船舶阻力第二章课件

1、第二章第二章粘性阻力2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力一、平板边界层一、平板边界层1 1、边界层定义、边界层定义2、边界层厚度、边界层厚度 与流速、长度和粘性有关与流速、长度和粘性有关Re/xvxRex x 3 3、不同流动状态、不同流动状态2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力层层 流流50.5Re(3.5 5.0)105.2 Rexxx湍湍 流流过渡流过渡流56(3.5 5.0) 10Re3.0 10 x6Re3.0 100.0598lg Re3.107xxx 二、摩擦阻力成因及主要特性二、摩擦阻力成因及主要特性2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力1 1、成因、成因粘性粘性边界

2、层边界层虽小，但流体速度变化虽小，但流体速度变化率率( (梯度梯度) )很大很大平板摩擦切应力平板摩擦切应力 不可忽略。不可忽略。0yvy22001112d2d22xxffCRv SbxvbxCxxRdfsS 二、摩擦阻力成因及主要特性二、摩擦阻力成因及主要特性2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力2、摩擦阻力特征、摩擦阻力特征1）摩擦阻力与流态的关系）摩擦阻力与流态的关系 介质一定，速度分布介质一定，速度分布fR层流：速度梯度小层流：速度梯度小 小小 小小fC紊流：速度梯度大紊流：速度梯度大 大大 大大fC2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力2）Re对摩擦阻力的影响（固定流态）对摩擦阻

3、力的影响（固定流态）随随 变化变化Rexvx 不变不变vRe xfvxCCy 不变不变xRe xfvvCCy注意：注意： 随随 的增加小于的增加小于 ，故，故 仍随仍随 的的增加而减小。增加而减小。v2vCRex3）湿面积与摩擦阻力的关系）湿面积与摩擦阻力的关系RfS三、船体边界层三、船体边界层 2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力三维流动三维流动三、船体边界层三、船体边界层 2-1 边界层和摩擦阻力边界层和摩擦阻力与平板的主要区别与平板的主要区别1、边界层外缘势流不同、边界层外缘势流不同平板：平板：压力、速度保持不变压力、速度保持不变船体：船体：1 1）各处流速不同，舯部流体速度大于船舶

4、）各处流速不同，舯部流体速度大于船舶 航行速度，而航行速度大于船体艏艉处流速航行速度，而航行速度大于船体艏艉处流速 2）各处压力不同，艏艉压力高于舯部各处压力不同，艏艉压力高于舯部, ,存在存在 纵向压力梯度纵向压力梯度2、边界层内纵向压力分布不同、边界层内纵向压力分布不同平板：平板：内部纵向压力相等内部纵向压力相等船体：船体：各处压力不同各处压力不同, ,艏压力高于舯部艏压力高于舯部, , 艉部有所升艉部有所升 高但低于艏高但低于艏一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式2-2 摩擦阻力系数计算公式摩擦阻力系数计算公式1221.328Re12ffRCv SBlasiu

5、s Blasius 精确解精确解 5R e(3.5 5.0)10 x应用范围应用范围舰船雷诺数舰船雷诺数694.0 10Re3.0 10 x紊流状态公式无法使用紊流状态公式无法使用二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式2-2 摩擦阻力系数计算公式摩擦阻力系数计算公式近似解近似解卡门界层动量积分方程卡门界层动量积分方程20202d=d1dd212LfLfLfvxuuyvvRxvRCLv L 2-2 摩擦阻力系数计算公式摩擦阻力系数计算公式1 1、速度为指数分布的计算方法、速度为指数分布的计算方法nuyvRenf7Re2 107n 150.072RefC 150.074R

