船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择

1、第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思总体设计方案构思的任务：总体设计方案构思的任务： 船型特征和总布置设想；船型特征和总布置设想； 考虑和初步选择主尺度；考虑和初步选择主尺度； 主要技术性能的估算与分析；主要技术性能的估算与分析； 其他重要方面的考虑（如船舶的主要装备、法规和规范的要求等）。其他重要方面的考虑（如船舶的主要装备、法规和规范的要求等）。总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容：总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容： 分析各项设计要求，明确设计任务；分析各项设计要求，明确设计任务； 分析同类型船的资料，采用适当的估算

2、方法和各种可用的技术手分析同类型船的资料，采用适当的估算方法和各种可用的技术手段，设立一个初步的新船总体设计方案，分析和确定各个设计参段，设立一个初步的新船总体设计方案，分析和确定各个设计参数可能的选择范围，研究新船设计中可能存在的主要矛盾；数可能的选择范围，研究新船设计中可能存在的主要矛盾； 分析新船的主要技术性能和经济性指标，考虑所要采取的主要措分析新船的主要技术性能和经济性指标，考虑所要采取的主要措施以及进一步开展设计工作的设想。施以及进一步开展设计工作的设想。第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思散货船船型特征散货船船型特征:散货

3、船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为1313万吨万吨17.517.5万万吨（好望角型），吨（好望角型），6 68 8万吨级为巴拿马型（型宽限制约为万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m32.2m），），4 45 5万吨级的称为灵便型。万吨级的称为灵便型。散货船一般都是低速船，所以船体都比较

4、丰满，大多为单桨推进，散货船一般都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。能兼顾压载航行工况的球首。 第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思散货船图片：散货船图片：第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思75000t散货船总布置图：散货船总布置图：第 七 货 舱 口第 六 货 舱 口第 五 货 舱 口第 三 货 舱 口第 四 货 舱

5、 口第 二 货 舱 口第 一 货 舱 口主 要 要 素总 长垂 线 间 长型 深型 宽结 构 吃 水设 计 吃 水A 甲 板 至 B 甲 板上 甲 板 至 A 甲 板上 甲 板 至 首 楼 甲 板甲 板 层 高载 重 量C 甲 板 至 驾 驶 甲 板B 甲 板 至 C 甲 板驾 驶 甲 板 至 罗 经 甲 板主 机 型 号最 大 持 续 功 率常 用 功 率船 员 人 数航 速1 : 2 0 00 3 . 30 3 . 30 3 . 3第 五 货 舱第 四 货 舱第 三 货 舱第 一 货 舱第 二 货 舱机 舱淡 水 舱舱 底 水 舱蒸 馏 水 舱N O . 4 燃 油 舱 （ 左 ）7 5

6、0 0 0 D W T O B C ( P A N A M A X )7 5 0 0 0 D W T 优 选 型 散 货 船D a t e日 期R e v i e w e d审 核A p p r o v e d审 定R e w . S h . N o修 改 单 号D e s i g n e dC h e c k e dS t a n . R e vQ t y数 量M a r k校 对设 计标 检标 记S i g n签 字S h e e t s渤 海 船 舶 重 工 有 限 责 任 公 司B O H A I S H I P B U I L D I N GH E A V Y I N D U S T

7、 R Y C O . L T D第 1 页P R E L I M I N A R Y D E S I G N初 步 （ 扩 大 ） 设 计共 2 页T o t a l s h e e t s重 量W e i g h tS c a l e比 例总 布 置 图顾 敏 童裘 泳 铭顾 敏 童首 尖 舱帆 缆 间木 工 间油 漆 间锚 链 舱第 六 货 舱第 七 货 舱第 四 顶 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 三 顶 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 二 顶 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 一 顶 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 四 双 层 底 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 三 双 层 底

