Сопротивление воды движению судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сопротивление воды движению судна



1. Общие сведения

Способность судна перемещаться с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы, создаваемой судовыми движителями или внешней тягой, называется ходкостью.

Ходкость обеспечивается судовой энергетической установкой и движителем, создающими силу тяги, которая передается на корпус и преодолевает сопротивление движению судна.

Судовой движитель - устройство, преобразующее работу двигателя (или естественного источника энергии) в движение транспортного средства.

При проектировании судна стремятся получить заданную скорость хода при наименьшей затрате мощности двигателей за счет выбора оптимальных характеристик корпуса и движителей.

С точки зрения ходкости основной интерес представляет прямолинейное движение судна с постоянной скоростью v. Чтобы обеспечить такое движение, сила тяги судового движителя Р_е должна быть равна по величине и противоположная по направления силе буксировочного сопротивления R движению судна:

Р_е = R,

Р_е v = R v.

Полезная мощность, развиваемая движителем называется буксировочной мощностью N_б (EPS), затрачивается на преодоление сопротивления R:

N_б = R v (кВт).

Мощность, которую необходимо подвести от двигателя к судовому движителю для создания им требуемой тяги, называется валовой мощностью или мощностью на гребном валу N_р:

N_р = N_б/з_д,

где з_д - пропульсивный коэффициент движителя, который равен произведению коэффициента полезного действия движителя - з_р на коэффициент влияния корпуса з_к (§11.7.4.), зависящий от формы кормовых обводов, расположения гребного винта и ряда других факторов. Для современных судов: з_р = 0,50 0,75, з_к = 0,951,

Мощность, вырабатываемая главным двигателем, определяется по формуле N_е:

N_е = N_б/з_д з_в з_п = N_б/з,

где з_в- коэффициент полезного действия валопровода (0,950,99);

з_п - коэффициент полезного действия передачи (редуктора, гидромуфты и т.п.), з_п = 0,940,98;

з - пропульсивный коэффициент судна.

Чем выше пропульсивные качества судна, тем меньше требуется мощность двигателя для обеспечения заданной скорости хода, тем совершеннее судно с точки зрения ходкости.

Для приближенной оценки мощности двигателя, необходимого для обеспечения заданной скорости, можно использовать формулу адмиралтейских коэффициентов:

N_е = Д^2/3v³ / С_е,

где Д - водоизмещение (масса) судна; v - скорость судна (уз);

С_е - адмиралтейский коэффициент.

Значение С_е определяется по известным величинам N_е и v близких по размерам однотипных судов. Обычно у морских промысловых судов С_е = 350540.

2. Составляющие сопротивления движению судна

Движущиеся судно приводит в движение массы окружающей воды и испытывает при этом реакцию со стороны воды в виде гидродинамических сил, действующих на смоченную поверхность корпуса. Эти силы можно привести к силе F_гд , приложенной в центре тяжести судна (в точке G) или в любом другом центре приведения, и к паре сил с моментом М_гд , равному главному моменту гидродинамических сил относительно ЦТ (рис.).

Составляющая F_х гидродинамической силы F_гд, направленная противоположно скорости v движения ЦТ судна, называется сопротивлением воды движению судна. Составляющая F_z , направленная по нормали к скорости v, называется подъемной силой и при горизонтальном движении судна может рассматриваться как гидродинамическая сила поддержания. Для водоизмещающих судов величина ее очень мала.

Схема действия гидродинамических сил и моментов при движении судна

Сопротивление воды зависит от скорости судна, формы, размеров и состояния наружной поверхности корпуса, от количества, формы и расположения на ней выступающих деталей и вырезов, а также от эксплуатационных факторов (продолжительности плавания судна после постройки и докования, наличия волнения моря, ограниченности фарватера и др.)

Расчеты сопротивления воды выполняются для равномерного прямолинейного движения судна при расчетной нагрузки на тихой глубокой воде, предполагается, что судно имеет новый свежевыкрашенный корпус. При расчетах полагают также, что судно движется с нулевыми углами атаки и дрейфа, т.е. горизонтально, без дрейфа и при совпадении вектора скорости с ДП. Наличие углов атаки и дрейфа в пределах 3⁰ не вызывает заметного увеличения сопротивления.

Изменение сопротивления воды в зависимости от водоизмещения судна, состояния корпуса и внешних условий плавания в необходимых случаях учитывается дополнительно.

