Сопротивление корабля и движение - Ship resistance and propulsion

А корабль должны быть разработаны таким образом, чтобы эффективно преодолевать воды с минимумом внешней силы. На протяжении тысяч лет корабельные конструкторы и строители парусных судов использовали практические правила, основанные на площади миделя, для определения размеров парусов для данного судна. Форма корпуса и план парусности машинка для стрижки корабли, например, возникли на основе опыта, а не теории. Лишь с появлением паровой энергии и постройки больших железных кораблей в середине XIX века судовладельцам и строителям стало ясно, что необходим более строгий подход.

Определение

Сопротивление судна определяется как сила, необходимая для буксировки судна на тихой воде с постоянной скоростью.

Компоненты сопротивления

Тело в воде, которое неподвижно относительно воды, испытывает только гидростатическое давление. Гидростатическое давление всегда противодействует весу тела. Если тело находится в движении, то на него также действуют гидродинамические давления.

Общее сопротивление ${displaystyle R_{T}}$

Остаточное сопротивление ${displaystyle R_{R}}$

Сопротивление трению кожи ${displaystyle R_{FO}}$

Эффект формы на трение кожи

Сопротивление давлению ${displaystyle R_{P}}$

Сопротивление трению ${displaystyle R_{F}}$

Волновое сопротивление ${displaystyle R_{W}}$

Сопротивление вязкому давлению ${displaystyle R_{PV}}$

Волновое сопротивление ${displaystyle R_{WM}}$

Волновое сопротивление ${displaystyle R_{WB}}$

Вязкое сопротивление ${displaystyle R_{V}}$

Общее сопротивление ${displaystyle R_{T}}$

Эксперименты Фруда

При тестировании моделей кораблей и последующем сравнении результатов с реальными кораблями модели склонны переоценивать сопротивление корабля.

Фруд заметил, что, когда корабль или модель находились на так называемой скорости корпуса, волновая картина поперечных волн (волны вдоль корпуса) имеет длину волны, равную длине ватерлинии. Это означает, что нос корабля находился на гребне одной волны, как и его корма. Это часто называется скоростью корпуса и зависит от длины корабля.

${displaystyle V=k{sqrt {L}}}$

где константа (k) должна быть принята как: 2,43 для скорости (V) в узлах и длины (L) в метрах (м) или 1,34 для скорости (V) в узлах и длины (L) в футах (ft).

Наблюдая это, Фруд понял, что проблема сопротивления корабля должна быть разбита на две разные части: остаточное сопротивление (в основном сопротивление созданию волн) и сопротивление трения. Чтобы получить должное остаточное сопротивление, необходимо было воссоздать волновой цуг, созданный кораблем в модельных испытаниях. Он обнаружил, что для любого корабля и геометрически подобной модели, буксируемой с подходящей скоростью, он:

Существует сопротивление трения, которое создается сдвигом из-за вязкости. Это может привести к 50% общего сопротивления в конструкциях быстрых кораблей и 80% от общего сопротивления в конструкциях более медленных кораблей.

Чтобы учесть сопротивление трения, Фруд решил буксировать серию плоских пластин и измерить сопротивление этих пластин, которые имели ту же площадь и длину смачиваемой поверхности, что и модель корабля, и вычесть это сопротивление трения из общего сопротивления и получить остаток как остаточное сопротивление.

Трение

В вязкой жидкости образуется пограничный слой. Это вызывает чистое сопротивление из-за трения. В пограничный слой подвергается сдвигу с разной скоростью, распространяясь от поверхности корпуса, пока не достигнет поля потока воды.

Волновое сопротивление

Корабль, движущийся по поверхности нетронутой воды, настраивает волны исходящий в основном из носа и кормы корабля. Волны, создаваемые кораблем, состоят из расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся волны наблюдаются как будить корабля с серией диагональных или наклонных гребней, движущихся наружу от точки возмущения. Эти волны впервые были изучены Уильям Томсон, первый барон Кельвин, которые обнаружили, что независимо от скорости корабля, они всегда находились в симметричном клине под углом 19,5 градусов (каждая сторона: см. «Принципы конструкции яхты»), следующим за кораблем. Расходящиеся волны не вызывают большого сопротивления движению корабля вперед. Однако поперечные волны выглядят как впадины и гребни по длине корабля и составляют основную часть волнового сопротивления корабля. В энергия связанная с поперечной волновой системой, движется с половиной фазовой скорости или групповой скорости волн. Первичный двигатель судна должен вложить дополнительную энергию в систему, чтобы преодолеть этот расход энергии. Связь между скоростью кораблей и скоростью поперечных волн можно найти, приравняв скорость волны и скорость корабля.

Смотрите также

• Уильям Фроуд

Рекомендации

• Э. В. Льюис, ред., Принципы военно-морской архитектуры, т. 2 (1988)