8、 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 二 双 层 底 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 一 双 层 底 压 载 舱 （ 左 、 右 ）第 七 侧 移 式 货 舱 盖第 六 侧 移 式 货 舱 盖第 四 侧 移 式 货 舱 盖第 五 侧 移 式 货 舱 盖第 一 侧 移 式 货 舱 盖第 二 侧 移 式 货 舱 盖第 三 侧 移 式 货 舱 盖上 甲 板货 舱A 甲 板B 甲 板C 甲 板D 甲 板驾 驶 甲 板罗 经 甲 板应 急消 防 泵 室尾 尖 舱冷 却水 舱第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择第五章第五章 方案构思与

9、主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思散货船总布置特征散货船总布置特征:现代散货船都采用尾机型，这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于现代散货船都采用尾机型，这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。首尖舱的长度约机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。首尖舱的长度约0.050.050.07LPP0.07LPP，尾尖舱的长度约，尾尖舱的长度约0.0350.0350.045LPP0.04

10、5LPP。散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱。这种货舱形状的好处是：减散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。运输矿砂的散货船因矿砂密度行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。运输矿砂的散货船因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重大，所需舱容小

11、，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。心过低，初稳性过高，横摇周期过短。 散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。尾。甲板室的层数和高度根据所需的

12、布置地位以及驾驶盲区的要求确定。 第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思集装箱船船型特征集装箱船船型特征:集装箱船的大小通常以集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说）数量来表示。一般来说载箱数超过载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。巴拿以下的为小型船。巴拿马型集装箱船的载箱数在马型集装箱船的载箱数在2500TEU4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都，超巴拿马型的集装箱船都在在4000TEU以上。以上。国内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为国

13、内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为4250TEU，超巴拿马，超巴拿马型的为型的为8530TEU。第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思集装箱船布置特征集装箱船布置特征: 集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中

14、尾机型船的机舱长度相对可减小。度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。 集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在形成箱形抗扭结构。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以层以上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖因每块盖板的重量要上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、

15、布置和支撑形控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。式与货舱的设计也有密切关系。 第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思集装箱船布置特征集装箱船布置特征: 集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长，过巴拿马运河时倍

16、船长，过巴拿马运河时盲区另有规定。盲区另有规定。 大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。有些船将起重机布置在舷侧。 集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷

17、双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50压载水，用作压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5，以免集装，以免集装箱被导轨卡住。箱被导轨卡住。 第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思4250TEU集装箱船总布置图集装箱船总布置图:第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计

18、方案构思5.1.2 主尺度的初步考虑主尺度的初步考虑方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围可以用绝对尺度的形式表示，也可以用主尺度比的形式给出，如可以用绝对尺度的形式表示，也可以用主尺度比的形式给出，如L/B、B/d、L/D等。确定一个主尺度取值范围可以减少主尺度选择中的盲目性。等。确定一个主尺度取值范围可以减少主尺度选择中的盲目性。船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数。主尺度对船舶的运船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数。主尺度对船舶的运载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地

19、选载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地选择和确定主尺度是船舶总体设计中最基本最重要的工作之一，也是开展各择和确定主尺度是船舶总体设计中最基本最重要的工作之一，也是开展各项具体设计工作的基础。因此，在新船设计初始阶段的总体设计方案构思项具体设计工作的基础。因此，在新船设计初始阶段的总体设计方案构思中，主尺度的选择是首先要考虑的问题。中，主尺度的选择是首先要考虑的问题。考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法、统计方法和经验公式。考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法、统计方法和经验公式。需要强调的是：尺度比参数比绝对尺度更能发映与船舶性能、强度之需要强调的是：尺度比参数比绝对

20、尺度更能发映与船舶性能、强度之间的规律性关系。实践表明，主尺度在适宜的尺度比范围内选择，可以有间的规律性关系。实践表明，主尺度在适宜的尺度比范围内选择，可以有效地控制船舶的一些基本性能。效地控制船舶的一些基本性能。第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析主要技术性能有：浮性、快速性、完整稳性、分舱与破舱稳性、耐波主要技术性能有：浮性、快速性、完整稳性、分舱与破舱稳性、耐波性、操纵性、以及船体的强度和振动等。船舶的技术性能关系到使用、安性、操纵性、以及船体的强度和振动等。船舶的技术性能关系到使用