6、efC 修正修正2、速度为对数分布的计算方法速度为对数分布的计算方法（1）桑海）桑海Schoenher公式（美）公式（美）2.60.4631(lgRe)fC 6910Re10（2）柏兰特）柏兰特-许立汀许立汀Prandtl-Schlichting公式（欧）公式（欧）2.580.455(lgRe)fC （3）休斯）休斯Hughes公式（值较桑海公式低）公式（值较桑海公式低）20.066(lgRe 2.03)fC 2-2 摩擦阻力系数计算公式摩擦阻力系数计算公式3 3、平板摩擦阻力系数普遍公式、平板摩擦阻力系数普遍公式LandweberLandweber1lnReln2222fffAAAACCC常

7、数三、三、1957ITTC公式公式20.075(lgRe2)fC摩擦系数曲线（图摩擦系数曲线（图2-10）特点：）特点：l 1957ITTC公式在低雷诺数时数值比较大，公式在低雷诺数时数值比较大， 高雷诺数时，与桑海公式相近；公式高雷诺数时，与桑海公式相近；公式形式上与形式上与休斯公式相近，但值约大休斯公式相近，但值约大12.5l柏兰特柏兰特-许立汀公式和桑海公式形式和数值均许立汀公式和桑海公式形式和数值均比较相近，前者大后者比较相近，前者大后者 2.02.52-2 摩擦阻力系数计算公式摩擦阻力系数计算公式四、过渡流平板摩擦阻力系数公式四、过渡流平板摩擦阻力系数公式按柏兰特半经验公式按柏兰特半

8、经验公式2.580.4551700(lgRe)RefC 五、船体摩擦阻力计算处理办法五、船体摩擦阻力计算处理办法1）利用）利用“相当平板假定相当平板假定”计算摩擦阻力；计算摩擦阻力；2）作尺度效应、粗糙度影响修正）作尺度效应、粗糙度影响修正尺度效应：尺度效应：实船和船模之间有雷诺数差异，两者之间存在实船和船模之间有雷诺数差异，两者之间存在摩擦阻力系数的差别，此差别称为摩擦阻力系数的差别，此差别称为尺度效应，尺度效应，需修正。需修正。2-3 船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响一、船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响一、船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响l水流平均相对速度比平板大，

9、平均边界层水流平均相对速度比平板大，平均边界层薄，速度梯度大，摩擦阻力大。薄，速度梯度大，摩擦阻力大。l弯曲表面易发生边界层分离，产生旋涡，弯曲表面易发生边界层分离，产生旋涡，摩擦阻力减小。摩擦阻力减小。形状效应：形状效应：由于船体弯曲表面的影响使其摩擦阻力与由于船体弯曲表面的影响使其摩擦阻力与相当平板计算所得结果的差别称相当平板计算所得结果的差别称形状效应形状效应2-3 船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响二、船体形状效应的修正二、船体形状效应的修正1、史高斯结论、史高斯结论摩擦阻力较相当平板的大且随曲度增加而增加；摩擦阻力较相当平板的大且随曲度增加而增加； 二次对称

10、扁柱平均相对速度比三因次回转体大，二次对称扁柱平均相对速度比三因次回转体大，边界层薄，边界层薄， 摩擦阻力大；摩擦阻力大；由于曲度而增加的由于曲度而增加的 摩擦阻力与相当平摩擦阻力与相当平 板摩擦阻力的百分板摩擦阻力的百分 数与数与ReRe无关。无关。2、船体曲面摩擦阻力、船体曲面摩擦阻力略大于相当平板摩擦阻略大于相当平板摩擦阻力，但增加量较小。力，但增加量较小。？2-3 船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响3、修正方法、修正方法1 1）汤恩假定下修正）汤恩假定下修正211.250.012.50.351.3510fpfLRBBCRT212fffRk Cv S2）形状修正

11、因子形状修正因子 fk3）不作修正，合并于粘不作修正，合并于粘压阻力压阻力！2-4 船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响表面粗糙度类型表面粗糙度类型1）普遍粗糙度）普遍粗糙度油漆、壳板表面不平油漆、壳板表面不平 2）局部粗糙度）局部粗糙度焊接、开孔以及突出物等焊接、开孔以及突出物等一、普遍粗糙度一、普遍粗糙度1 1、米哈伊洛夫公式、米哈伊洛夫公式2-4 船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响1 1、米哈伊洛夫公式、米哈伊洛夫公式漆面平板漆面平板 随随Re变化阶段变化阶段frC原因：油漆突起处于层流底层，不影响原因：油漆突起处于层流底层，不影响界层流

