Глава 3. Силовые воздействия на корабль

3.1 Сила плавучести ( сила поддержания ).

Для погружённой поверхности корпуса подводного корабля или для поверхности непроницаемого корпуса подводной лодки сила гидростатического давления ( или сила плавучести ) определяется по формуле :

где V - погружённый непроницаемый объём

- удельный вес жидкости ( = g )

C - геометрический центр тяжести объёма V.

3.2. Поток жидкости. Установившееся и неустановившееся движение жидкости

Геометрическое представление о потоке жидкости дают линии тока , как совокупность жидких частиц , движущихся в пространстве. В каждой точке лини тока , касательные к ней совпадают с векторами скоростей частиц жидкости ,находящихся в этих точках и тотже момент времени.

линия тока

Поверхность , образованная линиями тока, называется поверхностью тока, а поверхность образованная линиями тока , проходящими через замкнутый контур - трубкой тока.

трубка тока

Жидкость , заключённая внутри трубки тока называется струйка, а поверхность , нормальная к линиям тока - живым сечение потока.

Объём жидкости , протекающей через живое сечение потока в единицу времени называется расход:

,

где -площадь живого сечения потока

или

где -средняя по живому сечению скорость.

Местные и средняя по сечению потока скорости.

Движение жидкости называется установившееся , если параметры характеризующие его в каждой точке пространства , не изменяются во времени , а линии тока и траектории частиц жидкости совпадают.

Движение , при котором один или несколько параметров , характеризующих его в каждой точке пространства , изменяется во времени, называется неустановившимся.

При изучении движения корабля с постоянной скоростью используется принцип обращения движения ,сводя неустановившееся движение жидкости , вызванное перемещением в ней тела , к установившемуся.

С точки зрения кинематики абсолютное и обращенное движение различны, однако гидродинамические силы , действующие со стороны жидкости на тело , по величине и направлению одинаковы.

3.3. Критерии подобия и общие формулы гидродинамических сил и моментов

Геометрическое подобие заключается в том ,что сходственные линейные размеры в натуральном и модельном потоке пропорциональны. Коэффициент пропорциональности К_L = L_н / L_м - геометрический ( линейный ) масштаб.

Климатическое подобие заключается в том ,что в сходственных точках натурального и модельного потоков скорости по направлению одинаковы , но по величине пропорциональны. Коэффициент пропорциональности - масштаб скоростей.

Динамическое подобие заключается в том ,что для натурального и модельного потоков в сходственных точках :

1. действующие одноимённые силы

2. отношение между всеми одноимёнными силами различаются в одинаковое число раз , которое представляет собой масштаб сил

3. начальные и граничные условия одинаковы и различаются только масштабом задаваемых параметров.

4. Таким образом движение жидкости в сходственных точках динамически похожих потоков должно подчиняться одним и тем же диф. уравнениям ,отличающихся только постоянным множителем. Критерии подобия можно получить для каждого случая движения жидкости и выразить его через кинематические и динамические параметры

3.3.1. Число Фруда

,

где L – линейный размер ;

- скорость корабля.

Характеризуем соотношение между силами тяжести и конвективными силами инерции. Подобие по Фрузу () обеспечивается , если:

, или

.

Силы тяжести , подобие по которым обеспечивает Fr , действуют всегда , но они не всегда влияют на гидродинамические характеристики потока. Учитывать его обязательно при движение корабля с интенсивным волнообразованием и необязательно , например , при движении подводной лодки на глубине.

3.3.2.Число Рейнольдса

характеризует соотношение между силами вязкости и силами инерции. Подобие по Рейнольдсу обеспечивается , если

в случае одинаковых жидкостей , когда получаем

,

т.е. если скорость модели больше натуральной в раз.

3.3.3 Число Струхаля (гомохронности)

Характеризует соотношение между локальными и конвективными силами инерции. При равенстве сил обеспечивается подобие натурального и модельного потоков по этим силам ( t - характерный промежуток времени ).

3.4.Гидродинамические силы и моменты

При действии среды на тело формулы гидродинамических сил и моментов приобретают вид:

,

где - безразмерные коэффициенты гидродинамической силы и момента;

S – характерная площадь;

L – характерный линейные размер.

Коэффициенты и зависят от чисел : , а также от формы тела отсостояния поверхности и ориентации движения.

Для подводных кораблей :

.

Для подводной лодки при отсутствии волнообразования :

В практике большое значение имеет установление автомодельных областей , в пределах которых значения изучаемого коэффициента практически не зависят от этого критерия.

В автомодельной области коэффициенты гидродинамических сил ( или моментов ) для натуры и модели одинаковы. Поэтому нет необходимости обеспечивать равенство критериев подобия на модели и в натуре

3.5. Ламинарное и турбулентное движение вязкой жидкости

В расчетах выделяют:

1. Ламинарный режим ( слоистый ), при котором отсутствует переливание части жидкости между ее слоями.

2. Турбулентный режим ( или беспорядочный ), который сопровождается интенсивным переливанием частиц жидкости и пульсациями во времени местных скоростей и давлений.

Ламинарный режим существует при достаточно малых скоростях движения. С увеличением скорости он переходит в турбулентный, при некоторой скорости V_кр , которая называется верхней критической скоростью.

Число Рейнольдса , при котором в заданных условиях происходит переход ламинарного режима в турбулентный, называется верхним критическим числом Рейнольдса, а число , при котором турбулентный режим переходит в ламинарный, - нижним критическим числом Рейнольдса.

3.6. Пограничный слой

При расчетах обтекания тел поток условно разделяют на две области:

- пограничный слой, непосредственно прилегающий к поверхности тела;

- внешний поток.

Пограничный слой имеет следующие особенности:

1) местные скорости по толщине слоя изменяются от на стенке, где частицы жидкости удерживаются силами молекулярного сцепления , до скорости набегающего потока на внешней границе слоя.

2) силы вязкости и конвективные силы инерции имеют в нем одинаковый порядок ;

3) толщина пограничного слоя мала по сравнению с длиной обтекаемого тела.

Понятие толщины пограничного слоя условно , поскольку скачкообразного перехода от пограничного слоя к области внешнего потока нет. Обычно за принимают такое расстояние от стенки , на котором скорость достигает 99,5% скорости во внешнем потоке.

3.7. Обтекание поверхностей с местной и общей шероховатостью

Общей шероховатостью называются непрерывно распределенные бугорки и неровности, высота и ширина которых имеют одинаковый порядок.

Местная шероховатость обусловлена местными неровностями и выступами или впадинами, которые отстоят друг от друга на большом расстоянии по сравнению с их размерами.

При ламинарном пограничном слое общая и местная шероховатость ускоряет переход в турбулентный режим обтекания и ведет к росту величины сопротивления.

При турбулентном пограничном слое степень влияния общей шероховатости на величину коэффициента трения зависит от средней высоты бугорков шероховатости и толщины ламинарного подслоя.

3.8. Гидродинамические силы и моменты , действующие на тело при движении в вязкой несжимаемой жидкости.

При движении тела в вязкой несжимаемой жидкости действующие на него сила и момент представляются в виде суммы:

,

где - инерционные гидродинамические сила и момент

-волновые гидродинамические сила и момент, обусловленные волновыми процессами в возмущенном течении жидкости;

-вязкостные гидродинамические сила и момент.