Сопротивление воды движению судна

 

Сопротивление воды представляет собой вязкую среду. Это сопротивление складывается из следующих величин:

- сопротивления трения R_Т, вызываемого трением обтекающей корпус

 воды;

- сопротивление формы R_ф , вызываемого обтеканием корпуса судна

вязкой жидкостью и образованием в носовой части зоны повышенного

 

  давления, а в кормовой части – зоны пониженного давления и завихрений,

тормозящих движение судна вперед;

    - волнового сопротивления R_в , вызываемого волнообразованием от

  движения судна (в местах повышенного и пониженного давления воды),

  требующим соответствующей затраты энергии;

- сопротивления выступающих частей R_{в. ч.}, вызываемого увеличением

сопротивления трения и сопротивления формы от выступающих частей

корпуса (рулей, скуловых килей и пр.)

Сопротивление трения R_ТР. При определении сопротивления трения судна, принято разделять на сопротивление трения гидродинамической гладкой поверхности корпуса  R_гп  и сопротивление его шероховатости R_ш (общей и местной шероховатостью). Общая шероховатость обусловлена достаточно равномерно распределенными по поверхности корпуса неровностями, величины которых зависят от материала поверхности и качества ее обработки. В процессе плавания судна общая шероховатость увеличивается из-за разрушения покрытия (в частности, окраски), коррозии и обрастания поверхности корпуса. Местная шероховатость обусловлена местными неровностями и выступами или впадинами, которые отстоят друг от друга на большом по сравнению с их размерами расстоянии (сварные швы, решетки забортных отверстий и т.п.).

 

Сопротивления трения рассчитывается по формуле:

                                             R_ТР =                                  [2.27]

 где  – коэффициент сопротивления трения зависящий от числа Рейнольдса,

                определяемого по формуле, где L – длина судна, v – кинематический

                коэффициент вязкости воды:

                                                      R_е =                                      [2.28]

     –  плотность воды;

   –   скорость судна;

   – площадь смоченной поверхности корпуса определяется по формуле, где

      L; В; Т – главные размерения судна, – коэффициент общей полноты:

                                             = L (1,36∙Т + 1,13∙ ∙В)                                     [2.29]

 

  Сопротивление формы R _ф есть составляющая полного сопротивления, которая обусловлена превышением силы суммарного гидродинамического давления на носовую смоченную поверхность корпуса судна по сравнению с кормовой за счет влияния вязкости воды.

При обтекании судна потоком жидкости давление в ней падает от носа до миделя и нарастает от миделя в корму, по этому при движении частиц внутри пограничного слоя затрачивается дополнительная энергия на преодоление сил вязкостного трения.

Снижение сопротивления формы судов достигают путем уменьшения коэффициента общей полноты, улучшая плавность обводов и отрабатывая форму кормовой оконечности.

 

Сопротивление формы можно определить по формуле:

                                     R_ф =                                     [2.30]

где – коэффициент сопротивления формы, определяемый по формуле Папмеля,  

где  – площадь смоченной поверхности миделя,

  L _к  – длина кормового заострения:

                                                  = 0,09∙                                     [2.31]

     –  плотность воды;

–   скорость судна;

   – площадь смоченной поверхности корпуса.

 

Волнового сопротивления R_в. При движении судна на поверхности воды возникают волны, которые являются причиной появления волнового сопротивления. Для достижения благоприятной скорости полного хода на некоторых судах сужают носовые обводы в районе ватерлинии с одновременным вытягиванием вперед в виде бульба погруженной части оконечности.

 

Волновое сопротивление определяется по формуле:

                                                   R_в =                                       [2.32]

где  – коэффициент  волнового  сопротивления,  зависит от числа Фруда и

              определяемый  по  формуле, 

где     g – ускорение свободного падения,

     – скорость судна,

    L – длина судна

                                                     F_r =                                               [2.33]

                         

C опротивления выступающих частей R_вч. Выступающими частями называются детали, которые выходят за пределы плавных очертаний смоченной

поверхности корпуса судна. К ним относят гребные валы с кронштейнами, вертикальные и скуловые кили, шахты лага и эхолота и т.п. Сопротивление выступающих частей считают вязкостным, полагая, что они расположены достаточно глубоко под водой, и волновым сопротивлением их можно пренебречь.

 

Сопротивление выступающих частей определяют по формуле:

                                 R_вч =                                 [2.34]

где – коэффициент, зависящий от количества гребных винтов.

   –  плотность воды;

–   скорость судна;

  – площадь смоченной поверхности корпуса.

 

Также к силам препятствующим движению судна относят воздушное сопротивление R_возд, которое определяется по формуле:

 

                             R_возд =                         [2.35]

где  - коэффициент лобового сопротивления зависящий от числа Рейнольдса

    – плотность воздуха,  

     –   скорость судна;

  – скорость ветра,  

  S _н.к. – площадь проекции на плоскость миделя надводной части корпуса и

             надстроек.

Таким образом, в развернутой форме буксировочное сопротивление (полное сопротивление) судна может быть представлено в виде следующей суммы его отдельных составляющих:

 

                       R = R_тр + R_ф + R_в + R_вч + R_возд                         [2.36]

 

Испытание моделей судов в опытовом бассейне (рис.2.11) проводятся с целью определения более точного определения остаточного сопротивления, которое состоит из волнового сопротивления и сопротивления формы. В этом случае в бассейн длиной от нескольких десятков до нескольких сот метров буксируют изготовленную из парафина модель корпуса судна с помощью специальной тележки и динамометром фиксируют силу сопротивления движению этой модели. Полученная величина представляет собой полное сопротивление воды движению модели. Если из нее вычесть величину сопротивления трения модели, то получим остаточное сопротивление, которое может быть пересчитано с модели на натуральное судно. Прибавив к нему вычисленное расчетом сопротивление трения натурального судна, получим полное сопротивление.

                            

Рисунок 2.11 Схема бассейна с тросом, перемещающимся с самоходной тележкой под действием падающего груза

Воздушное сопротивление движению судна можно найти, испытывая модель надводной части судна в аэродинамической трубе (рис.2.12). Модель судна помещают в рабочее пространство трубы и обдувают потоком воздуха, скорость которого может быть задана и измерена. Сопротивление модели измеряют с помощью аэродинамических весов.

 

                                 

 

Рисунок 2.12-Схема аэродинамической трубы: 1-кампилятор, 2-направляющие лопасти, 3-труба, 4-решетки, 5-сетка, 6-сопло, 7-рабочее пространство, 8-испытаемая модель,

9-обратный канал

 

Воздушное сопротивление необходимо для нахождения полного сопротивления среды движению судна.