12、态界层流态=frfCC1）水力光滑阶段）水力光滑阶段 Re较小，无粗糙度影响，即较小，无粗糙度影响，即2）过渡阶段）过渡阶段 Re增大，增大， , 并逐步增加。并逐步增加。frfCC原因：原因： Re增大，层流底层变薄，油漆突增大，层流底层变薄，油漆突起开始大于层流底层。起开始大于层流底层。3）完全粗糙阶段）完全粗糙阶段 Re增大到某一值，增大到某一值， 基本不随基本不随Re变化。变化。()ffrfCCC原因：油漆突起完全大于层流底层外，而进入原因：油漆突起完全大于层流底层外，而进入紊流区。紊流区。2-4 船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响1 1、米哈伊洛夫公式、米哈

13、伊洛夫公式0.72.580.4551 0.208 lg1.96lgRefrvkC1002000vk2、傅汝德公式傅汝德公式（很少用）（很少用）1.825f101.94fRS v0.2580.139210.0043 152.68fCt CL2-4 船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响二、局部粗糙度二、局部粗糙度1、焊接船局部粗糙度阻力增加约为：、焊接船局部粗糙度阻力增加约为：1.27%， 2、铆接船局部粗糙度阻力增加约为：、铆接船局部粗糙度阻力增加约为：16%。三、船体粗糙表面摩擦阻力计算三、船体粗糙表面摩擦阻力计算粗糙度补贴系粗糙度补贴系数数fC133105/0.641

14、0fsCkL100米左右的船米左右的船0.0004fC粗糙度补贴系数通常称为粗糙度补贴系数通常称为船模实船换算补贴船模实船换算补贴2-4 船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响四、污底四、污底锈、水生物（贝壳、海草）锈、水生物（贝壳、海草）阻力增加（新船阻力增加（新船下水下水6个月个月Ct 增加增加 10%）螺旋桨效率下降螺旋桨效率下降 1、真实污底：、真实污底： 较大，与时间成非线性关系较大，与时间成非线性关系 2、船体腐蚀：、船体腐蚀： 较小，与时间成线性关系较小，与时间成线性关系3、防治污底方法：防污漆；进入淡水区域、防治污底方法：防污漆；进入淡水区域2.5 减小摩

15、擦阻力方法减小摩擦阻力方法减阻的基础减阻的基础212ffRCv S一、减小湿面积一、减小湿面积 1、对低速船：、对低速船：/L3 取大；取大；L/B 取取小小2、减少不必要的附体或采用湿面积小的附体、减少不必要的附体或采用湿面积小的附体二、提高船体表面光滑度二、提高船体表面光滑度三、其他方法三、其他方法 边界层控制方法边界层控制方法 液体降阻剂液体降阻剂 充气减阻充气减阻 减少体船与水接触减少体船与水接触2.6 船体摩擦阻力的计算步骤船体摩擦阻力的计算步骤计算公式计算公式一、具体步骤一、具体步骤21()2fffRCCv S1）计算湿面积）计算湿面积S较精确方法：较精确方法： 根据型线图沿船长积

16、分根据型线图沿船长积分02 dwlLSlL横剖面型线半围长横剖面型线半围长l无须考虑纵向斜度修正。无须考虑纵向斜度修正。2.6 船体摩擦阻力的计算步骤船体摩擦阻力的计算步骤近似方法近似方法l荷兰瓦根宁船池归纳得一般民用船的湿面积公式荷兰瓦根宁船池归纳得一般民用船的湿面积公式11333.40.5bpSL l我国长江船型的湿面积为我国长江船型的湿面积为1.8wlbSLTC B近似公式近似公式系列资料图谱曲线系列资料图谱曲线SwlSCL,SmBCfCT桑地关系式桑地关系式2.6 船体摩擦阻力的计算步骤船体摩擦阻力的计算步骤2) 计算计算Re3) 计算摩擦阻力系数计算摩擦阻力系数Cf 平板平板 ，图表

