15. Составляющие сопротивления воды движению судна, их физическая сущность и пути снижения

В судовых проектных документах, в частности в расчетах ход­кости, встречаются следующие составляющие силы полного сопротив­ления среды движению судна;

R = R_тр + R_волн + R_ф + R_вч + R_a ,

где R_тр - составляющая сопротивления трения;

R_волн - составляющая волнового сопротивления;

R_ф - составляющая сопротивления формы;

R_вч - составляющая сопротивления выступающих частей;

R_a - аэродинамическое сопротивление.

Сопротивление трения R_тр зависит от числа Рейнольдса R_e = VL/ν и представляет горизонтальную составляющую суммы ка­сательных сил, возникающих при обтекании корпуса потоком при движении судна.

Волновое сопротивление R_волн зависит от числа Фруда и представляет горизонтальную составляющую от сил давления.

Сопротивление форма R_ф зависит от числа Рейнольдса.

R_вч - сопротивление выступающих частей, т.е. скуловых килей, увеличивающих смоченную поверхность судна, а следовательно, сопротивление трения ахтерштевня, руля, шахт эхолота, гирокомпа­са и др., увеличивающих сопротивление формы.

R_a- воздушное сопротивление, зависящее от числа Рейнольдса R_a = f (R_e)и представляет сопротивление воздуха движению судна на сдаточных испытаниях при штилевой погоде.

В эксплуатации на судне дополнительно возникают следующие составляющие сопротивления ;

R_л - ледовое сопротивление;

R_мет -метеорологические сопротивления, т.е. сопротивление ветра и волне­ния;

R_рв - сопротивление разрушений волны;

R_тр - наибольшая из трех составляющих, равная 65-80% суммы

R_тр + R_волн + R_ф

R_тр в эксплуатации существенно увеличивается за счет повышения шероховатости корпуса от коррозии, вспучивания краски и обрастания животными организмами и водорослями.

В целях уменьшения R_тр периодически (раз в год для пас­сажирских судов и раз в два года для ледоколов и судов активного ледового плавания) осуществляют плановые докования с полной очист­кой и окраской корпуса. Для судов, эксплуатирующихся в тропиках, систематически осуществляют междоковые очистки корпуса под водой.

В стадии натурного эксперимента находятся методы снижения сопротивления трения за счет подачи в пограничный слой раство­ров полимеров и применения "воздушной смазки".

Расчет R_тр не требует проведения модельных испытании. Гипотеза Фруда об эквивалентной технически гладкой пластине по­зволила средствами теории пограничного слоя установить зависи­мость _пл = f (l_g R_e)

Волновое сопротивление R_волн является следствием возникно­вения при движении судна носовой и кормовой систем волн, вклю­чающих каждая две группы волн: расходящихся и поперечных.

Природа волнообразования - гравитационная. Выведенные из равновесия (за счет избытка гидродинамического давления в носу и в корме) частицы жидкости колеблются вследствие сил гравита­ции. Эти колебания воспринимаются как волновой профиль. Длина волн зависит от скорости судна:

Носовая система волн интерферирует с кормовой. Интерференция может быть благоприятной и неблагоприятной. Характер интерференции зависит от числа Фруда, т.е. от скорости хода и длины судна. Волновое сопротивление сдерживает рост ско­ростей морских судов. Это наглядно видно из графика _пл = f (Fr)

Системы и группы волн показаны на рисунке выше. На глубокой воде угол между лучами, соединяющими середины стругов расходящихся волн с диаметральной плоскостью, α= 18-20°. Угол между продолжением следа расходящихся волн и диаметральной плоскостью =2 α .

Реальное уменьшение волнового сопротивления достигается двумя путями:

- путем непересечения ватерлиний свободной поверхности (суда на крыльях, суда на воздушной подушке, экранопланы, под­водные суда)

- применением бульбовых образований носовой оконечности, обеспе­чивающих более благоприятную интерференцию.

Сопротивление формы R_ф составляет часть сил давления вязкостной природы. Физичес­кая сущность его определяет­ся характером распределения давления по длине судна и физическими явлениями, про­исходящими в пограничном слое судна (см.рис.).

Вследствие потери кине­тической энергии частиц жидкости, движущихся из зоны понижения давления в зону повышения давления, возника­ет противопоток частиц и вследствие этого вихреобразование. На создание вихревых систем затрачивается энергия, что определяет сопротивление формы.

Воздушное сопротивление R_возд. При обтекании воздухом надводной части судна создается результирующая аэродинамическая сила сопротивления R_а

Аэродинамическая сила R_а при произвольном направлении скорости потока воздуха V_возд относительно диаметральной плоскости судна, определяемая углом α составляет с диаметральной плоскостью угол ₁> α₁. R_возд является проекцией R_а на направление скорости движения судна.

При попутном ветре R_возд совпадает с направлением движения судна. Проекция R_а на направление, перпендикулярное ско­рости движения судна, характеризует силу дрейфа R_дp.

Сила сопротивления воздуха R_возд = R_а cos ₁ .

Вектор V_возд - кажущийся ветер.

Воздушное сопротивление

где С - коэффициент воздушного сопротивления, определяемый путем продувки моделей подводной части корпуса в аэродинамической трубе. Для транспортных судов С = 0,7-1,2;

_в - массовая плотность воздуха;

F_x - площадь проекции надводной части судна на плоскость мидельшпангоута.

Воздушное сопротивление максимально при встречном ветре, направленном в скулу под углом α₁ = 25-30°.

