
- •И устройство судна
- •Содержание
- •Глава 1 Мореходные и эксплуатационные качества судна
- •Глава 2 Основы гидромеханики
- •§2.1. Основные свойства жидкостей
- •§2.2. Гидростатика
- •§2.3. Гидродинамика
- •§2.4. Теория подобия в гидромеханике
- •§2.5. Основы теории крыла
- •Глава 3 Геометрия корпуса судна § 3.1. Теоретический чертеж
- •§ 3.2. Главные размерения судна и коэффициенты полноты
- •§ 3.3. Посадка судна
- •§ 3.4. Элементы погруженного объема судна при посадке его прямо и на ровный киль
- •Абсцисса цв:
- •3.4.5. Понятие о правилах приближенного интегрирования.
- •§ 3.5. Элементы погруженного объема судна при посадке его прямо, но с дифферентом
- •Глава 4 Плавучесть судна
- •§ 4.1. Условие плавучести судна
- •§ 4.2. Вычисление массы и координат центра тяжести судна
- •§ 4.3. Изменение осадки при переходе судна в воду с иной плотностью
- •§ 4.4. Изменение осадки судна при приеме или расходование грузов
- •§ 4.5. Запас плавучести судна
- •Глава 5 Начальная остойчивость судна
- •§ 5.1. Общее понятие об остойчивости
- •§ 5.2. Равнообъемные наклонения судна. Теорема Эйлера
- •§ 5.3. Метацентры и метацентрические радиусы
- •Как видно из рис. 36, при малом угле θ
- •Аппликатапоперечного метацентра:
- •Так как площадь ватерлинии вытянута в продольном направлении, то Jyf намного превышаетJx и соответственноRзначительно большеr. ВеличинаRсоставляет 12 длины судна.
- •§ 5.4. Условие начальной остойчивости судна. Метацентрические высоты
- •§ 5.5. Метацентрические формулы остойчивости и их практическое применение
- •§ 5.6. Остойчивость формы и остойчивость нагрузки
- •§ 5.7. Определение мер начальной остойчивости судна
- •§ 5.8. Влияние перемещения грузов на посадку и остойчивость судна
- •§ 5.9. Влияние приема малого груза на посадку и остойчивость судна
- •§ 5.10. Влияние жидкого груза на остойчивость судна
- •Как видно из формулы, именноix оказывает влияние на остойчивость.
- •§ 5.11. Опытное определение метацентрической высоты и положения центра тяжести судна
- •Глава 6 Остойчивость судна на больших углах наклонения
- •§ 6.1. Плечо статической остойчивости на больших углах крена
- •§ 6.2. Диаграмма статической остойчивости
- •6.2.1. Определение мер начальной остойчивости с помощью дсо.
- •§ 6.3. Динамическая остойчивость судна
- •§ 6.4. Влияние условий плавания на остойчивость судна
- •Глава 7 Практическое применение теории плавучести и остойчивости
- •§ 7.1. Определение массы груза, обеспечивающего заданный угол крена
- •§ 7.2. Расчеты по снятию судна с мели
- •7.2.2. Определение реакции грунта и точки ее приложения.
- •Глава 8 Нормирование и контроль остойчивости судов
- •§ 8.1. Нормирование остойчивости морских промысловых судов
- •§ 8.2. Информация об остойчивости судна
- •Глава 9 Непотопляемость судна
- •§ 9.1. Общее понятие о непотопляемости
- •§ 9.2. Принципы обеспечения непотопляемости
- •§ 9.3. Методы расчета непотопляемости
- •§ 9.4. Классификация затопленных отсеков
- •§ 9.5. Спрямление поврежденного судна
- •9.5.2. Задачи и методы спрямления поврежденного судна.
