船LppBT=16727.349.12m, =29753t, Cb=0.712, Vs=18kn, Pe=7186kw, 按马隆式计算：按马隆式计算：蒲氏风级蒲氏风级45678平均风速平均风速 m/s6.79.412.315.519.0波高波高 m0.91.773.04.87.2Pe kw62.7224.2622.51564.4 3483.3Pe/Pe %0.873.128.6621.7748.5储备功率估算储备功率估算 3/6 船舶设计时

24、，通常总是综合考虑船舶设计时，通常总是综合考虑波浪中阻力增值波浪中阻力增值、强、强风作用下的风作用下的空气阻力空气阻力、污底污底增加的阻力、增加的阻力、主机性能下降主机性能下降以以及风浪中由于及风浪中由于操纵性恶化操纵性恶化而增加的阻力等各种因素。而增加的阻力等各种因素。 考虑波浪阻力增加而储备的功率，是在已计入附体阻考虑波浪阻力增加而储备的功率，是在已计入附体阻力、空气阻力的静水航行功率后，再增加的功率百分数，力、空气阻力的静水航行功率后，再增加的功率百分数，记为记为kaw。这样计及波浪中阻力增值等因素后的实际有效。这样计及波浪中阻力增值等因素后的实际有效功率功率Pew为：为： Pew=Pe

25、b(1+kap+kaa)(1+kaw)静水有效功率静水有效功率 附体系数附体系数 空气系数空气系数 波浪系数波浪系数船舶正常航行必需的功率船舶正常航行必需的功率4/6试航速度与服务航速试航速度与服务航速 试航速度试航速度: 船舶建成后，在要求装载情况下，且主机船舶建成后，在要求装载情况下，且主机额定功率在平静水域中所能达到的速度。额定功率在平静水域中所能达到的速度。 服务航速服务航速: 考虑船舶在航行中考虑船舶在航行中受风浪受风浪和和污底污底等原因致等原因致使阻力增加，以使阻力增加，以持久功率持久功率(约为额定功率的约为额定功率的85 90)在在平平均海况下均海况下船舶所能达到的航速。船舶所能达到的航速。5/6储备功率选择储备功率选择 储备功率的应视船长、船型、航道和船的业务性储备功率的应视船长、船型、航道和船的业务性