При изучении и расчетном определении сопротивление воды условно разделяется на составляющие, которые предполагаются независимыми друг от друга (рис.). При таком разделении составляющие сопротивления увязываются с направлениями составляющих поверхностных гидродинамических сил (касательные и нормальные) и с основными физическими свойствами воды (вязкость и весомость). В соответствии с этим сила сопротивления воды движению судна:

R = R_т + R_д,

где R_т - сопротивление трения (R_т = cos(ф,x) dЩ);

R_д - сопротивление давления (R_д = cos(p,x) dЩ).

Гидродинамические силы действующие на элементарную площадку подводной (смоченной) поверхности судна dЩ

Сила трения R_т обусловлена касательными силами, которые зависят от свойств вязкости, т.е. от числа Рейнольдса. Силы давления состоят из двух составляющих. Одну из них - силу вязкостной природы, зависящую от числа Рейнольдса, называют сопротивлением формы R_ф. Другую составляющую силы давления, зависящую от сил гравитации, т.е. от числа Фруда, называют волновым сопротивлением R_в.

Определение всех составляющих сопротивления воды движению судна теоретическим путем представляет большие трудности, главным образом из-за сложности обводов корпуса. Поэтому широко используется экспериментальная оценка сопротивления по результатам испытаний моделей судов. При пересчете результатов модельных испытаний на натурное судно пользуются гипотезой Фруда, который предложил разделять сопротивление воды на сопротивление трения

R_т и остаточное сопротивление R_о, т.е.

R = R_т+ R_ф+ R_в= R_т+ R_о.

Как видно, остаточное сопротивление при таком подходе представляет собой сумму сопротивления формы и волнового сопротивления, т.е. сумму сил разной природы. Тем не менее, метод Фруда в разделении и перерасчете сопротивления получил широкое распространение при экспериментальной работах и в расчетной практике, благодаря своей простоте и приемлемой точности конечных результатов.

В подводной части корпуса судна имеются выступающие части (скуловые кили, рудерпост, кронштейны, шахты лага, эхолота), которые создают дополнительное сопротивление выступающих частей R_вч.

Движение судна происходит не только в водной, но и в воздушной среде. Поэтому для него полное сопротивление включает также воздушное (аэродинамическое) сопротивление R_возд надводной части судна, которое по своей природе является вязкостным. Однако при движении судна в безветренную погоду доля R_возд очень не велика по сравнению с сопротивлением воды и его можно не принимать во внимание (это объясняется прежде всего тем, что плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды). При наличии ветра достаточной силы роль R_возд резко возрастает, и оно подлежит учету.

Таким образом, в развернутой форме буксировочное сопротивление (полное сопротивление) судна может быть представлено в виде следующей суммы его отдельных составляющих:

R = R_т + R_ф + R_в + R_вч +R_возд.

Доля различных составляющих полного сопротивления зависит от относительной скорости судна, которая выражается числом Фруда Fr = v /. Суда, у которых Fr < 0,25, называют тихоходными (большие рыболовные траулеры, плавучие базы, производственные рефрижераторы и приемно-транспортные суда), Fr = 0,25 0,35 - среднескоростными (средние и малые траулеры, сейнеры). Суда, плавающие при Fr > 0,35, называются быстроходными. Промысловые суда при таких режимах не плавают.

У тихоходных судов основную долю полного сопротивления (около 80%) составляет сопротивление трения. У среднескоростных и быстроходных судов, наоборот, растет доля остаточного сопротивления (сопротивлений формы и волнового), которое достигает 5065% полного. Поэтому при проектировании тихоходных судов особое внимание обращают на уменьшение сопротивления трения, а при проектировании среднескоростных и быстроходных, на уменьшение сопротивления формы и волнового сопротивления.

В соответствии с общей формулой для гидродинамических сил сопротивление воды движению судна, можно представить:

R = 0,5 ж с v²Щ= 0,5 (ж_т + ж_ф + ж_в + ж_вч) сv²Щ,

где ж- безразмерный коэффициент полного сопротивления;

ж_т - коэффициент сопротивления трения;

ж_ф - коэффициент сопротивления формы;

ж_в- коэффициент волнового сопротивления;

ж_вч - коэффициент сопротивления выступающих частей;

с - плотность воды;

Щ - площадь смоченной поверхности корпуса судна.