- •§ 9.6. Нормирование непотопляемости промысловых судов
- •Глава 10 Сопротивление воды движению судна
- •§ 10.1. Общие сведения
- •§ 10.2. Составляющие сопротивления движению судна
- •§ 10.3. Сопротивление трения
- •§ 10.4. Сопротивление формы
- •§ 10.5. Волновое сопротивление
- •§ 10.6. Сопротивление выступающих частей
- •§ 10.7. Воздушное сопротивление
- •§ 10.8. Влияние эксплуатационных факторов на ходкость судна
- •Глава 11 Судовые движители
- •§ 11.1. Общие сведения о судовых движителях
- •§ 11.2. Геометрические характеристики гребного винта
- •§ 11.3. Кинематические характеристики гребного винта
- •§ 11.4. Гидродинамические характеристики гребного винта
- •§ 11.5. Работа гребного винта на разных режимах
- •§ 11.6. Диаграммы для расчета гребных винтов
- •§ 11.7. Взаимодействие гребного винта и корпуса судна. Пропульсивный коэффициент
- •§ 11.8. Кавитация гребных винтов
- •§ 11.9. Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем
- •§ 11.10. Винты регулируемого шага
- •§ 11.11. Паспортная диаграмма судна оборудованного винтом фиксированного шага
- •Список литературы
§2.4. Теория подобия в гидромеханике
Для изучения сложных гидродинамических явлений прибегают к модельному эксперименту. Результаты таких экспериментов могут быть перенесены на натуру лишь тогда, когда явления при моделировании и в натурных условиях подобны. Различают три вида подобия: геометрическое, кинематическое и динамическое.
Для геометрического подобия требуется, чтобы отношение сходственных линейных размеров натуры L1 и модели L2 было равно постоянной величине
L1/ L2 = S11/2/ S21/2 = V11/3/ V21/3 = Cl,
где S1, S2 - сходственные площади натуры и модели; V1 ,V2 -сходственные объемы натуры и модели; Cl - постоянная геометрического подобия.
Кинематическое подобие возможно, если отношение промежутков времени, в течение которых сходственные точки описывают геометрически подобные отрезки траекторий, равно постоянной величине и, кроме того, выполняется геометрическое подобие натуры и
модели. Кинематическое подобие характеризуется двумя постоянными подобия - геометрической Cl и времени Ct = t1/ t2; все остальные его постоянные являются производными от указанных двух. Например, для отношения скоростей и ускорений можно записать:
υ1/ υ 2 = Cυ = Cl / Ct ; α1/ α 2 = C α = C υ / Ct = Cl / Ct2 = Cυ2/ Cl
При динамическом подобии требуется, чтобы отношение сходственных сил и натуры и модели было равно постоянной величине. Для выполнения этого условия достаточно, чтобы при наличии кинематического подобия отношение сходственных масс натуры и модели было равно постоянной величине Сm:
Сm = m1 / m2 = ρ1V1/ ρ2V2 = Cρ Cl3
где ρ1, ρ2 - плотности сходственных объемов натуры и модели;
Сm, Cρ, Cl - постоянные подобия.
Для отношения сходственных сил можно записать:
F1/F2 = m1 α1 / m2 α2 = Cρ Cl3 Cυ 2 / Cl = Cρ Cl2 Cυ 2,
Откуда следует общий закон механического подобия:
F1/ ρ1 υ12 S1 = F2 / ρ2 υ22 S2 .
Поэтому любое механическое усилие в жидкости можно представить в виде:
F = 0,5 ζ ρ υ2 S,
где ζ - безразмерный коэффициент силы, который одинаков для динамически подобных явлений.
Кроме общих условий динамического подобия для сил, обусловленных вязкостью жидкости, должно соблюдаться равенство чисел Рейнольдса (подобие по Рейнольдсу)
υ1 L1/ ν1 = υ2 L2/ ν2 = Re
(ν1,ν2 - кинематические вязкости жидкостей, в которых испытываются натура и модель), а для сил обусловленных весомостью жидкости - равенством чисел Фруда (подобие по Фруду)
υ1
/=
υ2 /
=
Fr.
§2.5. Основы теории крыла
Гребные винты, рули, и другие судовые устройства имеют общий принцип действия, рассматриваемый в теории крыла. Для изучения работы этих устройств необходимо иметь представление о силах, действующих на крыло при движении.
Геометрические характеристики крыла определяются (рис.5.):
- площадью крыла Fи формой проекции крыла в плане;
- длиной (размахом) крыла l- размером крыла в направлении,
перпендикулярном набегающему потоку;
- профилем крыла - сечением крыла плоскостью, перпендикулярной его размаху;
- хордой крыла b(шириной крыла) – отрезком прямой, соединяющей крайние точки профиля; при переменной по размаху крыла хорде вводится понятие средней хорды:
bср =F/l;
- максимальной толщиной профиля t– расстоянием между крайними точками профиля перпендикулярно хорде.
Часто пользуются безразмерными геометрическими характеристиками крыла:
- удлинением (относительным размахом) крыла λ = l/bср=l2/Fили (для прямоугольного крыла) λ =l/b;
- относительной
толщиной
=
100t/b-
отношением наибольшей толщины профиля
к длине хорды.
