船舶阻力
一总论
1.船舶在航行过程中会受到流体(水和空气) 阻止它前进的力。这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。
2.船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的主机功率以维持一定航速的能力
3.船体总阻力按流体种类分成空气阻力和水阻力。
空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力。水阻力是水对船体水下部分的反作用力。
4. 船体阻力的成因主要有以下三种现象有关:
①船首的波峰使首部压力增加, 而船尾的波谷使尾部压力降低, 于是产生首尾流体动压力差。这种由兴波引起的压力分布的改变所产生的阻力称为兴波阻力, 一般用Rw表示。
从能量观点看, 船体掀起的波浪具有一定的能量, 这能量必然由船体供给。由于船体运
动过程中不断产生波浪, 也就不断耗散能量, 从而形成兴波阻力。
②由于水的粘性, 在船体周围形成“ 边界层”, 从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用, 亦即船体表面产生了摩擦力, 它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力, 用Rf 表示。
从能量观点看。就某一封闭区而言, 当船在静水中航行时, 由于粘性作用, 必带动一部分水一起运动, 这就是边界层。为携带这部分水一起前进, 在运动过程中船体将不断供给这部分水质点以能量, 因而产生摩擦阻力。
③旋涡处的水压力下降, 从而改变了沿船体表面的压力分布情况。这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力, 用Rpv 表示。
从能量观点来看, 克服粘压阻力所作的功耗散为旋涡的能量。粘压阻力习惯上也叫旋涡阻力。
5. 船体阻力的分类
(1 ) 按产生阻力的物理现象分类。Rt = Rw + Rf + Rpv
对低速船, 兴波阻力成分较小, 摩擦阻力约为70%～80% , 粘压阻力占10%以上。对高速船, 兴波阻力将增加至40%～50% , 摩擦阻力为50%左右, 粘压阻力仅为5%左右。
(2 ) 按作用力的方向分类。Rt = Rf + Rp
(3 ) 傅汝德阻力分类。其实质是将粘压阻力和兴波阻力
合并在一起称为剩余阻力, 即:Rt = Rf + Rr 式中Rr = Rw + Rpv
(4 )按流体性质分类。Rt = Rw + Rv 式中Rv = Rf + Rpv
综上各分类方法, 船体总阻力与各阻力成分间的关系可以表示如下:
6.粘性阻力相似定律———雷诺定律
Cv = f ( Re )
Cf =Rf（ρv2 S）÷2= f1 ( Re )
平板摩擦阻力系数Cf 仅仅是雷诺数的函数, 当雷诺数相同时, 不同平板的摩擦阻力系数必相等。
7.兴波阻力相似定律———傅汝德定律
对于给定船型的兴波阻力系数仅是傅汝德数Fr 的函数, 当两形似船的Fr相等时, 兴波阻力系数Cw 必相等, 这称为傅汝德定律。
形似船在相应速度时(或相同Fr 数) , 单位排水量兴波阻力必相等。这称为傅汝德比较
定律。
8.船体总阻力相似定律———全相似定律
水面船舶的总阻力系数是雷诺数和傅汝德的函数; 若能使实船和船模的雷诺数和傅汝德数同时相等, 就称为全相似。在满足全相似条件下, 实船和船模的总阻力系数为一常数, 故称为全相似定律。
二粘性阻力
1.船舶粘性阻力的计算方法可分为两大类:
(1 ) 根据边界层理论或雷诺平均方程用数值计算方法求得粘性阻力
(2 ) 工程上实际采用的方法由船模试验决定
2.“相当平板”假定认为: 实船或船模的摩擦阻力分别等于与其同速度、同长度、同湿面积的光滑平板摩擦阻力.
3. “1957 年国际船模试验池实船-船模换算公式”,1957I TTC 公式:
Cf =0 .075/( lg Re - 2 )2
4. 船体曲度对阻力的影响:
①纵向弯曲表面的水流之平均相对速度较平板情况为大, 其平均边界层厚度必较薄, 这
将导致速度梯度和摩擦阻力增大。
②横向弯曲处其边界层厚度较相当平板薄, 在曲度较大的舭部尤为显著, 所以阻力也相应增大.