21、、安全和经济性。技术性能的指标必须与船舶的经济性联系起来考虑，它们之全和经济性。技术性能的指标必须与船舶的经济性联系起来考虑，它们之间存在的各种矛盾，需要设计者去权衡。考虑船舶的技术性能，必须清楚：间存在的各种矛盾，需要设计者去权衡。考虑船舶的技术性能，必须清楚：哪些性能是要必须保证的，哪些是要力求提高的，哪些是要兼顾的。在总哪些性能是要必须保证的，哪些是要力求提高的，哪些是要兼顾的。在总体设计方案构思中，必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律。体设计方案构思中，必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律。本节针对船舶的快速性、稳性、耐波性和操纵性作一分析与讨论。本节针对船舶的快速性、稳性、耐波性和操

22、纵性作一分析与讨论。第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思（一）（一） 快速性快速性船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分。船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分。研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达到给定的航速要求；或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。到给定的航速要求；或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计所追求的目标。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计所追求的目标。 从阻力方面看，船舶的总阻力从阻力方面看

23、，船舶的总阻力 R 取决于排水量、航速、棱形系数（或者方取决于排水量、航速、棱形系数（或者方形系数）、尺度比（形系数）、尺度比（L/B、L/d、 L / ）、船体型线等因素。）、船体型线等因素。 从推进效率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这从推进效率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大、涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大、转速越高、桨的直径越小、航速越低，螺旋桨效率也就越低。转速越高、桨的直径越小、航速越低，螺旋桨效率也就越低。 从设计的角度来说，解决快速性的问题

24、主要是选择合适的主尺度，优化船从设计的角度来说，解决快速性的问题主要是选择合适的主尺度，优化船体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊技术措施。技术措施。 影响快速性的因素影响快速性的因素:5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力水阻力空气阻力静水阻力汹涛阻力裸体阻力附体阻力附加阻力静水总阻力RT水压阻力RP摩擦阻力RF兴波阻力RW粘压阻力RPV粘性阻力RVTWVRRR

25、船舶阻力的组成：船舶阻力的组成： 船舶阻力的分类：船舶阻力的分类：VPVFRRR因此：因此：其中：其中：5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能SNvFgLSNv LR 傅汝德数定义：傅汝德数定义：vs速度（速度（m/s); m/s); g重力加速度（重力加速度（m/s )； Lm（船长）（船长）（船速（船速Vs通常用节表示：通常用节表示：kn，1节节0.5144m/s） 雷诺数定义：雷诺数定义：vs速度（速度（m/s);m/s);水的运动粘性系数（水的运动粘性系数

26、（m /s )，与水的温度有关，温度越高，与水的温度有关，温度越高，越小；越小； Lm（船长）（船长）5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能62cosWmLRABv兴波阻力特性兴波阻力特性（1） 根据兴波阻力理论分析，可得：根据兴波阻力理论分析，可得：422cos12WWRmLvCCDgLv S或或式中：式中：A、B、C、D是常数；是常数；是波长；是波长； m是系数，是系数，mL称为兴波长度；称为兴波长度；S是船的湿表面积。是船的湿表面积。上式表明，兴波阻力上式表

27、明，兴波阻力RW是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的“自然兴波阻力自然兴波阻力”；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（兴波阻力特性）0.5,1.5,2.5mL2cosmL（2） 兴波阻力曲线兴波阻力曲线由于由于是在是在+1.0-1.0之间变动，因此之间变动，因此CW曲线存在凸起和凹陷的现象，也称曲线存在凸

