книги из ГПНТБ / Корытов Н.В. Расчеты по динамике корабля учеб. пособие
.pdf
Ленинградское высшее военно-морское инженерное училище
Н. В. КОРЫТОВ
РАСЧЕТЫ ПО ДИНАМИКЕ КОРАБЛЯ
(Учебное пособие)
Ленинград
1973
|
•ъ'ио-г'и.: ' СОР |
629.12:532.5 |
_.. -iiJ.i.P |
|? иЖ4-Т^ЛЬНОГО,-^УДАР |
|
4 * |
1 'в ОО^ |
В настоящем пособии излагаются метода расчета сопро тивления воды движению кораблей, плавающих в водоизмещающеи режиме, рассматриваются основные задачи и схемы проектировочного расчета гребных винтов (как некавитирующих, так и кагатирующих), даны рекомендации по выбору основных геометрических элементов ВФШ и В Ш и характе ристик взаимодействия винта с корпусом, анализируются возможные средства повышения пропульсивных качеств корабля.
Отдельный раздел пособия посвящен расчету ходовых характеристик корабля с BHI1.
Втретьей главе пособия приводится метод расчета бортовой качки корабля на нерегулярном морском волнении, основанный на современной теории случайных стационарных процессов.
Взадачу пособия не входило рассмотрение вопросов ходкости быстроходных катеров и кораблей, плавающих в переходном режиме. По этой причине, в частности, не освещены такие вопросы, как методы расчета сильнокавитируцциА гребных винтов, влияние скоса потока на работу винта, определение условий для рационального применения гицрореактивных движителей и расчет их характеристик и др. Эти вопросы будут рассмотрены в пособии "Ходкость быстроходных кораблей и катеров".
Пособие предназначено для использования курсантами, при выполнении расчетно-графических работ и дипломном проектировании.
Г Л А В А I
РАСЧЕТЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВМЕНИЮ КОРАБЛЯ
§ I . Общая схема расчета сопротивления воды движению корабля
I . Основные сведения о сопротивлении воды движению корабля
Принятый в настоящее время способ расчета сопротив ления воды движению корабля основан на представлении полного сопротивления гидродинамически гладкого голого корпуса в виде суммы трех независимых составляющих:
сопротивления трения RTP, сопротивления формы |
(?ф и |
волнового сопротивления Rb , т. е. |
( I . I ) |
R= RTp+R„+Rb. |
Сумма сопротивления трения и сопротивления формы представляет собой вязкостное сопротивление:
Вязкостное сопротивление возникает вследствие вяз кости жидкости, действие которой проявляется в пределах пограничного слоя. Волновое сопротивление, порождаемое влиянием весомости воды на поле гидродинамических давле ний, является прямым следствием создаваемого кораблем волнообразования. Таким образом, учитывая физические
3
свойства жидкости, силу сопротивления воды движению ко
рабля можно представить в виде суммы |
(1.3) |
S = i W + R b . |
Применяемая в расчетах ходкости гипотеза о незави симости отдельных составляющих сопротивления позволяет использовать для определения RM 3 K теорию пограничного слоя, а для вычисления R6 - теорию волновых движений невязкой жидкости.
Роль отдельных составляющих в полном сопротивлении корабля зависит от скорости движения, формы корпуса, состояния его поверхности. У быстроходных водоизмещающих кораблей при полной скорости хода вязкостное сопротивле ние составляет 60-65$, а волновое - 35-40$ от полного сопротивления. При экономической скорости, приблизительно равной половине скорости полного хода, вязкостное со противление практически полностью определяет величину сопротивления движению корабля, на долю волнового сопро тивления приходится не более 10$.
При выполнении практических расчетов полное сопротив ление движению корабля принято представлять в виде суммы следующих составляющих:
R=RTPrn+RocT+Ruiep+R&.4+ R««ft . (1.4) Остаточное сопротивление R0CT , входящее в формулу
(1.4), представляет собой сумму волнового сопротивления, сопротивления формы и части сопротивления трения, обусловленной влиянием кривизны поверхности корпуса корабля. Оно определяется для голого корпуса эксперимен тальным путем по данным испытаний моделей в опытовом бассейне.
Сопротивление трения эквивалентной гидродинамически гладкой пластины RTPr,n определяется расчетным путем также для голого корпуса.
