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.89).

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.

Рис.89. 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 (§ 10.8.)

При изучении и расчетном определении сопротивление воды условно разделяется на составляющие, которые предполагаются независимыми друг от друга (рис.90). 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(τ,x) dΩ);

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

Рис.90. Гидродинамические силы действующие на элементарную

площадку подводной (смоченной) поверхности судна dΩ

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 (§10.6).

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 (рис.91). У среднескоростных и быстроходных судов, наоборот, растет доля остаточного сопротивления (сопротивлений формы и волнового), которое дости-

гает 50 65% 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 (§2.4) сопротивление воды движению судна, можно представить:

R = 0,5 ζ ρ v²Ω= 0,5 (ζ_т + ζ_ф + ζ_в + ζ_вч) ρv²Ω,

где ζ- безразмерный коэффициент полного сопротивления;

ζ_т - коэффициент сопротивления трения;

ζ_ф - коэффициент сопротивления формы;

ζ_в- коэффициент волнового сопротивления;

ζ_вч - коэффициент сопротивления выступающих частей;

ρ - плотность воды;

Ω - 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 ζ, так как геометрические характеристики судна и скорость его при таких расчетах задаются.

Площадь Ω смоченной поверхности «голого» корпуса судна иногда приводят на кривых Рис.91.Зависимость составляющих

элементов теоретического сопротивления от числа Фруда

чертежа (КЭТЧ) в функции

от осадки судна.

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

Ω = 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:

Ω = Ld (1,36 + 1,13δ ),

и В.А.Семеки: Ω = Ld (1,97 + 1,37(δ – 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 3 8 % смоченной поверхности.