28、起和凹陷的现象，也称为兴波阻力的为兴波阻力的“峰峰”和和“谷谷”。当当时出现时出现“凸起凸起”，即此时首尾横波，即此时首尾横波产生了不利的干扰。产生了不利的干扰。当当1,2,3mL时出现时出现“凹陷凹陷”，即此时首尾横波，即此时首尾横波产生了有利的干扰。产生了有利的干扰。Cwv兴波阻力系数曲线gLFN=gLv （ ）45.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（兴波阻力特性）（3）兴波干扰）兴波干扰兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总

29、阻力的比兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总阻力的比例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为3050。对中、高速。对中、高速船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力，特别是高速船。船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力，特别是高速船。兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分阻力的大小取决于兴波长度阻力的大小取决于兴波长度mL，而，而 mL= f ( L,，Cp )。因此，干扰作用主。因此，干扰作用主要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，

30、合理选择船要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，合理选择船长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。艾亚根据船模和实船试验结果，分析得到的不同艾亚根据船模和实船试验结果，分析得到的不同FN与波阻与波阻“峰峰”及及“谷谷”的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。F FN N0.2000.2000.2140.2140.2320.2320.2560.2560.2830.2830.3420.342峰、谷峰、谷峰点峰点谷点谷点峰点峰点谷点谷点峰点峰点谷点谷点5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第

31、五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能摩擦阻力：摩擦阻力：vy流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的。流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的。边界层是指粘性流体以速度边界层是指粘性流体以速度v 流经平板时，在平板表面的速度为零，在距流经平板时，在平板表面的速度为零，在距离平板一定范围后，流体速度为离平板一定范围后，流体速度为v 。此范围称为边界层，边界层的厚薄还与流。此范围称为边界层，边界层的厚薄还与流经平板的长度有关，当流过平板一定长度后，边界层的厚薄不再变化。经平板的长度有关，当流过平板一定长度后，边界层的厚薄不再变

32、化。对于粘性较小的流体（如水）流过平板时，粘性对流动的影响仅发生在很对于粘性较小的流体（如水）流过平板时，粘性对流动的影响仅发生在很薄的一层流体内，即边界层厚度极小，但速度变化率很大。薄的一层流体内，即边界层厚度极小，但速度变化率很大。FSRds摩擦阻力为：摩擦阻力为：根据摩擦定理：根据摩擦定理：5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能 (摩擦阻力摩擦阻力)212FFRCv S()FNCf R摩擦阻力的计算摩擦阻力的计算:摩擦阻力为：摩擦阻力为：式中：式中：对于光板

33、的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式，即对于光板的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式，即对应的雷诺数对应的雷诺数RN 范围为范围为（3.55.0）10 。但一般船舶的雷诺。但一般船舶的雷诺数在数在410 RN 310 ，其对应的流动状态是紊流边界层。，其对应的流动状态是紊流边界层。569船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式。船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式。目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是1957 ITTC公式公式（1957年国际船模试验池会议公式）：年国际船模试验池会议公式）：20.0

34、75(lg2)FNCR5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能 (摩擦阻力摩擦阻力)摩擦阻力的计算摩擦阻力的计算:对于摩擦阻力计算中采用对于摩擦阻力计算中采用“相当平板相当平板”的假定，忽略了实际船体的弯的假定，忽略了实际船体的弯曲和粗糙，会有误差。但研究结果表面，船体弯曲度对摩擦阻力的影响并曲和粗糙，会有误差。但研究结果表面，船体弯曲度对摩擦阻力的影响并不显著，试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力其效果是不大的。不显著，试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力

35、其效果是不大的。同时，至今尚无公认的对形状效应的修正办法，因此一般不作修正。对于同时，至今尚无公认的对形状效应的修正办法，因此一般不作修正。对于实际船体表面的粗糙度问题，有过一些研究和经验公式，但应用并不广泛。实际船体表面的粗糙度问题，有过一些研究和经验公式，但应用并不广泛。实际计算中对此的考虑，是在光滑平板摩擦阻力系数实际计算中对此的考虑，是在光滑平板摩擦阻力系数CF上加上一个与雷诺上加上一个与雷诺数无关粗糙度补贴系数数无关粗糙度补贴系数CF，即，即21()2FFFRCCv S我国一般取我国一般取CF0.0004，但对大船通常取更小的值。，但对大船通常取更小的值。5.1.3 主要技术性能的分