③弯曲表面易发生边界层分离以致产生旋涡, 旋涡区的水流速度较低, 该处的摩擦阻力随之减小。
5. 船体表面粗糙度可分成两类: 普遍粗糙度和局部粗糙度。
普遍粗糙度, 又称漆面粗糙度,主要是油漆面的粗糙度和壳板表面的凹凸不平等。
局部粗糙度, 又称结构粗糙度, 主要为焊缝、铆钉、开孔以及突出物等粗糙度。
6.在实际计算中, 总的摩擦阻力系数可取为光滑平板摩擦阻力系数Cf 再加上一个与雷诺数无关的粗糙度补贴系数ΔCf 。对于一般船舶, 我国取ΔCf = 0 .4 ×10 - 3 。
7. 船舶在营运过程中, 船体水下部分因长期浸泡在水中, 除钢板被腐蚀外, 海水中的生物 , 使船体表面凹凸不平, 大大增加了船体表面的粗糙度, 阻力增加很大, 这种现象称为污底。
8. 减小摩擦阻力:
①边界层控制
②采用聚合物溶液降阻剂,
③船底充气减阻
④使船体表面与水接触改变为与空气接触
9. 船体摩擦阻力的计算 Rf = ( Cf + ΔCf ) ·ρv2 S /2
(1 ) 计算船的湿表面积。
(2 ) 计算雷诺数Re= , 其中Lwl 为水线长( m) , v 是船速( m/ s ) ,ν是水的运动粘性系数, 如无特殊注明, 对于实船取标准水温t = 15℃时之值,ν的数值可由附录的表中查得。
(3 ) 根据光滑平板摩擦阻力公式算出或由相应的表中查出摩擦阻力系数Cf 。
(4 ) 决定粗糙度补贴系数ΔCf 的数值,我国一般取ΔCf = 0 .4×10 - 3 。
(5 ) 根据式算出船的摩擦阻力。
10. 影响粘压阻力的因素是物体形状(物体的后体形状),界层内的流动状态
①船的后体收缩较缓和, 则沿曲面的流速变化较缓慢, 因而纵向正压力梯度较小, 分离现象可以推迟,甚至避免, 因而粘压阻力可以减小。反之, 物体后体收缩急剧, 将会出现严重的分离现象, 粘压阻力增大。
②船的前体过于肥短, 流线扩张很大, 流速增加快, 在最大剖面处的速度很高, 而压力会降得很低, 使得后体范围的正压力梯度增加, 流动急剧减速, 因此粘压阻力将增大。
11.降低粘压阻力的船型要求
(1 ) 应注意船的后体形状。去流段长度满足Lr ≥4 .08 Am ; 对于低速肥大船型可满足Lr ≥2 .5 Am 。同时, 后体收缩要缓和
(2 ) 应避免船体曲率变化过大
(3 ) 前体线型应予适当注意。采用球鼻型船首有可能减小这一部分阻力。
三兴波阻力
1. 船体兴起的波浪分成两类: 一类是在船舶驶过之后, 留在船体后方并不断向外传播的波浪称为船行波;
另一类是被船体兴起后很快就破碎的波浪, 称为破波, 并不以波浪的形式留在船后, 它主要发生在肥大型船舶。
2.平面进行波的特征：
①平面进行波的波形是余弦或正弦曲线形状
②波形离静水面的最大升高或下降之距离A 称为波幅; 波峰与波谷之间的距离称为波高H, 显然H = 2 A, A 为波幅
③相邻两波峰或波谷间的距离, 称为波长λ
④波形每前进一个波长距离所需的时间称为周期T
⑤波形的传播速度c=λ/ T
⑥波浪运动所具有的总能量包括波浪的动能和位能两部分，波浪的总能量与波长、波宽和波幅平方成正比, 而与水深无关。
⑦波能沿着波形传播方向的转移速度称为波能传播速度
