浅水阻力解析课件

1、第八章 船在限制航道中的阻力 第八章 船在限制航道中的阻力 8-1 浅水对阻力的影响 一、浅水对流场及粘性阻力的影响 粘性阻力主要是由船体周围的流场决定的。浅水所引起的流场变化，主要反映在船体周围，特别是船底的流速增大，致使粘性阻力增大；同时由流场变化导致船的航态变化使粘性阻力进一步增大。 8-1 浅水对阻力的影响 一、浅水对流场及粘性阻力1回流速度增大 由于浅水对流场影响使回流速度增大的现象称为浅水阻塞效应。 作用参数有: h/d 或 /h 图 8-1 浅水中的流动状态比较 (a)深水理想流体情况； (b)浅水理想流体情况； (c)浅水中实际的流体情况。1回流速度增大 由于浅水对流场影响使回

2、流速度增大的2航态变化 (1) 由于船底流速增加，压力降低，从而 使船体下沉，吃水增加； (2) 由于船底和河床边界层厚度均自船首 向船尾逐渐增加，因而船尾与河床的 间隙较船首处为小，流速增加更大， 压力下降更甚，船尾下沉较船首大， 因而产生尾倾现象。 2航态变化 (1) 由于船底流速增加，压力降低，从而3对粘性阻力的影响 首先由于浅水船周围的流速比深水船为大，且其舷侧湿面积因船体下沉而有所增加，所以必然使摩擦阻力增大。 其次，因浅水中回流增加，即水流与船体的相对速度有明显的增大，压力下降亦大，所以压力梯度增大；同时船尾与河床的间隙小，易于产生旋涡，粘压阻力随之增加。3对粘性阻力的影响 首先由

3、于浅水船周围的流速比深二、浅水对兴波及兴波阻力的影响 浅水中的兴波情况不但取决于水深参数L/h，而且与速度参数Fr有关。 = Fr 1浅水引起波浪参数的改变 首先，浅水中波浪的波高比深水波要大 。二、浅水对兴波及兴波阻力的影响 浅水中的兴波情况其次，浅水波的波速将随着水深h而变化。 浅水波理论，又称为椭圆坦谷波理论，由该理论可知，浅水中的波速是： 浅水中的波速与深水中波长相同的波速的差别仅取决于双曲函数 的数值。其次，浅水波的波速将随着水深h而变化。 浅水波理函数的名称 函数的表达式 函数的图形 函数的性质 双曲正弦 a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：在定义域内是单调增； 双

4、曲余弦 a)：其定义域为:(-,+)；b)：是偶函数；c)：其图像过点(0,1)； 双曲正切 a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：其图形夹在水平直线 y=1及y=-1之间； 在定域内单调增； a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)： 该双曲函数曲线如图8-3所示。根据该曲线性质，讨论以下不同情况： 图8-3 正切双曲函数曲线 该双曲函数曲线如图8-3所示。根据该曲线性质，讨论以下不(1) 深水情况： 即h很大时， 即 1.0，则(8-1)式可写作： 根据正切双曲函数值知，当h/ 2 时，则Ch0.998C。因而当水深满足h/ 2 时，可以深水情况处理。(2) 一般浅

5、水情况： 即h为有限值时： 1.0。则有 ChC (1) 深水情况：波速损失 C 应该为： C = C - Ch 或者写成另作分析如下： 同一船在浅水中航行时，船速将下降C。兴波阻力较大。 两者保持相同航速，则浅水中的波长h 必定较深水中的波长为大。 波速损失 C 应该为： C = C - Ch 当Frh0.5时，C0，说明浅水对兴波影响极小；反之，Frh 越大，则C 值越大，浅水对兴波的影响越显著。(3) 水深极浅的情况 则(8-1)式成为：所以 表示在水深h 极小时的浅水波传播速度。该速度为水深h 时的极限波速。船速分为三个区段： 当Frh0.5时，C0，说明浅水对兴波影响极小； 亚临界速

6、度区：当s ，即Frh1.0 临界速度区： 当s ，亦Frh1.0 超临界速度区：当s ，表示Frh1.0 由上可进一步看出：Frh实际上表示了船速与极限波速的相对大小，以及船舶所处的航速区。在不同的航速区内，不仅船舶的运动情况不同，而且兴波阻力、兴波图形都有明显的变化。 亚临界速度区：当s ，即Frh1.02浅水引起波浪图形的变化 图8-4 不同Frh时浅水对兴波图形的影响(a) Frh0(h )和Frh1.0；(b) Frh1.0；(c) Frh1.0。2浅水引起波浪图形的变化 图8-4 不同Frh时浅水对兴浅水阻力解析课件(1) 亚临界速度区（Frh1.0）： 当Frh0.5时，波速损失