36、析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能 (摩擦阻力摩擦阻力)减小摩擦阻力一些措施减小摩擦阻力一些措施:在一定的航速下，摩擦阻力与船的湿表面积，水的运动粘性在一定的航速下，摩擦阻力与船的湿表面积，水的运动粘性系数和船体表面的粗糙度有关。虽然，对于一定排水量的船，系数和船体表面的粗糙度有关。虽然，对于一定排水量的船，较小的较小的 L/B 和和 B/d 值可减小湿表面积，但这些尺度比的选择通常值可减小湿表面积，但这些尺度比的选择通常还有更重要的因素要考虑，因此，一般来说，减小湿表面积的还有更重要的

37、因素要考虑，因此，一般来说，减小湿表面积的措施是不大可行的。措施是不大可行的。一种大胆的措施是改变运动粘性系数，例如在船体表面喷注一种大胆的措施是改变运动粘性系数，例如在船体表面喷注稀释的聚合物溶液、设置空气薄膜装置等。稀释的聚合物溶液、设置空气薄膜装置等。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能粘压阻力：粘压阻力：在理想流体中不存在粘压在理想流体中不存在粘压阻力。在有粘性的流体中，由阻力。在有粘性的流体中，由于粘性和压力差影响到边界层于粘性和压力差影响到边界层内的

38、水质点运动，从能量观点内的水质点运动，从能量观点看，船尾形成的漩涡消耗了能看，船尾形成的漩涡消耗了能量。因此粘压阻力与船的形状量。因此粘压阻力与船的形状有关。有关。粘压阻力主要发生在船体水粘压阻力主要发生在船体水下形状发生突变的地方。对于下形状发生突变的地方。对于丰满度较小的船，主要发生在丰满度较小的船，主要发生在船尾；对丰满度较大的船，船船尾；对丰满度较大的船，船首肩部（型线发生突变处）也首肩部（型线发生突变处）也会产生严重的舭涡，因此型线会产生严重的舭涡，因此型线设计中对此应加以仔细考虑。设计中对此应加以仔细考虑。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺

39、度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能（粘压阻力）（粘压阻力）(1)TFPVWFWRRRRRkRPVFCkC1VFCkC在船模试验换算实船阻力中，为考虑粘压阻力，较多采用的是在船模试验换算实船阻力中，为考虑粘压阻力，较多采用的是“三因次换算法三因次换算法”。它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数。它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数k，即：，即：(1)TmFmWmCCkC或或船模的总阻力系数表达为：船模的总阻力系数表达为：实船的总阻表达为：实船的总阻表达为：数值（数值（1+k）称为形状因子）称为形状因子形状因子（形状因子（1+k）数值的确定

40、是通过试验方法测得，有一定的难度。）数值的确定是通过试验方法测得，有一定的难度。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能破波阻力：破波阻力：破波阻力的发现是在破波阻力的发现是在60年代末。对船首丰满，年代末。对船首丰满，B/d 较大，航速又较高的较大，航速又较高的船破波阻力是不可忽视的船破波阻力是不可忽视的阻力成分，对于型线瘦削阻力成分，对于型线瘦削的船型则可忽略不计。的船型则可忽略不计。破波阻力可通过船模破波阻力可通过船模试验测量得到。试验测量得到。5.1.3 主

41、要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能求解船舶阻力的方法：求解船舶阻力的方法： 船模试验方法：船模试验方法：用小尺度的船模，在拖曳水池中试验，应用相似定律将阻力换算到实船。用小尺度的船模，在拖曳水池中试验，应用相似定律将阻力换算到实船。 经验估算方法：经验估算方法：根据经验公式和统计公式或母型船的试验资料进行估算。根据经验公式和统计公式或母型船的试验资料进行估算。 理论计算方法：理论计算方法：根据流体力学理论直接计算，例如根据流体力学理论直接计算，例如Shipflow 软件。软

