Сопротивление воды движению плавающих средств

Предположим, что под действием какой-либо внешней силы плавающие тело начало перемещаться в жидкости с определенной скоростью. Очевидно, что окружающая тело жидкость начнет оказывать сопротивление этому перемещению и кроме гидростатических сил на плавающих тело начнут действовать со стороны жидкости силы, препятствующие его движению. Эти силы носят название гидродинамических. В отличие от воды сил гидростатического давления, гидродинамические силы, действующие на каждую элементарную площадку смоченной поверхности тела, могут быть приложены к этим площадям под углом.

Для удобства определения, их разлагают на нормальную и касательную составляющие. Нормальная составляющая гидродинамических сил называется силой давления (N), а касательная составляющая - силой трения (Т).

Элементарные гидродинамические силы, распределенные сложным образом по смоченной поверхности судна, в общем случае могут быть приведены к результирующей силе - главному вектору и главному моменту гидродинамических сил.

Для движения судна с постоянной скоростью, при сохранении неизменного положения по отношению к уровню воды, необходимо, чтобы главный вектор и главный момент гидродинамических сил уравновешивались другими силами, приложенными к судну (собственный вес, сила тяги, сила водоизмещения и др.), т. е, чтобы сумма всех действующих на судно сил равнялась нулю.

Остановимся более подробно на гидродинамических силах, являющихся основными в формировании сопротивления воды движению плавающих тел.

Рассмотрим судно, движущиеся равномерно-поступательно в потоке жидкости (рис. 17.15).

Примем прямоугольную систему координат, связанную с судном, причем начало координат выберем на свободной поверхности жидкости в плоскости мидель шпангоута.

Ось х направим горизонтально противоположно направлению скорости поступательного движения судна; ось у перпендикулярно оси х в горизонтальной плоскости, ось z вертикально вверх и спроектируем главный вектор гидродинамических сил R на оси выбранной системы координат.

Рис. 17.15. Схема движения судна в потоке жидкости

Влияние главного момента гидродинамических сил в дальнейшем рассматривать не будем.

Проекция главного вектора гидродинамических сил R на оси х, т. е. составляющая R_х, называется силой сопротивления воды движения судна; составляющая R_y - силой дрейфа; R_z - гидродинамической поддерживающей силой.

Соотношение между этими составляющими и их величины зависят от направления и скорости движения судна, размеров и формы корпуса, шероховатости подводной поверхности корпуса, а также от глубины и ширины водоема (реки) по которому происходит движение.

В большинстве случаев сила дрейфа R_y не имеет существенного значения. Остановимся на силе R_х и пока не будем учитывать влияния силы Rz на Rх.

Составляющие силы полного сопротивления

Как показывают наблюдения, при движении судна в окружающей его воде можно различить три характерные области, в которых создается главным образом сила сопротивления движению судна (рис. 17.16).

Область I - находится в непосредственной близости к смоченной поверхности судна, в которой наиболее сильно сказывается действие сил трения. Называется пограничным слоем. Вихревая область II, образуется за кормой судна. Область III - характеризуется тем, что в ее пределах на свободной поверхности воды образуются различные группы гравитационных, корабельных волн. Эта область называется внешним потоком.

В соответствии с этим сопротивление движению судна считают слагающимся из следующих сил:

- сопротивление трения - R_тр,

- вихревое сопротивление - R_вихр,

- волновое сопротивление - R_волн, т. е.

R_х= R_тр+ R_вихр+ R_волн

Рис. 17.16. Схема сил сопротивления движению судна

Кроме этих сопротивлений, являющихся основными, учитывается дополнительное сопротивление от имеющихся на корпусе подводных выступающих частей и дополнительное воздушное сопротивление надводной части судна: R_выст.ч. и R_возд.

Т.о., полное сопротивление воды движению судна выражается формулой:

R_х= R_тр+ R_вихр+ R_волн+ R_выст.ч + R_возд.

В результате многочисленных экспериментов на моделях и в натуре и общих теоретических соображений установлено, что сопротивление жидкости движению в ней твердого тела зависит в основном от плотности и вязкости жидкости, размеров, характера поверхности и формы тела, скорости его движения относительно жидкости.

Сопротивление трения R_тр является проявлением сил вязкости жидкости и представляет результирующую всех касательных сил, действующих на смоченную поверхность тела.

Сила сопротивления трения R_тр изучена более детально и основывается на современном учении о пограничном слое. На величину сопротивления трения оказывает влияние шероховатость поверхности судна и в очень слабой степени кривизна судовой обшивки.

Сопротивление трения выражается формулой

где ζ_тр - коэффициент сопротивления трения вычисляют по эмпирическим формулам, ρ - плотность жидкости, V - скорость судна, Ω - смоченная поверхность судна.

В отдельных случаях значение сопротивления трения настолько незначительно, что им пренебрегают.

Вихревое сопротивление R_вихр вызывается разностью давления в носовой и кормовой частях судна, оно направлено против его движения и является следствием вихреобразования за кормой.

R_вихр зависит от формы обтекаемого тела и, главным образом, от очертания кормовой его части, поэтому его называют также сопротивлением формы (рис. 17.2). При этом Различают два вида обтекания: безотрывочное и отрывочное обтекание ( >R_{вихр. безотр})_.

Вихревое сопротивление выражается формулой

где ζ_вихр - коэффициент вихревого сопротивления.

R_вихр составляет 20-25℅ от общего сопротивления воды движению твердого тела.

Волновое сопротивление R_волн возникает вследствие затраты энергии на создание и поддержание системы волн, образующихся в жидкости. Поскольку судно непроницаемо для жидкости, то оно при своем движении непрерывно вытесняет носовой частью некоторый объем жидкости и одновременно освобождает такой же объем за кормой. Этот объем сразу же заполняется окружающей судно жидкостью. Вблизи носа уровень жидкости поднимается по отношению к уровню невозмущенной поверхности, вследствие его вытеснения корпуса, а вблизи кормы, наоборот, понижается, получающийся при этом перепад уровней нарушает равновесие жидкости и вызывает образование на поверхности воды гравитационных волн (корабельных волн). При этом корабельные волны состоят из расходящихся волн и волн поперечных.

Величина волнового сопротивления зависит от формы тела, глубины его погружения под свободную поверхность, скорости движения, а также от глубины и ширины фарватера, где происходит движение. Для определения волнового сопротивления пользуются как теоретическими, так и экспериментальными методами. В частности, величина волнового сопротивления может быть определена по формуле

где ζ_волн - коэффициент волнового сопротивления.

R_волн составляет 10℅ от полного сопротивления.

Сопротивление выступающих частей R_выст.ч. является дополнительным сопротивлением, увеличивающим в основном вихревое сопротивление. (Такими выступающими частями являются рули, киль, гребные волны, колеса и др.). Вихревое сопротивление определяется опытным путем.

Вихревое сопротивление составляет до 25 ℅ и более от полного сопротивления.

Сопротивление воздуха R_возд слагается из сопротивления надводной части корпуса и палубных надстроек набегающему потоку воздуха.