2023学年完整公开课版船舶阻力

课题四：快速性简介

1、阻力的成因与分类

2、阻力的计算

3、阻力相关知识补充

知识目标

1、掌握船舶快速性、雷诺数和傅汝德数的概念

2、掌握船舶阻力的分类、船体阻力的成因和分类

3、掌握球鼻首的主要作用2023/5/1311、阻力的成因与分类

2023/5/13船舶性能计算2一、快速性的概念所谓船舶的快速性，是指船舶尽可能消耗较小的主机功率以维持一定航速的能力。船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航速快慢的一种性能。快速性包括：船舶阻力和船舶推进。

1、船舶阻力：船舶在航行过程中会受到流体（水和空气）阻止它前进的力，这种与船体运动方向相反的作用力称船舶阻力。

2、船舶推进：一般船舶航行时由主机供给能量，通过推进器（常用的是螺旋桨）转换成推动船舶前进的推力，使船保持某一速度航行。在本课题中，我们主要学习船舶阻力的成因和分类等基本知识。二、雷诺数Re和傅汝德数Fr

式中：V为船速（m/s），L为船长（m），为流体的运动粘性（粘同黏，又称为黏性）系数（m2/s）。一般按照傅汝德数Fr的大小将船舶分为：

1）低速船：Fr＜0.182）中速船：0.18＜Fr＜0.303）高速船：0.30＜Fr

附：船速的单位“节（kn）”：

1）1海里＝1.852千米

2）1节＝1海里/小时＝0.5144米/秒2023/5/13船舶性能计算32023/5/13船舶性能计算4三、船舶阻力

1、当船舶在水面上航行时，船处于空气和水两种流体介质中运动，必然受空气和水对船的阻力。船舶阻力按流体种类分为空气阻力和水阻力。

2、水阻力又可进一步分成船在静水中航行时的静水阻力和汹涛阻力（波浪中的阻力增加量）两部分。

3、静水阻力通常分成裸船体阻力（简称为船体阻力）和附体阻力两部分。所谓附体阻力是指突出于裸船体之外的附属体（如舵、舭龙骨、轴支架等）所增加的阻力。

空气阻力、汹涛阻力和附体阻力合称为附加阻力。小结：根据这种处理方法，船舶在水中航行时所受到的阻力通常分为两部分：

1、裸船体在静水中所受到的裸船体阻力（简称为船体阻力）。

2、附加阻力（包括空气阻力、汹涛阻力和附体阻力）。2023/5/13船舶性能计算52023/5/13船舶性能计算6四、船体阻力的成因和分类

船舶的总阻力实际上按裸船体阻力和附加阻力两部分进行研究。裸船体阻力是阻力中的主要部分，是主要学习内容。为了便于叙述，将裸船体阻力简称为船体阻力，用Rt表示。

1、船体阻力的成因

船体在静水中运动所受到的阻力与船体周围水的流动现象密切相关。

根据观察，船体周围的流动情况主要有以下三种现象，对应于不同的船体阻力成分。

A、兴波

B、边界层

C、边界层分层2023/5/13船舶性能计算7

1）兴波船体在静水中运动过程时不断兴起向船后传播的波浪（船行波），由于波浪产生，改变了船体周围的压力分布情况，如图所示。首柱后缘的波峰使首压力增加，而尾柱前缘的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流体动压力差（首压力大于尾压力）。这种由兴波引起的压力分布改变所产生的阻力称为兴波阻力，用RW表示。2023/5/13船舶性能计算8

2）边界层当船体运动时，由于水的粘性，在船体周围形成“边界层”，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体的摩擦阻力，用Rf表示。

3）边界层分离在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部常会产生旋涡。产生旋涡的根本原因也是水具有粘性。旋涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布（首压力大于尾压力）。这种由粘性引起船体前后压力分布不平衡而产生的阻力称为粘压阻力，用Rpν表示。粘压阻力，也称为旋涡阻力或形状阻力。2023/5/13船舶性能计算9