42、件。目前，理论方法对兴波阻力的计算已有一些接近成功的算例。目前，理论方法对兴波阻力的计算已有一些接近成功的算例。对于粘性阻力的计算尚在研究中。对于粘性阻力的计算尚在研究中。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：船舶阻力的估算方法： 海军系数法海军系数法 母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法2/33EVCP式中：式中：排水量（排水量（t）；）； V航速（航速（kn）；）； PE有效功率（有效功率（kw）。）。 在推进效率相当的情况下，海军系数法也

43、可以用于主机功在推进效率相当的情况下，海军系数法也可以用于主机功率率PD 的估算。的估算。 5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法 按排水量的引伸比较法按排水量的引伸比较法 当两船水下形状相近时，可用母型船有效功率曲线（当两船水下形状相近时，可用母型船有效功率曲线（PEoVo曲线）曲线）上相应速度处的上相应速度处的PEo按排水量换算新船的有效功率按排水量换算新船的有效功率PE，如假定推进效

44、率，如假定推进效率也相当，则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率。具体方法是：也相当，则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率。具体方法是：首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点：首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点： 6/1)/(OOVV根据根据VO在母型船的在母型船的PEOVO曲线上查得曲线上查得PEO后，则新船的有效功率后，则新船的有效功率PE为：为： 6/7)/(OEOEPP如假定两船推进效率相等（如假定两船推进效率相等（PEO / PO= PE /P），则），则 )/(EOOEPPPP 5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章

45、方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法 统计公式统计公式 例如：适用于中小型船舶的回归多项式估算公式例如：适用于中小型船舶的回归多项式估算公式01033. 0205. 041631. 006644. 022589. 017273. 0)736. 0/(42. 2NPCdBLVBpp式中：式中：P螺旋桨收到功率（螺旋桨收到功率（kW）；）； N螺旋桨转速（螺旋桨转速（r/min） 5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与

46、主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法比较详细的估算方法 比较详细的估算方法，常用的是采用相近的船模试比较详细的估算方法，常用的是采用相近的船模试验资料来估算新船的阻力。相近的船模试验资料主要有两验资料来估算新船的阻力。相近的船模试验资料主要有两种，一种是相近的母型船船模试验资料，另一种是相近的种，一种是相近的母型船船模试验资料，另一种是相近的系列船模试验资料。系列船模试验资料。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选

47、择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法比较详细的估算方法 应用系列船模试验资料估算阻力应用系列船模试验资料估算阻力 85. 06 . 0/LV系列名称系列名称适用范围适用范围计算结果计算结果扩展的泰勒系列扩展的泰勒系列Cp=0.50.8适用于双桨高速瘦削船型适用于双桨高速瘦削船型裸船体有效功率，计算的阻力一裸船体有效功率，计算的阻力一般偏低般偏低60系列系列CB=0.60.8适用于尺度较大，航速较高的适用于尺度较大，航速较高的单桨商船，首、尾横剖面呈单桨商船，首、尾横剖面呈U型型裸船体有效功率，计算的阻力

48、值裸船体有效功率，计算的阻力值略低略低BSRA系列系列CB=0.550.85适用于适用于 的中速的中速单桨海船，尾横剖面呈单桨海船，尾横剖面呈U型型裸船体有效功率，计算的数值略裸船体有效功率，计算的数值略低于实船低于实船SSPA系列系列CB=0.5250.75适用于中、高速单桨中小型运适用于中、高速单桨中小型运输船，首横剖面呈输船，首横剖面呈V形，低速形，低速船呈船呈U形形裸船体有效功率，对船长大于裸船体有效功率，对船长大于150m的船，其数值略高的船，其数值略高日本肥大型船系列日本肥大型船系列（CB=0.780.84）适用于低速肥大型船，横剖面适用于低速肥大型船，横剖面呈呈U形形裸船体有效功