Напомним, что гидродинамически гладкой принято назы вать такую поверхность (корпуса или пластины), дальнейшее
улучшение качества которой не приводит к уменьшению соп ротивления трения.
4
Под эквивалентной понимают такую воображаемую пласти ну, длина которой равна расчетной длине корабля, а пло щадь - площади смоченной поверхности корпуса.
Сопротивление выступающих частей R6 4 |
и воздушное |
||
сопротивление ЯЪоъА |
определяются экспериментальным путем |
||
Величина |
(?ш е р |
представляет дополнительное сопротивле |
|
ние от шероховатости поверхности обшивки корпуса при нор мальном его технологическом состоянии.
Согласно теории подобия, для расчета полного сопро тивления движению корабля используется общая формула:
|
R=£, Y ^ ' |
( I ' 5 ) |
где X - безразмерный коэффициент полного сопротивления |
||
корабля; |
2 |
' |
q - плотность воды, ш 'с '° / м |
||
v - скорость движения корабля, м/сек;
S? - площадь смоченной поверхности корпуса, м2 . Коэффициент полного сопротивления X является
сложной функцией критериев динамического подобия - чисел
Рейнольдса Re= и Фруда Fr=-^—. Кроме того, он
зависит от формы обводов корпуса, состояния его поверх ности и условий движения корабля.
В соответствии с формулой (1.5) коэффициент полного сопротивления может быть выражен так:
4 т р п п + £ост + Л2и1 ер+ 4б.ч + *ь«А , U - 6 >
где через Z, с индексами обозначены коэффициенты сопротивления соответствующих составляющих полного соп ротивления.
На основании принятой гипотезы можно полагать, что коэффициенты составляющих силы сопротивления зависят лишь от критерия подобия, характеризующего соответствую щее свойство жидкости, т. е.
*трпп=-ККе) ; *0 C T -*,(FV). (1.7) Коэффициент остаточного сопротивления определяется
на основе данных замеренного при .испытаниях сопротивления гладкого голого корпуса ° г к и вычисленного по формуле сопротивления трения эквивалентной гладкой пластины RTP(_n;
?.ст= " " . I • ( 1 - 8 )
2. Определение сопротивления трения
Сопротивление трения составляет основную долю полного сопротивления корабля, его величина зависит от формы, раз меров, степени шероховатости подводной части корпуса и скорости движения корабля. Кроме того, сопротивление тре ния зависит от физических свойств жидкости (вязкости и плотности) и режима ее течения внутри пограничного слоя. Эта составляющая полного сопротивления определяется рас четным путем.
Для расчета сопротивления трения гладкой корабельной поверхности применяются аналитические зависимости для коэффициента сопротивления трения гладких пластин при турбулентном обтекании, так называемые экстраполяторы трения. В отечественной практике используется формула Прандтля-Шлихтинга
0,455
* т р ™ (We) 2 '** 7 |
( 1 " 9 ) |
которая хорошо согласуется с опытными данными в интервале
|
ft |
40 |
значений числа Рейнольдса 10 « Re < 10 |
. В связи с тем, |
|
что формула |
(1.9) дает несколько заниженные значения |
|
в области |
Re^lO , на международной конференции опыто-' |
|
вых бассейнов в 1957 г. в качестве единого экстраполятора
трения рекомендована формула |
" |
|
|
4 т р ™ ~ |
(lgRe-г)2 |
( 1 Л 0 ) |
|
Для удобства выполнения расчетов на рис. (П.1) (см.приложения) приведен график £ т р г п = "F(Re) , пост роенный по формуле (1.9). Необходимые для определения числа Рейнольдса значения кинематического коэффициента вязкости Л) в зависимости от температуры воды определя ются по графику рис (П.2).
Для учета дополнительного сопротивления трения,- обус ловленного шероховатостью поверхности корпуса корабля, в расчеты вводится дополнительная надбавка. Влияние различных видов шероховатости корпуса на сопротивление обычно учитывается суммарно -при помощи не зависящего от числа Рейнольдса коэффициента надбавки на шероховатость
Таким образом, для расчета сопротивления трения ко
рабля имеем формулу |
|
Ктр=(*трр п +ЛХшеР )^-Я . |
( I |
Величина коэффициента надбавки на шероховатость А£шер определяется на основании сравнения результатов скорост ных испытаний натурных кораблей и модельных испытаний в опытовом бассейне, она зависит от конструкции корпуса, технологии его сборки, принятой схемы окраски корпуса и может изменяться в значительных пределах. В составе надбавки на шероховатость, в указанном выше смысле, преобладает дополнительное сопротивление от неровностей
окраски (50-60$), за которым следует дополнительное соп ротивление от вырезов и углублений (20-30$).
