Глава 8 сопротивление воды движению судна

8.1 Понятие ходкости судна

Ходкость судна называется его способность двигаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.

При движении судна в жидкости с постоянной скоростью V оно испытывает силу сопротивления R со стороны жидкости.

Для того, чтобы судно могло двигаться с постоянной скоростью к нему необходимо приложить силу P, называемую упором, которая равна силе сопротивления R и противоположно направлена. Сила упора создается движителем, который приводится в действие главным двигателем судна ГД.

Для преодоления сопротивления жидкости необходимо совершить работу равную произведению, т.e. силы, скорости и времени. Известно, что работа, произведенная в единицу времени, называется мощностью N, поэтому для движения судна с заданной скоростью необходима мощность, называемая буксировочной мощностью.

Эту мощность необходимо приложить для буксировки судна.

При движении самоходного судна с помощью гребного винта, движителя приводимого в действие с помощью ГД, необходимо учесть потери мощности механические в валопроводе, редукторе и муфте, а так же гидродинамические, учитывающие потери гребного винта и влияние корпуса судна , который называется пропульсивным КПД учитывает КПД винта и взаимодействие винта и корпуса судна . В этом случае ГД должен иметь эффективную мощность, определяемую выражением:

где

эффективная мощность;

пропульсивный КПД.;

КПД гребного винта;

коэффициент влияния корпуса.

Так как ходкостью называется способность судна двигаться с заданной скоростью при минимальных затратах мощности, то в дальнейшем будут рассмотрены теоретические закономерности, позволяющие рассчитывать и снижать сопротивление судну, а также оптимизировать работу гребных винтов и корпуса судна.

8.2 Сопротивление воды и его составляющие

Рассмотрим судно, движущееся со скоростью V на границе двух сред, т.е. на свободной поверхности жидкости.

Подводная часть корпуса (смоченная поверхность) испытывает сопротивление воды R, а надводная – сопротивление воздуха R_возд.

Причиной возникновения гидродинамического сопротивления, при движении судна в пресной и морской воде являются вязкость и весомость жидкости, а также наличие свободной поверхности жидкости.

Рассмотрим схему потока (рис. 8.1) и эпюру гидродинамических давлений (рис. 8.2) вокруг движущегося судна.

Рис. 8.1 Схема потока обтекания

Рис. 8.2 Распределение гидродинамических давлений при обтекании судна.

Частицы воды из-за вязкости «прилипают» к смоченной поверхности "Ω" обшивки судна и движутся вместе с ней. По мере удаления от корпуса их скорость уменьшается до нуля (V=0). Слой, в котором наблюдаются скорости частиц воды называется пограничным слоем (рис. 8.1), в котором от трения между слоями частиц с различными скоростями возникают касательные напряжения. Проинтегрировав эти напряжения по смоченной поверхности судна получим составляющую сопротивление воды, называемую сопротивлением трения R_тр.

На сопротивление трения влияет скорость судна, вязкость жидкости, площадь смоченной поверхности судна и степень ее шероховатости, зависящая от качества окраски и сварки корпуса. Шероховатость корпуса увеличивается от обрастания морскими организмами и зависит от времени пребывания судна в морской воде после докования.

Распределение давлений вокруг движущегося судна показана на( рис. 8.2), где видно, что давление в носу судна повышено, Р_н> Р_о причем давление в носу больше чем в корме Рн> Рк. Это обусловлено влиянием вязкости жидкости на поле скоростей потока, обтекающего судно. Проинтегрировав давление по смоченной поверхности судна Ω получим результирующую силу гидродинамического давления, направленную в противоположную движению судна сторону. Она является сопротивлением формы Rф судна, возникшего в результате затраты энергии частицами жидкости внутри пограничного слоя на преодоление касательных сил вязкостного трения.

У частиц жидкости, движущихся вблизи поверхности судна в пограничном слое может оказаться недостаточно энергии для преодоления давления, и они начнут двигаться против набегающего потока. Такой обратный поток оттесняет пограничный слой от поверхности судна в точке, которая называется точкой отрыва пограничного слоя. Это явление искажает картину обтекания судна в кормовой зоне и увеличивает сопротивление формы.

Сопротивление формы зависит от скорости судна и формы его корпуса. У судов с полными обводами обычно происходит, отрыв пограничного слоя в районе кормы, что вызывает рост сопротивления формы, а у судов с большим удлинением и заостренной кормовой оконечностью отрыва пограничного слоя нет. В связи с появлением вихрей в пограничном слое сопротивление формы иногда называют вихревым сопротивлением.

В близи поверхности воды в связи с изменением давлений при обтекании судна (рис. 8.2) линии тока искривляются в вертикальном направлении в соответствии с давлением и уровень воды в зоне повышенного давления поднимается, а в зоне пониженного—опускается, от чего возникают корабельные волны. Усилие, затраченное судном на генерацию корабельных волн, и есть волновое сопротивление Rв.

Судовые волны состоят из двух групп — носовой и кормовой. Носовая группа зарождается несколько позади форштевня, а кормовая – несколько впереди ахтерштевня. Каждая из этих групп состоит из двух систем волн — расходящихся и поперечных. Гребни расходящихся волн носовой и кормовой групп направлены под углом 18-20 градусов к диаметрали судна. Поперечные волны располагаются между расходящимися по нормалям к диаметрали судна. Первая носовая поперечная волна зарождается несколько позади форштевня в виде бугра, а первая кормовая несколько впереди ахтерштевня в виде впадины. Носовые и кормовые расходящиеся волны не взаимодействуют и затухают в отдалении, а носовые и кормовые поперечные волны интерферируют между собой.

Так как длина поперечных волн существенно зависит от скорости судна, то при их интерференции (наложении) возможно снижение или увеличение волнового сопротивления судна.

Волновое сопротивление зависит не только от скорости судна и формы его корпуса, но и от глубины и ширины фарватера. На мелководье и в узких каналах в связи с увеличением скорости воды, обтекающей корпус и уменьшением давления, происходит увеличение осадки (просадка судна), что приводит к увеличению смоченной поверхности судна и росту сопротивления трения. Одновременно с этим рост скорости судна на мелководье до критической существенно изменяет картину волнообразования. В носу и корме судна возникают две поперечные волны, движущиеся вместе с судном, что приводит к увеличению волнового сопротивления, а возникшее при этом увеличение осадки создает угрозу присоса судна грунту и удара днищем о дно.

Так как судно движется не только в водной, но и в воздушной среде то, надводная часть судна испытывает сопротивление воздуха, называемое воздушным сопротивлением R_возд.

Таким образом, полное сопротивление при движении судна представляется в виде суммы:

Рис. 8.3 Система корабельных волн