49、率，数值比裸船体有效功率，数值比60系列系列略高略高浅吃水肥大型船系列浅吃水肥大型船系列（CB=0.790.85）适用于低速单桨浅吃水运输船，适用于低速单桨浅吃水运输船，有球首和球尾，含不同装载情有球首和球尾，含不同装载情况况裸船体有效功率裸船体有效功率5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶的阻力性能方案构思中对减少船舶阻力的一些考虑：方案构思中对减少船舶阻力的一些考虑：（1）在选择船长时，注意避免兴波阻力位于）在选择船长时，注意避免兴波阻力位于“峰峰”的区域。的区域。在无

50、法避免时，适当取较小的棱形系数，船型系数中棱形系数对在无法避免时，适当取较小的棱形系数，船型系数中棱形系数对兴波阻力影响重大。兴波阻力影响重大。（2）选择较大的）选择较大的 L/B 和和 L/ ，较小的，较小的 B/d 对降低兴波阻力和对降低兴波阻力和粘压阻力有利。但尺度比选择的考虑因素还很多，必须统筹兼顾，粘压阻力有利。但尺度比选择的考虑因素还很多，必须统筹兼顾，特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的。特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的。1/3（3）在一定的主尺度和船型系数下，船体型线设计是否优秀，）在一定的主尺度和船型系数下，船体型线设计是否优秀，对阻力性能仍有较大

51、的影响，必须仔细优化。例如：浮心纵向位置对阻力性能仍有较大的影响，必须仔细优化。例如：浮心纵向位置适当后移，削瘦首部型线，以便减小兴波阻力；设置减阻的球首等。适当后移，削瘦首部型线，以便减小兴波阻力；设置减阻的球首等。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能船舶推进的几种方式船舶推进的几种方式： 螺旋桨推进，包括：螺旋桨推进，包括：普通螺旋桨普通螺旋桨导管螺旋桨导管螺旋桨可调距螺旋桨可调距螺旋桨对转螺旋桨对转螺旋桨串列螺旋桨等串列螺旋桨等 风帆风帆 明轮明轮 直叶推

52、进器直叶推进器 喷水推进器喷水推进器5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能螺旋桨的参数螺旋桨的参数：(1) 螺旋桨直径螺旋桨直径D、叶数、叶数Z(2) 盘面比（伸张面或展开面与盘面积比）：盘面比（伸张面或展开面与盘面积比）：AE/A0(3) 螺距比：螺距比：P/D(4) 叶切面形状特征叶切面形状特征直 径 D梢 圆旋 向导 边随 边叶 根叶 根侧 投 影 轮 廓叶 厚 分 布 线桨 毂毂 帽d5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与

53、主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能DSSPPEDDPPEDDSDSPPP CPP船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成：船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成：（1）传递效率）传递效率s 它是指主机发出的功率它是指主机发出的功率 PS 与螺旋桨收到的功率与螺旋桨收到的功率 PD 之比。这中间包括之比。这中间包括轴系中的轴承效率、尾轴填料函、减速齿轮箱效率等。一般轴系效率约为轴系中的轴承效率、尾轴填料函、减速齿轮箱效率等。一般轴系效率约为0.98，齿轮箱效率约为，齿轮箱效率约为0.960.98。（2）推进效率）推进效率D （

54、也称为准推进效率或拟是推进效率（也称为准推进效率或拟是推进效率QPC） 它是指螺旋桨收到功率它是指螺旋桨收到功率 PD 与有效功率与有效功率 PE 之比。之比。有效功率有效功率 PE 与主机发出功率之比称为推进系数：与主机发出功率之比称为推进系数： 5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能02TQKJK025QQKn D（3）螺旋桨敞水效率）螺旋桨敞水效率 螺旋桨敞水螺旋桨敞水 效率效率 是指单独螺旋桨在水中工作的效率。螺旋桨吸收转矩是指单独螺旋桨在水中工作的效率。