Абсолютная величина надбавки на шероховатость Д £ ш е Р т определенная на основе анализа данных испытаний кораблей
исудов, зависит не только от шероховатости корпуса, но
иот используемого в расчетах экстраполятора трения.
В табл. I приведены значения коэффициента А £ ш е р для некоторых типов кораблей и судов, которые получены с использованием формулы (1.9) для коэффициента сопротивле-
7
ния трения гладкой пластины. Большие значения Д £ ш е р от носятся к кораблям и судам меньших размеров; или имеющим обшивку с большей шероховатостью поверхности.
|
Т а б л и ц а |
I |
|
Надбавка на шероховатость для кораблей и судов |
|
||
|
некоторых типов |
|
|
Тип корабля |
Характер поверхности |
|
|
(судна; |
корпуса |
|
|
Быстроходные |
Сварная обшивка корпуса, |
(0,30^-0,45)-Ю"3 |
|
Среднескоро- |
обычная краска |
(0,30^-0,55)-Ю"3 |
|
стные |
Сварная обшивка корпуса |
(0.6СК-1,0)-10"3 |
|
Среднескоро- |
|||
стные |
со значительной волни |
|
|
|
стостью листов, обыч |
|
|
Железобетон |
ная краска |
(0,fr-I,2)-I0~3 |
|
Сборный железобетон, |
|||
ные |
обычная краска |
(1,8^2,3)-Ю-3 |
|
Деревянные |
Обычная краска |
||
3. Вычисление площади смоченной поверхности корабля
Смоченная поверхность характеризует плоцадь, в пределах которой происходит взаимодействие корабля с окружающей жидкостью. В общем случае площадь наружной поверхности погруженного объема корабля не поддается точному аналитическому расчету. На ранних стадиях проек тирования, когда нет теоретического чертежа и известны лишь главные размерения, часто применяют приближенные формулы. Наиболее употребительными формулами являются следующие:
- формула С.П.1У|урагина,
9 = U(i,-56T+ i,i5 8B) , |
(I . I |
8
применяемая для определения смоченной поверхности быстро ходных кораблей;
- формула В.А.Семеки,
tt=llj>T+i,VUS-0,27lOB] |
, |
( I . I 3 ) |
|
которая может быть использована для морских транспортных |
|||
судов; |
|
|
|
- формула А.Б.Карпова, |
|
|
|
Я = V* 5 |
[5,1 + 0,074 -фг-О,^б] , |
( I . I 4 ) |
|
рекомендуемая для речных судов. |
могут дать отклонения |
||
Формулы ( I . I 2 ) , |
( I . I 3 ) , (I . I4) |
||
в величине площади смоченной поверхности, не превосходя щие 3-4$ значения смоченной поверхности, подсчитанного по теоретическому чертежу путем интегрирования по длине корабля длин погруженной части теоретических шпангоутов.
Расчет по формулам ( I . I 2 ) , |
( I . I 3 ) и ( I . I 4 ) |
дает площадь |
|
смоченной поверхности голого корпуса. К значениям S2 , |
|||
вычисленным по этим формулам, следует добавить величину |
|||
смоченной поверхности $ь.ч |
|
выступающих частей. Величину |
|
S2ft-4 можно вычислить по чертежам выступающих частей. |
|||
В зависимости от их конструкции значение 9 6 ч |
может |
||
составлять 1,5-7$ от 9? |
голого корпуса. |
|
|
4.Дополнительные составляющие сопротивления
Кдополнительным составляющим сопротивления движению корабля относятся сопротивление выступающих частей Rt 4
ивоздушное сопротивление Rt,o«v
Выступающие части представляют собой всякого рода |
|
детали и наделки на корпусе, поперечные размеры которых |
|
соизмеримы с толщиной пограничного слоя. К выступающим |
|
частям надводного корабля относят: гребные валы, вало- |
|
поддерживающие кронштейны, выкружки валов, вертикальный |
|
и скуловые кили, бортовые рули (успокоители качки), а |
9 |
также ахтерштевень. |