7、 C0，因此兴波变化极小，所以角变化甚微，如图8-4(a)左侧兴波图形。 当0.5Frh1.0时，波长将大于深水中波长。同时角，即兴波的扇形面随Frh的增大而变大，如图8-4(a)右侧所示的兴波。 (1) 亚临界速度区（Frh1.0）： 当Frh0.5时 (2) 临界速度区： 当Frh1.0时，角增大至90，船的横波和散波合并，在船首处形成一个很大的波峰，此即为孤独波；船尾是一大波谷，它们随船一起前进，此时尾倾最大，如图 8-4(b)所示，兴波阻力剧增。 (2) 临界速度区：(3) 超临界速度区 当Frh1.0，即s时，说明船速已超过水波的极限移动速度，因此横波消失，孤独波亦不存在，仅剩有散波

8、，且其宽度随航速增大而减小。这是因为浅水中波浪在垂直于波阵面方向的传播速度不能超过极限速度，则有： (3) 超临界速度区 当Frh1.0，即s时，说 显然，当航速越高，越小，即波浪扇形面的范围变小，如图8-4(c)所示。由于横波消失，散波宽度随Frh增大而减小，因而兴波阻力急剧减小。达到某航速后，浅水中的总阻力较深水中的阻力还要低。 显然，当航速越高，越小，即波浪扇形面的范围变小，如图 三、浅水阻力曲线的特点 图8-7 浅水和深水中阻力曲线比较 三、浅水阻力曲线的特点 图8-7 浅水和深水中阻力曲线 (1) 当Frh0.5，即s0.5 时，船在浅水中的阻力值没有明显增加。 (2) 当0.5Fr

9、h1.0，即0.5 s 时，浅水情况的阻力较深水时有显著增加。 (3)当Frh1.0，即s 时，较深水中的阻力值有很大增加。 (4)当Frh1.0，即s 时，船速已超过波浪传播的极限速度。横波消失，散波的覆盖面减少，由于高速时的兴波阻力下降较多，所以此时船的总阻力甚至较深水阻力还要低。 (1) 当Frh0.5，即s0.5 时四、浅水影响的衡准 l. 从航速来看 一般认为在Frh0.5时，可以不计浅水影响。 2从船型来看 (1) 泰洛给出的最小水深： 对于Cb0.65的船为： 当Fr0.27时：hmin33.6 Fr d 当Fr0.27时：hmin41.7(Fr - 0.06)d其中d 为吃水，

10、Frs / ；四、浅水影响的衡准 l. 从航速来看 (2) 高速货船：hmin / d 7.0； (3) 军舰，如巡洋舰，驱逐舰：hmin / d 712； (4) 滑行快艇：hmin / L0.8或hmin / B3.0。其中L，B为艇长和艇宽。 3ITTC最小水深公式 12届ITTC推荐的实船试验不计浅水影响的最小水深公式为： h 3 (8-7a) h 2.75s /g (8-7b)其中h为水深，s为航速。 分别按式(8-7a)和式(8-7b)计算，并取两者较大值作为试航时的最小水深。由物理意义知前者为考虑浅水对回流的影响；后者则是对兴波的影响。 (2) 高速货船：hmin / d 7.0

11、； 8-3 狭窄航道对阻力的影响一、船舶在狭水道和浅水中航行时的主要差别 (1) 表征参数：在狭水道情况下，其表征参数有水深吃水比h/d外，相对宽度b/B(或b/L)或断面系数F/Am。 (2) 回流和兴波情况：回流情况较浅水时有明显的变化，由于侧壁的存在导致了散波的反射，因而与船体波系相互叠加，使兴波阻力发生变化。 (3) 阻力曲线的特点：船在狭水道中的阻力曲线的特点是在Frh1.0附近存在一个临界区，在这个区域内阻力值有极为明显的增加。 8-3 狭窄航道对阻力的影响一、船舶在狭水道和浅水中 二、船舶在狭水道中运动时的特点 图 8-14 狭水道剖面图 二、船舶在狭水道中运动时的特点 图 8-

12、14 狭水道基于假定的基础上则由连续性方程得： b h s = (b h - Am -b h)m 另根据伯努利方程得： g h = (m s )即得到船舶所在区域内的水面下降值： h = (m s )/ 2g 由式(8-9)和式(8-l0)，最终得： 或基于假定的基础上则由连续性方程得： b h 船在狭水道中航行时，就速度的不同可划分为如下三种不同区域 ：图8-15 狭水道中不同的速度区域 船在狭水道中航行时，就速度的不同可划分为如下三(1) 亚临界速度区域： 即在 范围内，其阻力值（Rv + Rw）较 相应浅水情况要大。 (2) 临界速度区域： 即1/cs /c2 /c。整个区域的独波随时间而不断增长，而船体由亚临界区的下沉逐渐转为上浮，直至航速达到2时，此时不但阻力最大，而且船体上浮亦达最大。(1) 亚临界速度区域： 即在 范围内，其阻(3) 超临界速度区域： 即在s/c2/c范围内。水与船体相对速度减小，所以水面升高，船体上浮，纵倾角也较临界速度区减小。在该区域内的阻力反而骤然下降。 (3) 超临界速度区域： 即在s/c2/c范围内图8-16 狭水道中阻力曲线图8-16 狭水道中阻力曲线三、狭水道阻力的估算 狭水道特殊情况的适当处理： (1) 由于船舶在狭水道中的航速较低，其阻力较深水情况的增加值认为主要是粘性阻力。因此在估算狭水道阻力时，只考