Каждой скорости хода отвечает определенное значение коэффициента сопротивления. Основной задачей при расчетах сопротивления воды движению судна является определение основных составляющих коэффициента сопротивления ж, так как геометрические характеристики судна и скорость его при таких расчетах задаются.

Площадь Щ смоченной поверхности «голого» корпуса судна иногда приводят на кривых

Зависимость составляющих элементов теоретического сопротивления от числа Фруда чертежа (КЭТЧ) в функции от осадки судна.

При наличии теоретического чертежа площадь Щ для заданной осадки судна можно вычислить по методу трапеций:

Щ = 2,

где l_i - полупериметры погруженных теоретических шпангутов; n - число шпангоутов ; L - длина судна.

При отсутствии таких данных пользуются приближенными зависимостями. Для промысловых судов используют формулы Мумфорда с коэффициентами С.П. Мурагина:

Щ = Ld (1,36 + 1,13д ),

и В.А.Семеки: Щ = Ld (1,97 + 1,37(д - 0,274)).

При определении площади для корпуса судна с выступающими частями к площади смоченной поверхности «голого» корпуса, вычисляемой по выше приведенным формулам, необходимо прибавить площадь смоченной поверхности всех выступающих частей. Для промысловых судов надбавка на площадь выступающих частей составляет 38 % смоченной поверхности.

3. Сопротивление трения

Сопротивление трения судна есть результирующая сила, обусловленная касательными напряжениями на смоченной поверхности корпуса, в проекции на направление v скорости судна.

При определении сопротивления трения судна, принято разделять на сопротивление трения гидродинамической гладкой поверхности корпуса R_тп и сопротивление, обусловленное его шероховатостью R_ш.

R_т = R_тп + R_ш = 0,5 (ж_тп + ж_ш) сv²Щ,

где ж_тп - коэффициент сопротивления трения гидродинамической гладкой поверхности корпуса;

ж_ш - коэффициент шероховатости поверхности корпуса (надбавка на шероховатость).

При определении коэффициент ж_тп принимают, что

ж_тп = ж_тгп,

где -коэффициент учитывающий кривизну корпуса;

ж_тгп- коэффициент сопротивления трения гидродинамической гладкой эквивалентной пластины.

Под эквивалентной пластиной понимается плоская тонкая прямоугольная пластина, длина которой равна длине судна, а поверхность - смоченной поверхности корпуса. Пластина располагается вдоль потока и обтекается со скоростью, равной скорости судна. Характер течения жидкости в пограничном слое пластины соответствует режиму свойственному судну.

Гладкая поверхность корпуса отличается от гладкой эквивалентной пластины кривизной, которая учитывается с помощью коэффициента . Коэффициент зависит от отношения L/В. При изменении L/В от 4 до 10 значения лежат в пределах 1,021,05, т.е. коэффициент сопротивления гидродинамически гладкого корпуса мало отличается от коэффициента сопротивления пластины.

Поскольку сопротивление трения обусловлено вязкостью жидкости, коэффициент ж_тп зависит от числа Рейнольдса. Для турбулентного потока, характерного для движения промысловых судов, коэффициент сопротивления гладкой поверхности корпуса можно подсчитать по формуле Прандтля-Шлихтинга:

ж_тп = 0,455 (lg Re)^-2,58

Число Рейнольдса Re = vL /н рассчитывается при заданной скорости судна v и коэффициенте кинематической вязкости н, который может быть принят равным 1,57·10^-6 м²/с для стандартной температуры воды 4⁰ С. Для промысловых судов коэффициент ж_тп составляет 1,52,3·10^-3.

Влияние шероховатости учитывается коэффициентом шероховатости ж_ш. Различают общую и местную шероховатость поверхности корпуса.

Общая шероховатость обусловлена достаточно равномерно распределенными по поверхности корпуса неровностями, величины которых зависят от материала поверхности и качества ее обработки, от вида покрытия способа и условий его нанесения. В процессе плавания судна общая шероховатость увеличивается из-за разрушения покрытия (в частности, окраски), коррозии и обрастания поверхности корпуса.

Местная шероховатость обусловлена местными неровностями и выступами или впадинами, которые отстоят друг от друга на большом по сравнению с их размерами расстоянии (сварные швы, козырьки обтекателей, решетки забортных отверстий и т.п.). Для судов со сварной обшивкой, имеющих средние и малые относительные скорости ж_ш = (0,30,6) ·10^-3. Большие значения коэффициента шероховатости ж_ш характерны для небольших судов.

