船舶物理与流体力学

汇报人：船舶物理与流体力学2024-01-21目录船舶物理基础流体力学基本概念船舶在水中运动分析波浪对船舶影响及应对措施船舶推进系统设计与优化船舶物理与流体力学实验方法与技术01船舶物理基础Chapter

船舶结构与稳定性船体结构包括船壳、甲板、舱壁等主要构件，承受船舶内外力作用。船舶稳定性指船舶在风浪等外力作用下，保持原有平衡状态的能力，与船舶重心位置、排水量、水线面面积等因素有关。稳性衡准为确保船舶安全，国际海事组织（IMO）等制定了船舶稳性衡准，规定了在不同装载情况和海况下船舶必须满足的最小稳性要求。包括沿三个坐标轴的平移运动（纵荡、横荡、垂荡）和绕三个坐标轴的旋转运动（横摇、纵摇、艏摇）。船舶六自由度运动指船舶在舵、螺旋桨等操纵装置作用下，改变或保持运动状态的能力，与船型、主机功率、舵面积等因素有关。操纵性指船舶在波浪中运动时，保持一定航速和航向的能力，以及减小摇摆、冲击等运动响应的能力。耐波性船舶运动学原理指船舶在水中运动时受到的阻力、升力、侧向力等流体作用力，与船型、航速、水深等因素有关。流体动力推进力操纵力指螺旋桨或喷水推进器等推进装置产生的推力或拉力，用于克服阻力使船舶前进。指舵、侧推器等操纵装置产生的力或力矩，用于改变或保持船舶的运动状态。030201船舶动力学原理02流体力学基本概念Chapter在静止的流体中，压力随深度的增加而增大，遵循静水压强的分布规律。压力与深度的关系浸没在流体中的物体受到向上的浮力，大小等于物体所排开流体的重力。浮力原理液体表面存在一种使液体表面积缩小的力，称为表面张力。液体表面张力流体静力学原理连续性方程单位时间内流入和流出控制体的质量流量之差，等于控制体内质量的增量。伯努利方程在理想流体中，沿流线方向速度增加时，压力降低；反之，速度减小时，压力升高。动量方程流体微团动量的变化率等于作用在该微团上的外力之和。流体动力学原理黏性流体的特性01黏性流体具有内摩擦力，即流体内部相邻两层之间存在相对运动时，会产生阻碍相对运动的力。无黏性流体的特性02无黏性流体又称为理想流体，其内部不存在内摩擦力，因此流动时不会产生能量损失。黏性流体与无黏性流体的比较03实际流体都具有一定的黏性，但在某些情况下，可以忽略黏性的影响，将流体视为无黏性的。例如，在研究船舶在海洋中的大规模运动时，通常可以忽略海水的黏性。黏性流体与无黏性流体03船舶在水中运动分析Chapter研究船舶在不同装载情况下的浮态、稳性和抗沉性。船舶静水力性能分析船舶在水中受到的浮力和自身重力的平衡关系，确定船舶的吃水和排水量。浮力与重力平衡探讨船舶在不同水深和速度下的浸没条件，以及浸没对船舶性能的影响。浸没条件漂浮与浸没条件分析03阻力与推进力平衡分析船舶在航行过程中阻力与推进力的平衡关系，以及如何通过优化船型和改进推进系统来提高船舶的航行效率。01阻力成分分析研究船舶在水中运动时所受到的阻力，包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力等。02推进力计算根据船舶主机的功率和推进器的效率，计算船舶在不同速度下所需的推进力。阻力与推进力计算研究船舶的操纵性指标，如回转半径、航向稳定性和舵效等，以评估船舶的操纵性能。操纵性指标探讨船舶在静水和波浪中的稳定性，包括初稳性、大倾角稳性和动稳性等。稳定性分析分析如何通过优化船型、改进舵系统和采用先进的控制技术等手段来提高船舶的操纵性和稳定性。操纵性与稳定性优化操纵性与稳定性评估04波浪对船舶影响及应对措施Chapter不规则波波长、波高和周期随机变化的波浪，对船舶产生复杂的运动响应，可能导致船舶失稳。风暴潮由强烈天气系统引起的极端波浪，具有巨大的破坏力，对船舶安全构成严重威胁。规则波具有固定波长、波高和周期的波浪，对船舶产生周期性的摇摆和纵荡运动。波浪类型及其对船舶影响123通过改进船型设计，如采用V型船底、增加船宽等，以提高船舶在波浪中的稳定性。船型优化对船舶关键部位进行结构加强，如增加甲板厚度、加强肋骨等，以提高船舶的抗浪能力。结构加强安装减摇装置如减摇鳍、减摇水舱等，以减轻船舶在波浪中的摇摆幅度。减摇装置耐波性设计原则和方法通过改变鳍的角度，产生与波浪力相反的力矩，从而抵消波浪对船舶的摇摆影响。减摇鳍利用水舱内水的流动来产生稳定力矩，减轻船舶的摇摆。其原理是通过调节水舱内水的流动速度和方向，使水舱产生的力矩与波浪力相抵消。减摇水舱在船舶两侧设置舷梯和防摇网，通过增加船舶与水的接触面积，提高阻尼效应，从而减小船舶的摇摆幅度。舷梯和防摇网减摇装置及其作用机制05船舶推进系统设计与优化Chapter螺旋桨推进器通过水泵将水流加速并向后喷射产生推力，适用于高速船舶，但效率相对较低。喷水推进器磁力推进器利用磁场作用力推动船舶前进，无需机械传动，效率高且噪音小，但技术成熟度有待提高。利用螺旋桨旋转产生的推力推动船舶前进，效率高，但噪音和振动较大。推进器类型选择及性能比较推进器布局根据船舶类型和航行需求，合理选择推进器数量和布局方式，如单桨、双桨、多桨等。参数优化对推进器的直径、螺距、转速等参数进行优化设计，以提高推进效率和降低能耗。控制系统设计采用先进的控制算法和传感器技术，实现推进系统的精确控制和自适应调节。推进系统布局和参数优化采用大数据分析和人工智能技术，对船舶航行状态进行实时监测和预测，实现能源管理和航行优化的智能化决策。应用低摩擦、抗生物附着等表面涂层技术，降低船体表面粗糙度和阻力。通过改进船体线型设计，减少水流阻力和涡流损失，提高推进效率。利用船舶航行过程中产生的废热、余压等能量进行回收再利用，降低能耗。表面涂层技术船体线型优化能量回收技术智能化管理提高推进效率和降低能耗策略06船舶物理与流体力学实验方法与技术Chapter船模试验水池用于模拟实际水域环境，可进行不同尺度船模的试验。水池应满足一定的长、宽、深比例，以减小边界效应对试验结果的影响。测量仪器包括流速仪、压力计、位移传感器等，用于测量船模运动过程中的各种物理量。数据采集系统用于实时采集和处理实验数据，可配备专用软件实现数据的可视化展示和分析。实验设备简介和使用方法数据采集根据实验需求，选择合适的采样频率和采样时间，确保数据的准确性和完整性。同时，要注意消除噪声和干扰信号对数据采集的影响。数据处理对采集到的原始数据进行预处理，如滤波、平滑、去趋势等，以减小误差和提高数据质量。然后，根据实验目的和理论模型，对数据进行进一步的处理和分析。数据分析利用统计学、信号处理、机器学习等方法，对处理后的数据进行深入分析，提取有用信息和特征，为实验结果展示和讨论提供依据。数据采集、处理和分析方法将实验数据以图表、图像等形式进行可视化展示，直观地反映船模运动过程中的各种物理量的变化规律和趋势。同时，可以与理论计算结果或其他