16. Изменение ходкости судна при обрастании и коррозии. Влияние гидрометеорологических факторов на скорость судна. Причина преднамеренного снижения скорости судна

На наружную обшивку корпуса судна при его постройке и в процессе докования наносятся лакокрасочные покрытия. Шерохова­тость свежеокрашенной поверхности представляет собой технологи­ческую шероховатость. Эксплуатационная шероховатость обусловле­на коррозией корпуса и вследствие этого вспучиванием краски, обрастанием наружной обшивки ракушками (зоопланктоном) и водо­рослями (гидропфами). Во избежание этих явлений наружная повер­хность корпуса окрашивается 3-4 слоями антикоррозионного и 3-я слоями антиобрастающей краски.

Технологическая шероховатость зависит от качества подготовки корпуса и покраски, технологии нанесения покрытия, ка­чества самих красок. Эксплуатационная шероховатость зависит or качества антиобрастающего покрытия, соотношения стояночного и ходового времени, района плавания.

Технологическая шероховатость свежеокрашенного корпуса при правильной подготовке обшивки корпуса к покраске и качест­венном выполнении работ составляет 120 мкм.

Под качественной подготовкой понимается пескоструйная или дробеструйная обработка корпуса до чистого металла.

Отечественные краски не удовлетворяют требованиям эксплуатации. Наиболее качественной является английская самополирующаяся крас­ка SPC, используемая как антикоррозионная и противообрастающая. При плавании во льдах наиболее совершенной является антиабразивная краска финского производства "Инерта-160".

Шероховатость обшивки корпуса, обусловленная коррозией и разрушением краски, увеличивается в эксплуатации в зависимости от качества краски, возраста судна.

Для судна возрастом до 3-х лет шероховатость в среднем в год увеличивается от 5 до 30 мкм, для судов возрастом свыше 10 лет - до 70 мкм и более в год.

Каждые 10 мкм шероховатости свыше 120 мкм увеличивают по­требную мощность при данной скорости на 1%. Каждые 30 мкм шероховатости снижают скорость хода судов на 1%.

В целях поддержания пропульсивных качеств судов все транс­портные суда осуществляют периодическое докование один раз в 2 года.

Пассажирские суда и ледоколы докуются один раз в 12 месяцев.

Основными причинами изменения скорости и курса судна в ус­ловиях шторма являются стремление сильной качки, слеминга, зали­ваемости, пониженной остойчивости и др. гидрометеорологических факторов увеличивать сопротивление движению и действовать на корпус непосредственно и косвенно, через различные виды качки и рыскание на курсе.

Помимо этого на волнении потеря скорости хода происходит вследствие таких причин как:

- уменьшение эффективности действия гребного винта за счет ко­лебания погружения;

- ограничение используемой мощности главных двигателей, вводимых регуляторами, защищающими двигатель от перегрузок;

- намеренное снижение скорости хода судна судоводителем при воз­никновении опасных для судна, груза или экипажа явлений (слеминг, удары волн в развал носа, заливание палубы и надстроек, чрезмерное ускорение при качке).

Естественная потеря скорости обусловлена средним дополнительным сопротивлением, которое вызвано ветром и волнами и не зависит от сопротивления движению судна по тихой воде.

Ветровое сопротивление пропорционально площади поперечной проекции подводной части судна и квадрату относительной скорос­ти ветра. Среднее аэродинамическое сопротивление судна под дей­ствием негра может быть определено по формуле :

,

где С_о - коэффициент сопротивления при встречном ветре (q=0);

С_q, - коэффициент влияния курсового угла ветра и волн ;

F_x - площадь поперечной проекции судна, м²;

Fr_в - число Фруда по абсолютной средней скорости ветра ;

C₀ и С_q определяются по продувкам моделей в аэродина­мических трубах.

Дополнительное сопротивление судна на волнении определяет­ся по формулам В.Б.Липиса и Д.Б.Кондрикова, но методике Шnoppенa по упрощенным формулам.

Непосредственно потеря скорости может быть определена по формуле Аэртсена:

,

где m и n коэффициенты, зависящие от направления волн относительно курсового угла.

Во избежание слеминга, заливаемости, повышенных ускорений при килевой и вертикальной качке судоводителю необходимо сни­жать скорость хода судна.

Особенности слеминга определяются совместным выполнением двух условий: оголением днища и входом его в воду с вертикаль­ной скоростью относительно воды, большей (3-4) L^1/2 (м/с). Заливание палубы и удары волн в развал носа судна вызывают повреждения бака, палубного оборудования, люковых закрытий и т.д.

Удары волн в развал носа (выпинг) вызывают вибрацию, вмя­тины в верхней части обшивки носа. Вода может попасть внутрь судна через открытые трюма. Заливаемость зависит от конструктив­ных особенностей носа судна, высоты надводного борта в носу, от уровня килевой качки, от седловатости палубы и скорости хода и от размаха и скорости колебаний уровня воды вдоль борта. Изме­нив курс, можно уйти от ударов волн в развал носа, но не избежать заливаемости. Чтобы уменьшить заливаемость рационально сни­зить скорость и изменить курс.

Разгон гребного винта и двигателя вызывается оголением ло­пастей вследствие качки или работы гребного винта вблизи сво­бодной поверхности. Разгон винта вызывает резкие, забросы часто­ты вращения двигателя. Его можно избежать путем увеличения диф­ферента на корму, заглубляя гребной винт. Для судов с ВРШ раз­гона можно избежать, маневрируя судном на волнении, снижая шаг лопастей.