Примерно 60% надбавки на шероховатость составляет сопротивление от окраски наружной обшивки; 20% - сопротивление сварных швов;15% - вырезов и ниш и 5% - волнистости на поверхности. После года эксплуатации за счет коррозии корпуса, надбавка на шероховатость увеличивается в 34 раза, что приводит к увеличению сопротивление трения судна на 30%.

4. Сопротивление формы

Сопротивление формы есть составляющая полного сопротивления, которая обусловлена превышением силы суммарного гидродинамического давления на носовую смоченную поверхность корпуса судна по сравнению с кормовой за счет влияния вязкости воды.

Причины возникновения и физическая сущность сопротивления формы могут быть объяснены следующим образом. При обтекании судна потоком жидкости давление в ней падает от носа до миделя и нарастает от миделя в корму. В области отрицательного градиента давления, т.е. от носа до миделя, частицы жидкости движутся с положительным ускорением. В области мидель-шпангоута скорость частиц достигает максимального значения, и в потоке устанавливается минимальное давление. Далее, от миделя в корму движение происходит против возрастающего давления, т.е. с отрицательным ускорением. Если бы жидкость была идеальной (невязкой), то переход энергии давления потока в кинетическую энергию и обратный ее переход в энергию давления, совершался без потерь и запаса кинетической энергии частиц хватило бы для преодоления противодавления на пути от миделя в корму и каждая частица достигла бы ахтерштевня (рис.). В условиях же реальной жидкости при движении частиц внутри пограничного слоя затрачивается дополнительная энергия на преодоление сил вязкостного трения.

У частиц движущихся внутри пограничного слоя вблизи поверхности судна на малых скоростях, мал запас кинетической энергии, который может быть недостаточным для преодоления положительного градиента давления при движении их от миделя в корму. В результате некоторые частицы под действием возрастающего давления могут начать двигаться в обратном направлении, т.е. против набегающего потока. Такой обратный поток оттесняет пограничный слой от поверхности корпуса (рис.). Точку А, в которой начинается это оттеснение, называют точкой отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя с образованием вихрей искажает картину обтекания судна в его кормовой части по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обтекании идеальной жидкостью. Давление в кормовой части судна уменьшается и, следовательно, появляется результирующая нормального давления, направленная в сторону, противоположную движению судна. Эта результирующая и является сопротивлением формы судна.

Эпюра давлений при обтекании корпуса идеальной (I) в пограничном слое и реальной(вязкой) (II) жидкостью.

Изменение давления

Суда имеющие хорошо обтекаемую форму, обтекаются потоком без отрыва пограничного слоя и образованием сосредоточенных вихрей. Пограничный слой плавно сходит с кормовой оконечности, превращаясь в гидродинамический след. Сопротивление формы в данном случае обусловлено только потерей части энергии потока на преодоление сил вязкости в пограничном слое.

Снижение сопротивления формы судов достигают путем уменьшения коэффициента общей полноты, улучшая плавность обводов и отрабатывая форму кормовой оконечности.

Сопротивление формы можно определить по известной формуле:

R_ф = 0,5 ж_ф сv²Щ,

где ж_ф - коэффициент сопротивления формы.

Расчет по приведенной формуле имеют малую степень точности и поэтому используют крайне редко. Основным способом определения сопротивления формы являются испытания модели судна в опытовом бассейне. При обработке результатов таких испытаний коэффициент ж_ф обычно определяется в совокупности с коэффициентом волнового сопротивления ж_в.

5. Волновое сопротивление

При движении судна на поверхности воды возникают волны, которые являются причиной появления волнового сопротивления. Возникновение волн обусловлено в основном весомостью воды и мало зависит от ее вязкости. Из рассмотрения характера распределения гидродинамических давлений по длине корпуса при движении судна (рис.) видно, что давление в оконечностях выше, чем давление в невозмущенной области, а в средней части - ниже. Это является причиной деформации свободной поверхности воды, так как давление на ней всегда равно атмосферному. В районе носа и кормы повышенное давление вызывает местное повышение уровня воды, а пониженное давление в средней части корпуса - понижение его. Такая деформация дает начало колебаниям воды под действием сил тяжести, которые наблюдаются в виде судовых волн двух групп - носовой и кормовой.