Рис.5.
Геометрические характеристики крыла
Гидродинамические характеристики крыла (рис.6.) определяются его геометрией и углом α между хордой профиля крыла и направлением скорости движения его, называемым углом атаки. Поток, набегающий на крыло со скоростью υ под углом атаки α, на верхней поверхности крыла ускоряется, а на нижней - замедляется. Согласно уравнению Бернулли, на нижней поверхности создается повышенное давление, а на верхней - пониженное. Кроме сил давления, на движущееся в вязкой жидкости крыло действуют касательные силы трения. Силы гидродинамического давления и касательные силы трения приводятся к главному вектору гидродинамических сил Р.
Рис.6. Схема действия потока жидкости на крыло
Спроектировав главный вектор на направление движения и перпендикулярное ему направление, получим силу профильного Рx и подъемную силу крыла Ру:
Рx= Рcos(Р, x); Ру= Рcos(Р,y).
Также можно определить составляющие силы Р направленных по нормали и по касательной к крылу. Нормальная составляющая силы Р:
Рn= Рy cosα + Рхsinα;
Тангенциальная составляющая силы Р:
Рt= Рxcosα - Рysinα;
Точка приложения силы Р называется центром давления. Центр давления отстоит от передней кромки крыла на расстоянии хр. Момент относительно передней кромки крыла М = Рnхр.
Отношение подъемной силы крыла к его сопротивлению называется коэффициентом гидродинамического качества крыла
К = Рy/ Рх= С y/ Сх.
Коэффициент обратного качества ε = Рх/ Рy.
В соответствии с общей формулой для гидродинамических сил определяется силы и моменты, действующих на крыло при движении:
Рy = 0,5 С y ρυ2F; Рx = 0,5 С x ρυ2F;
Рn = 0,5 С n ρυ2F; Рt = 0,5 С t ρυ2F;
M= 0,5 С m ρυ2Fb,
где Сy, Сx, Сn, Сt, Сm - безразмерные коэффициенты подъемной силы, сопротивления, нормальной силы, касательной силы и момента. Отношение абсциссы центра давления крыла к длине хорды хр/b= С р, называется коэффициентом центра давления крыла, тогда
С m = С nС р.
Безразмерные коэффициенты определяют гидродинамические характеристики крыла. Обычно задают независимые коэффициенты: Сy, Сx , Сm (Ср), так как остальные коэффициенты являются зависимыми.
Для данного крыла коэффициенты Сy,Сx, Сn,Сt, Ср,Сm , К(ε) зависят от угла атаки α, чисел РейнольдсаRe, ФрудаFr, а также от условий движения крыла (в безграничной жидкости, вблизи свободной поверхности жидкости, кавитации и т.п.). Они определяются теоретическим или чаще экспериментальным путем, поэтому для геометрически подобных крыльев они задаются в функции от угла атаки при установившемся обтекании потоком жидкости с некоторым числомRe. Значения гидродинамических коэффициентов крыла, в общем случае завися от числаRe, однако, при обтекании крыла без кавитации безграничным потоком несжимаемой жидкости с числомRe> (1,31,5) 106коэффициенты оказываются в автомодельной области и их можно считать независимыми отRe.
На рис.7. приведены кривые зависимости гидродинамических характеристик крыла от углов атаки. Из рисунка видно, что коэффициент подъемной силы с увеличением угла атаки вначале возрастает, а затем, достигнув максимума при так называемом критическом угле атаки αкр, начинает резко падать. Для симметричного профиля подъемная сила становится равной нулю при нулевом угле атаки, для несимметричного -при значениях α, отличных от нуля. Угол атаки, при котором Сy обращается в нуль, называютуглом нулевой подъемной силы α0, а угол αi= α + α0-гидродинамическим углом атаки. Направление потока, соответствующее углу α0, называетсянаправлением нулевой подъемной силы.
Рис.7. Кривые зависимости гидроди-намических характеристик крыла от углов атаки
Из рис.7. следует, что существует такое значение угла атаки, при котором коэффициент обратного качества минимальный. Этот угол называют наивыгоднейшим углом атаки αорt.
На
гидродинамические характеристики крыла
сильно влияют границы потока (рис.8).
Влияние твердой стенки под крылом
приводит к увеличению коэффициента его
подъемной силы, а по мере уменьшения
погружения крыла к заметному снижению
величины С y.
Рис.8. Графики влияния твердой стенки и свободной поверхности жидкости на С y прямоугольных крыльев.