55、螺旋桨吸收转矩Q，发出推力，发出推力T。转矩的无因次系数（转矩系数）。转矩的无因次系数（转矩系数）KQ 和推力的无因次系数和推力的无因次系数KT 分别为分别为 ： 24TTKn DAVJnD式中：式中： D螺旋桨直径；螺旋桨直径； n转速；转速； 水的质量密度。水的质量密度。螺旋桨敞水效率螺旋桨敞水效率: 式中式中J 为进速系数：为进速系数：VA螺旋桨进速。螺旋桨进速。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能vwVR（4）船身效率）船身效率 和相对旋转效率和相对旋转

56、效率 在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同，首先，船尾处由于在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同，首先，船尾处由于伴流的影响的，水流速度不同于船速伴流的影响的，水流速度不同于船速V，而且伴流是不均匀的；其次，由于螺旋，而且伴流是不均匀的；其次，由于螺旋桨工作时的抽吸作用，导致船尾压力下降，使得船体阻力增加。这些称之为螺旋桨工作时的抽吸作用，导致船尾压力下降，使得船体阻力增加。这些称之为螺旋桨与船体间的相互作用。桨与船体间的相互作用。AVVv产生伴流的原因有形势伴流、摩擦伴流和波浪伴流。在螺旋桨盘面各点的产生伴流的原因有形势伴流、摩擦伴流和波浪伴流。在螺旋桨盘面各点的伴流

57、速度大小和方向各不相同。取盘面处伴流的平均轴向速度为伴流速度大小和方向各不相同。取盘面处伴流的平均轴向速度为 v （也称为平（也称为平均实效伴流速度）均实效伴流速度），则螺旋桨与该处水流的相当速度（则螺旋桨与该处水流的相当速度（ VA ）为：）为：定义伴流分数定义伴流分数w ：若已知伴流分数，则螺旋桨的进速为：若已知伴流分数，则螺旋桨的进速为：h(1)AVw V5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能TTR螺旋桨对船体阻力的影响螺旋桨对船体阻力的影响推力减额分数推力

58、减额分数由于螺旋桨工作导致阻力的增加为由于螺旋桨工作导致阻力的增加为R，则相对的螺旋桨发出的推力，则相对的螺旋桨发出的推力也要由也要由T再增加一个再增加一个T，称，称 T 为推力减额，即：为推力减额，即：TTRtTT定义推力减额分数：定义推力减额分数：由此得船体阻力由此得船体阻力 R 与螺旋桨推力与螺旋桨推力T 之间得关系有之间得关系有 ：推力减额与伴流之间有密切的关系。螺旋桨在一般工作情况下，推力减推力减额与伴流之间有密切的关系。螺旋桨在一般工作情况下，推力减额分数额分数 t 伴流分数伴流分数 w 。(1)RTt5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方案构思与主尺度选

59、择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思船舶的推进性能船舶的推进性能h船身效率船身效率船的有效功率船的有效功率 PE 螺旋桨推进功率螺旋桨推进功率 PT 之比称为船身效率：之比称为船身效率：11EhTAPRVtPTVw船模在桨盘处的各点水流速度可以测量，从而可得到桨盘各半船模在桨盘处的各点水流速度可以测量，从而可得到桨盘各半径处的伴流情况，包括伴流的不均匀程度以及平均伴流分数。径处的伴流情况，包括伴流的不均匀程度以及平均伴流分数。伴流分数和推力减额的估算公式（详见教材）伴流分数和推力减额的估算公式（详见教材）5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能的分析第五章第五章 方

60、案构思与主尺度选择方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思R船舶的推进性能船舶的推进性能伴流不均匀性的影响（相对旋转效率伴流不均匀性的影响（相对旋转效率 ）由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等，即伴流不均匀，使船由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等，即伴流不均匀，使船后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同。考虑到目前使用的是等后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同。考虑到目前使用的是等推力测量法，因此用相当旋转效率推力测量法，因此用相当旋转效率 来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的差异。差异。相当旋转效率可通过试验获得。对普通单桨船的