Схема образования судовых волн и поперечных волн

Схема расходящихся судовых волн и поперечных волн

Каждая из этих групп разделяется в свою очередь на две системы волн - расходящихся (с короткими гребнями) и поперечных (рис.). Гребни расходящихся волн носовой и кормовой групп располагаются по обоим бортам судна в эшелонном порядке, и если соединить их середины, то получаются практически прямые линии, направленные под углом б = 1820⁰ к ДП судна. Каждый гребень расходящихся волн составляет с ДП угол в = 2б. Поперечные волны располагаются между расходящимися волнами по нормали к ДП судна. Носовая поперечная волна возникает несколько позади форштевня и начинается с вершины. Кормовая поперечная волна возникает в районе кормовой оконечности судна и начинается с впадины. Длина гребня каждой последующей поперечной волны больше, чем предыдущей, а высоты волн соответственно уменьшаются. Носовая группа волн обладает большей интенсивностью - уровень воды в носовой оконечности судна поднимается на большую высоту и этот подъем распределяется на большей площади, чем в кормовой оконечности. При относительной скорости судна Fr < 0,15 практически наблюдаются только расходящиеся волны. С увеличением скорости судна интенсивность поперечных волн возрастает, а расходящиеся волны становятся малозаметными. Длина поперечной волны (расстояние между соседними гребнями) зависит от скорости судна и определяется по формуле:

л = 0,64v²,

где v - скорость судна, м/с.

Из данной формулы видно, что с изменением скорости судна меняется длина волны. Поэтому может оказаться, что при некоторых скоростях судна может получиться совпадение фаз, когда гребни носовых волн накладываются на гребни кормовых, в результате чего за кормой судна образуется волны увеличенной высоты (неблагоприятная интерференция). При других скоростях происходит частичное гашение носовыми поперечными волнами кормовых волн (благоприятная интерференция), что приводит к уменьшению волнового сопротивления. Благоприятным в отношении волнового сопротивления скоростям соответствуют впадины на кривой (рис.) ж_в (Fr). Для достижения благоприятной интерференции волн на скорости полного хода на некоторых судах сужают носовые обводы в районе ватерлинии с одновременным вытягиванием вперед в виде бульба погруженной части оконечности.

Волновое сопротивление определяется по формуле

R_в = 0,5 ж_в сv²Щ,

где ж_в - коэффициент волнового сопротивления.

Теоретическое определение коэффициента волнового сопротивления ж_в связано с трудоемкими и сложными вычислениями, поэтому чаще используют экспериментальный метод. В результате модельных испытаний проводимых в опытовом бассейне определяется коэффициент ж_в обычно в совокупности с коэффициентом сопротивления формы ж_ф. Коэффициент волнового сопротивления (рис.) зависит от числа Фруда Fr = v /. Как следует из графика ж_в = ж_в (Fr), при Fr = 0,350,50волновое сопротивление R_в наибольшее и является одной из главных составляющих полного сопротивления судна (4060%). При уменьшении числа Фруда, R_в уменьшается и при Fr < 0,15 практически отсутствует.

Зависимость ж_в от Fr

6. Сопротивление выступающих частей

Выступающими частями называются детали, которые выходят за пределы плавных очертаний смоченной поверхности корпуса судна. К ним относят гребные валы с кронштейнами, вертикальные и скуловые кили, шахты лага и эхолота и т.п. Судовые движители к выступающим частям не относятся, поскольку их сопротивление учитывается при расчете создаваемого ими упора. Сопротивление выступающих частей считают вязкостным, полагая, что они расположены достаточно глубоко под водой, и волновым сопротивлением их можно пренебречь. Сопротивление выступающих частей определяют по формуле:

R_вч = 0,5 ж_вч сv²Щ.

Коэффициент сопротивления выступающих частей ж_вч на практике определяют экспериментальным методом. Для этой цели в опытовом бассейне проводятся сравнительные буксировочные испытания моделей судов с выступающими частями и без них.

Для приближенного определения сопротивления выступающих частей значения коэффициента ж_вч часто устанавливаются на основании статистических данных, полученных в результате обобщения результатов натурных испытаний судов и их моделей. В расчетах ходкости рекомендуется принимать следующие значения коэффициента сопротивления выступающих частей: для одновинтовых судов ж_вч = (0,050,15) 10^-3 в зависимости от длины судна; для двухвинтовых судов ж_вч = (0,450,60) 10^-3 в зависимости от количества рулей и коэффициента общей полноты судна.