17、，图表4) 决定粗糙度补贴系数决定粗糙度补贴系数 5) 计算船体摩擦阻力计算船体摩擦阻力30.4 10fC21()2fffRCCv S 20.075(lgRe 2)fC Re/wlVL2.6 船体摩擦阻力的计算步骤船体摩擦阻力的计算步骤 1.试解释船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响情试解释船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响情况并分析其机理况并分析其机理.2.船体边界层和平板边界层流动有何差异船体边界层和平板边界层流动有何差异?船体船体表面弯曲度对表面弯曲度对Rf的影响是怎样的的影响是怎样的?3. 减小摩擦阻力的方法减小摩擦阻力的方法4.已知某船长已知某船长80m，湿面积，湿面积650m2，航速，航速1

18、0节，节，今用缩尺比今用缩尺比=36的船模进行阻力试验，测得的船模进行阻力试验，测得模型总阻力为模型总阻力为12N。求：船模速度、实船和。求：船模速度、实船和船模相应船模相应Re和和Fr并换算实船阻力。并换算实船阻力。作业作业2-7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 一、船体粘压阻力产生原因一、船体粘压阻力产生原因 1、理想流体： A-C：减压区，V增加，P减小， C点V最大；压力最小 C-B：增压区，V减小，P增加；压力分布压力分布对称阻力对称阻力 为零为零2、粘性流体：粘性粘性边界层边界层流动改变流动改变A-CA-C：减压区，：减压区，V V增加，增加，P P减小减小；边界层内：粘

19、性阻滞作用 C点速度比理想流体中要小C-DC-D：增压区，粘性：增压区，粘性 + 正压力作用，正压力作用，V迅速下降迅速下降 （水质点动能在D点耗尽，无法到达B点）D-BD-B：增压区，：增压区，前后压力差使水回流，迫使边界层外移，边界层分离产生旋涡，船尾部压力下降，边界层分离产生旋涡，船尾部压力下降，如曲线II，形成首尾压力差形成首尾压力差产生粘压阻力。产生粘压阻力。 DD分离点分离点。2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 粘压阻力：粘压阻力：由粘性消耗水质点的动能形成首尾压力差而产生的阻力。 有些优良船型优良船型可能边界层并不发生分离但粘压阻力仍存在。 原因：边界层使尾部流线

20、排挤外移，流速比理想流体要原因：边界层使尾部流线排挤外移，流速比理想流体要大，压力下降，大，压力下降，如曲线如曲线IIIIII，仍然存在首尾压力差仍然存在首尾压力差同样有粘压阻力同样有粘压阻力。 此时粘压阻力，比边界层分离所引此时粘压阻力，比边界层分离所引起的粘压阻力要小。起的粘压阻力要小。2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 二、粘压阻力特性二、粘压阻力特性 物体形状（形状阻力）、边界层内流动状态1、粘压阻力与后体形状的关系 （1）粘压阻力 粘性 + 纵向压力梯度 2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性（2）后体收缩缓和，沿曲面流速变化缓慢，纵向压力梯后体收缩缓和，

21、沿曲面流速变化缓慢，纵向压力梯度小，可推迟或避免分离，粘压阻力比较小度小，可推迟或避免分离，粘压阻力比较小（3）后体收缩急剧，沿曲面流速变化大，纵向压力梯度大，界层分离严重，粘压阻力大（4）Baker经验： 后体长度Lr（去流段长度去流段长度）：）： 后体收缩要缓和，船尾水线与中线夹角随设计航速的后体收缩要缓和，船尾水线与中线夹角随设计航速的增加而减小增加而减小 低速船低速船2020，高速船，高速船16164.08rmLA2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 2 2、前体形状对粘压阻力的影响、前体形状对粘压阻力的影响（1）前体过于肥短，流线扩张很大，最大剖面处速度很高，压力降的很