2、船体阻力的分类

1）按产生阻力的物理现象来分为

讨论：

A、对于不同类型的船舶，上述阻力成分在船体总阻力中所占的比例是不同的：

a、低速船：兴波阻力成分较小，摩擦阻力约为70%～80%，粘压阻力占10%以上。

b、高速船：兴波阻力将增加至40%～50%，为摩擦阻力50%左右，粘压阻力仅为5%左右。

2）按作用力的方向和流体性质分

2023/5/13船舶性能计算102023/5/13船舶性能计算11五、阻力系数

1、船体阻力系数

2、摩擦阻力系数等等。式中：

1）Ct：船体阻力系数；

Cf：摩擦阻力系数。

2）Rt：船体阻力（N，牛顿）；

Rf：摩擦阻力（N，牛顿）。

3）ρ：流体密度（kg/m3，千克每立方米）。

4）V：船速（m/s，米每秒）。

5）S：船体湿面积（m2，平方米）。均为国际单位制2、阻力的计算2023/5/13船舶性能计算12

阻力的计算方法分为两大类：一是换算法，例如傅汝德法和三因次法等；二是估算法，例如海军系数法和爱尔法等。

我们重点了解海军系数法。一、海军系数法

1、基本思想

1）船体阻力，对应的有效功率。

2）海军系数。式中：为排水量（t）；V为航速（kn）；为有效功率。

3）对于船型近似，尺度和速度相差不多的船（母型船），海军系数相等。2、估算步骤

1）找与设计船船型近似，尺度和速度相差不多的母型船，并计算出其海军系数。

2）令设计船与母型船海军系数相等。

3）根据计算出设计船的有效功率。

另外：海军系数亦可定义为：

PM（或PS）为主机的机器功率。2023/5/13船舶性能计算13二、附加阻力的处理方法船舶的附加阻力分为附体阻力、空气阻力和汹涛阻力。一般附体阻力占船舶阻力的8%左右，空气阻力占船舶阻力的2%－4%，而汹涛阻力难以估计。

对船舶附加阻力的处理方法是：以增加相对于船体阻力（或对应于船体阻力的有效功率）的百分数来计算。

式中：

Pew为考虑附加阻力后的船舶阻力对应的有效功率。

Peb为不考虑附加阻力时船体阻力对应的有效功率。

Kap为附体系数。

Kaa为空气阻力百分数。

Kaw为储备功率百分数，一船取为10%－15%。2023/5/13船舶性能计算143、阻力相关知识补充2023/5/13船舶性能计算15一、摩擦阻力

1、船体船体表面曲度将使摩擦阻力增加，但其影响并不显著。因此，一般认为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。

2、降低摩擦阻力的主要方法

1）减小船体表面湿面积从船体设计本身考虑，选择合理的船型参数，特别是主尺度的确定要恰当，长宽比取小些；减少不必要的附体等，或尽量采用表面积较小的附体。低速船摩擦阻力为船体阻力的主要成分。因此，低速船一般为短肥型。2023/5/13船舶性能计算16

2）减少表面粗糙度，使船体表面尽可能光滑船舶在营运过程中，船体水下部分因长期浸泡在水中，除钢板被腐蚀外，海水中的生物，如贝类、海草等将附着在船体上生长，使船体表面凹凸不平，大大增加了船体表面的粗糙度，阻力增加很大，这种现象称为污底。

防治污底的方法通常有：

A、涂装。先在船体表面敷涂两遍防锈漆，然后再涂一、二遍防污漆。因为防污漆的功能可以在层流底层中保持有一定的毒素含量，可以使幼小的贝类、海草等致死，因而有避污作用。

B、污底的海船在淡水港内停泊数日后再行出海，其附着的贝类和海草的大部分因死亡而脱落。我国沿海港口多系淡水港，这是清除污底的天然有利条件，当然对于污底严重的船必须定期进坞除污，重新油漆。2023/5/13船舶性能计算17二、兴波阻力

1、船行波船舶在静止水面航行时，都会兴起波浪即所谓兴波。船体兴起的波浪分成两类：一类是船舶驶过之后，留在船体后方并不断向外传播的波浪称为船行波；另一类是被船体兴起后很快就破碎的波浪，称为破波。我们主要讨论船行波。船行波分为：首横波和首散波，尾横波和尾散波。

首横波和尾横波可能在尾散波形成的三角形区域内发生干涉（干扰）现象。2023/5/13船舶性能计算18

2、兴波阻力的特征

1）兴波阻力系数仅为傅汝德数的函数，它随船速的增加增长很快，大致正比于船速（傅汝德数）的4次方，兴波阻力大致正比于船速（傅汝德数）的6次方。因此，高速船兴波阻力占船体阻力的比例较大。

2）阻力系数与傅汝德数的关系曲线不是光顺的n次方曲线，其上有凸凹现象存在。

凸：首尾横波发生不利干扰；凹：首尾横波发生有利干扰。高速船兴波阻力占船体阻力的成分大。因此，为了降低剩余阻力，高速船一般为尖瘦型。

3、球鼻首的作用

1）中、高速船当船航行时，球鼻球亦产生波浪。对于Fr在0.27～0.34之间的中、高速船，如果球鼻首的大小和位置选择恰当，则球鼻首兴波的波谷和主船体的首横波的波峰正好处于相同的位置，形成有利干扰，使合成波的波高较原来的船首波的波高有明显的减小，从而使兴波阻力有较大的降低。成功的球首设计能使总阻力减小10%－15%。2023/5/13船舶性能计算19

2）低速船

低速肥大型船加装球鼻首，满载时主要是减小粘压阻力，压载时主要是减小破波阻力。满载航行时，常常船首底部发生大量旋涡，其结果是消耗能量，产生埋首现象，增大阻力。安装球鼻船首后，可使水流近于径向对称流动，船首底部不产生旋涡运动，从而达到降低阻力和减小埋首现象的目的。在压载状态下，由于船首部水流情况恶化，所以破波阻力相当明显。加装球鼻船首后，首部船体前伸，使该处横剖面面积曲线的坡度和首部水线进角减小，大大改善了船首柱附近的压力分布，缓和了船首破波情况，从而降低了破波阻力，取得较大的减阻效果。

2023/5/13船舶性能计算