7. Воздушное сопротивление

При обтекании потоком воздуха надводной части судна возникает аэродинамическая сила R_а. Проекция этой силы на направление движения судна представляет собой воздушное сопротивление R_возд (рис.), которое определяется по формуле:

R_возд = 0,5 ж_возд с_в v_в²S,

где ж_возд - коэффициент воздушного сопротивления; с_в - плотность воздуха; S- площадь проекции надводной части судна на плоскость мидель-шпангоута; v_в- скорость обтекания воздухом надводной части судна.

В случае движения судна при ветре скорость подсчитывается по формуле:

v_в = ,

в которой: - скорость ветра, определяемая по шкале Бофорта - скорость судна; - угол между направлением ветра и диаметральной плоскостью судна.

Коэффициент воздушного сопротивления, определяемый по результатам продувки моделей судов в аэродинамических трубах, практически не зависит от скорости воздушного потока. Основное влияние на него оказывают форма надводной части судна, расположение надстроек, рубок, судовых устройств и палубного оборудования.

Существенное влияние на коэффициент воздушного сопротивления при движении оказывает направление потока воздуха относительно диаметральной плоскости, определяемое углом который можно найти по формуле:

.

Объясняется это невыгодным расположением надстроек и рубок с точки зрения их обтекания потоком воздуха. При , близких к нулю, надстройки и рубки экранируют друг друга, в результате чего воздушное сопротивление несколько снижается. Коэффициент воздушного сопротивления при углах более 90⁰ принимает отрицательное значение, т.е. R_возд совпадает с направлением движения судна. Однако даже при попутном ветре (свыше 56 баллов) скорость судна снижается из-за возрастания сопротивления на волнении, которое происходит вследствие ухудшения обтекаемости корпуса судна при качке, отражения волн от корпуса и взаимодействия набегающих волн и создаваемых судном. При встречном ветре коэффициент воздушного сопротивления промысловых судов ж_возд = 0,71,1.

В сравнительно тихую погоду воздушное сопротивление составляет 1,53,0% полного, при ветре в 45 баллов оно может достигать 1015%, а при сильном шторме - 3040%.

8. Влияние эксплуатационных факторов на ходкость судна

Посадка судна. В процессе эксплуатации промысловым судам приходится плавать при различных средних осадках, поэтому их влияние на ходкость представляет определенный интерес. Если средние осадки судна в рассматриваемом и известном вариантах отличаются незначительно (не более чем на 10%), то буксировочное сопротивление, буксировочную мощность и потребную мощность двигателей можно определить из условия постоянства адмиралтейских коэффициентов (С_б ,С_е ) по формулам: R₂ = R₁ ; N_б2 =N_б1; N_е2 = N_е1, где = (Д₂/Д₁)^2/3. Водоизмещение судна к известному Д₁ и рассматриваемому Д₂ варианту определяется по известным средним осадкам d₁ и d₂. Учитывая, что приведенные формулы являются приближенными, при подсчете коэффициента отношение водоизмещений Д₂/Д₁ можно заменить отношением соответствующих осадок d₂/d₁.

При изменении осадки более чем на 10%, у судов с коэффициентом полноты д < 0,7, расчет буксировочного сопротивления по приведенной методике может дать значительную погрешность.

Влияние дифферента на ходкость судна зависит от формы корпуса. У больших рыболовных траулеров без носового бульба при дифференте на корму остаточное сопротивление практически не изменяется, а сопротивление трения вследствие увеличения смоченной поверхности возрастает на несколько процентов. Дифферент на корму траулеров с носовым бульбом приводит к увеличению остаточного сопротивления по сравнению с посадкой на ровный киль, так как в этом случае теряется положительный эффект воздействия бульба на буксировочное сопротивление. Для приемно-транспортных судов при дифференте на корму из-за выхода из воды более полных носовых участков корпуса следует ожидать некоторого уменьшения остаточного сопротивления, а при дифференте не нос - его увеличения. Для каждого судна величина наивыгоднейшего дифферента может быть определена в процессе эксплуатации судна опытным путем.