22、低，使后体正压力梯度增加，粘压阻力增加（2）丰满船型（肥大船型）船首舭部产生外旋的舭涡舭涡，在船尾舭部产生内旋的舭涡。 舭涡舭涡 船首底部形成底压区船首底部形成底压区 粘压阻力粘压阻力+ +埋首埋首2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 （3）球鼻： 首部舭侧水流趋向水平流动减少或消除船首底部旋涡同时减小埋首和下沉现象阻力性能改善。2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性 3 3、界层内流动状态对粘性阻力的影响、界层内流动状态对粘性阻力的影响（1）层流边界层比紊流边界层易分离，分离点靠前，分离区大，粘压阻力大。（2）流态不变时，Cpv值基本Re无关，主要取决与物体形状（3

23、）Re超过临界雷诺数，Cpv近似为常数。三、降低粘压阻力的船型要求三、降低粘压阻力的船型要求1、 ； 肥大型船 ； 后体收缩要缓和，船尾水线与中线夹角随设计航速的增加而减小2、避免船体曲度过大，注意前后肩3、肥大型船前体线型，可考虑采用球鼻首，减小舭涡。4.08rmLA2.5rmLA2. 7 粘压阻力的成因与特性粘压阻力的成因与特性2.8 2.8 船体粘压阻力处理方法船体粘压阻力处理方法 一、傅汝德换算法一、傅汝德换算法 1、基本思想： 低速时粘压阻力系数为常数推广至实船； 同型船粘压阻力系数不随Re变化； 实船和船模的粘压阻力系数相同，Cpvm=Cpvs。2 2、证明：、证明：实船实船 船模

24、船模 速度相应速度相应: :同型船：同型船： tmfmpvmwmCCCCtsfspvswsCCCCrsrmFFrsrmCCpvmpvsCCrspvswsCCCtsfsrsfsrmfstmfmtmfmfsCCCCCCCCCCCpvmwmrmCCC2.8 船体粘压阻力处理方法船体粘压阻力处理方法3 3、该方法处理的、该方法处理的粘压阻力粘压阻力实际包括：实际包括： 粘压阻力、低速时极小兴波阻力、船体弯曲表面引起的粘压阻力、低速时极小兴波阻力、船体弯曲表面引起的摩擦阻力增加摩擦阻力增加。4 4、 合并并适用比较定律 基本符合工程实际基本符合工程实际 原因原因：船型优良粘压阻力所占比例小 并入兴波阻力

25、差小 船型差 粘压阻力所占比例大（界层分离） 粘压阻力系数近似为常数 作为剩余阻力误差小pvwrCCC2.8 船体粘压阻力处理方法船体粘压阻力处理方法5 5、问题问题 大型船舶应用傅汝德换算，阻力偏高 办法：粗糙度补贴系数Cf取负值。 理论上不通。 二、三因次换算二、三因次换算 1、内容： 粘压阻力系数与摩擦阻力系数之比为一常数k k-形状因子 Ctm、（1+k）实验确定(1)vpvffCCCk C(1)tmfmwmCk CC(1)tsfswsfCk CCC(1)()tstmfmfsfCCk CCC 2.8 船体粘压阻力处理方法船体粘压阻力处理方法 2 2、三因次换算法与傅汝德换算法的比较三因次换算法与傅汝德换算法的比较（1）傅汝德换算法 平板 二因次流动 三因次换算法 形状因子 三因次流动（2）傅： Fr 三： Re（3）傅：粘压阻力、低速时极小兴波阻力、船体弯曲表面引起的摩擦阻力增加。 适用比较定律 三：兴波阻力 适用比较定律pvfvCCCpvwrCCC2.8 船体粘压阻力处理方法船体粘压阻力处理方法 3 3、形状因子（1+k）的确定（1）低速船模试验法 极低