Обрастание корпуса. Подводная часть корпуса судов обрастает различными морскими организмами. Обрастание происходит, главным образом, во время стоянки и движении судна с небольшой скоростью. Интенсивность обрастания зависит от температуры и солености воды. В тропиках обрастание происходит более быстро, чем в средних и высоких широтах. В пресной воде процесс обрастания судна по сравнению с соленой водой замедляется. Большое влияние на скорость обрастания оказывает освещенность воды: чем меньше освещенность тем выше интенсивность обрастания.

Дополнительное сопротивление от обрастания корпуса можно определить по формуле:

R_обр = 0,5 ж_обр сv²Щ,

где ж_обр- коэффициент дополнительного сопротивления от обрастания, который может быть найден в зависимости от числа месяцев n_д прошедших после докования судна по кривой ж_обр (n_д) на рис.

Коэффициент ж_обр для судов совершающих регулярные рейсы может быть Зависимость ж_обр от n_д также определен по приближенной формуле:

ж_обр = (0,076 n_д + 0,006) n_д²) ·10^-3;

Определение R_обр по приведенной формуле дает средние значения, так как процесс обрастания каждого судна в силу специфики его сугубо индивидуален.

Наблюдения показывают, что при эксплуатации судна в морях умеренного пояса сопротивление трения увеличивается за сутки на 0,20,5%, а в тропиках - на 0,50,8%. Можно сделать вывод, что после года эксплуатации судна, дополнительное сопротивление от обрастания будет примерно таким же, как и сопротивление трения. Основной способ уменьшения этого неблагоприятного фактора - покрытие корпуса судна специальными противообрастающими красками. Срок действия таких красок зависит от района плавания судна и составляет от 6 до 12 месяцев.

Мелководье и ширина фарватера. При плавании судна на мелководье и в узких мелководных каналах изменяется сопротивление воды его движению, а также наблюдается изменение посадки судна. Под мелководью понимают глубину воды Н 4d + 0,3 v, где d - осадка судна, а v - скорость судна (м/с). Из формулы следует, что для промысловых судов необходимо учитывать мелководье при Н (57) d.

Во время плавания на мелководье изменяются все составляющие полного сопротивления, однако сильнее всего - волновое сопротивление. Для учета влияния мелководья используют безразмерный параметр - число Фруда по глубине Fr_н = v/ , характеризующий относительную скорость судна на ограниченной глубине. Скорость судна v_кр = (0,81,05) , при которой Fr_н = 0,81,05 называется критической. Она соответствует скорости, при которой на мелководье наиболее интенсивно возрастает сопротивление движению и изменяется посадка судна.

При скорости v = 0,4 , картина волнообразования по сравнению с глубокой водой меняется мало, поэтому сопротивление воды практически также не изменяется. При более высоких скоростях длины волн (зоны, занятые волнами) на мелководье будут больше, чем на глубокой воде, что приводит к увеличению сопротивления. В зоне критической скорости поперечные и расходящиеся волны сливаются в две поперечные волны - носовую и кормовую, причем высота носовой волны больше кормовой. На образование этих волн затрачивается значительная энергия, и сопротивление при v = v_кр резко возрастает. Дальнейшее увеличение скорости вызывает уменьшение сопротивления, и при v > (1,11,3) оно становится даже меньше, чем на глубокой воде. Уменьшение сопротивления объясняется исчезновением поперечных волн и сокращением сектора, занимаемого расходящимися волнами. судовой двигатель гидродинамический

При плавании на мелководье наряду с изменением сопротивления меняется посадка судна: увеличивается средняя осадка и дифферент на корму. Увеличение средней осадки происходит вследствие снижения давления под днищем судна из-за повышения скорости обтекания его корпуса. Дифферент на корму судно приобретает за счет образования носовой поперечной волны. Как видно из рисунка, при Fr_н0,8 средняя осадка судна становится максимальной. Одновременно с увеличением осадки начинает расти дифферент на корму, который имеет наибольшее значение в момент формирования одиночной волны, т.е. при Fr_н1. Увеличение средней осадки и дифферента на корму может привести к удару судна о дно фарватера, что необходимо учитывать при эксплуатации судов на мелководье. При плавании судна на мелководных узких каналах наблюдается те же явления, что и на мелкой воде, но они проявляются еще заметнее. Возрастание сопротивления в докритической области (v < (0,81,05)) и падение сопротивления в закритической области. Образованные движущимся судном волны оказывают вредное влияние на ложе канала и его берега. Поэтому скорость движения судов в каналах обычно ограничивают значениям v 0,6.

Размещено на Allbest.ru