3.船行波形成的原因：船舶在水面上航行时产生波浪的原因主要在于: 水流流经弯曲的船体时, 沿船体表面的压力分布不一样, 导致船体周围的水面升高或下降, 在重力和惯性的作用下, 在船后形成实际的船波。
4.船行波的组成:船行波由与压力点兴波图形相似的首尾两组波系所组成, 其中包括下列诸波:
船首压力兴波: 形成船首波系, 包括船首横波和船首散波;
船尾压力兴波: 形成船尾波系, 包括船尾横波和船尾散波。
特征：(1 ) 整个船行波可分成首尾两大波系, 各由横波和散波组成, 相应称为船首横波、船首散波和船尾横波、船尾散波
(2 ) 整个船波系基本上集中在凯尔文角所限定的扇形面范围之内。
(3 ) 船首横波通常在船首柱略后处为波峰, 而船尾横波则在尾柱略前处由波谷开始。
(4 ) 整个波系的各散波之间及散波与横波之间互不干扰。
(5 ) 船首尾两横波在船尾部分互相混合, 组成合成横波。
5.兴波干扰：由于实际船体兴波存在船首波系和船尾波系, 且两波系中的横波在船尾处相遇而叠加。
①若首尾横波波谷相叠, 则合成波的波幅增大, 波能必然增大, 因而兴波阻力随之增大。这种情况称为不利干扰。
②如果首波波峰在船尾与尾波波谷相叠加, 则合成横波波幅减小, 兴波阻力减小, 这种情况称为有利干扰。
影响首尾横波干扰结果的因素主要取决于首尾两横波的相对位置。
6. 兴波阻力与波浪参数之间的关系： Rw0 ∝ bH2 即兴波阻力与波高平方和波宽成正比关系, 当船舶航行的兴波波高增大时,兴波阻力必然急剧增大。
7.减小船舶兴波阻力的方法：
①选择合理的船型参数
②设计良好的首尾形状
③造成有利的波系干扰
④高速排水型艇安装消波水翼
8.破波阻力：在船首附近很容易观察到波浪破碎( 简称破波)现象, 使阻力有所增加的阻力（破波阻力本质上是一种兴波阻力, 但不能由波形测量得到, 却可从尾流测量中获得）
四附加阻力
1.附体阻力：水对实船安装的附体（舵、舭龙骨、轴包架、轴和支轴架）作用而增加的那一部分阻力。
2.确定附体阻力的方法：
① 应用已有资料或经验公式确定附体阻力
②应用模型试验确定附体阻力。
3. 失速：保持静水中相同功率时, 航速必然会有所下降, 这种航速的减少称为速度损失或简称失速。
4. 储备功率：维持静水中的相同航速, 则必须较原静水功率有所增加, 所增加的功率称为储备功率。
5.船体对波浪的绕射作用：由于波浪遇到船体后, 被船体绕射而产生反射水波, 该水波的能量就是船体阻力增值的一部分。
6.影响波浪中阻力增值的因素：主要有船型和波浪两方面。
五船模阻力试验
六船型对阻力的影响
1.优良船型：所谓阻力性能优良的船型是对某一定速度范围而言。换句话说, 优良的船型将随速度而异, 低速时阻力性能良好的船型, 在高速时可能反而不佳。
2.船舶分类及其主要阻力成分：按照傅汝德数将各类船舶分为低速船( Fr < 0 .20)（摩擦阻力与粘压阻力） 、中速船( 0 .20 < Fr < 0 .30 ) （兴波阻力 ）和高速船( Fr > 0 .30) （兴波阻力 ）。
3.影响阻力的船型参数：主尺度比、船型系数、船体形状
4. 高速船的船型特点是: 由于一定范围内增加船长是有利的, 所以其
Δ∕( 0 .01 L)3 较低速船要小得多, 故船型显得比较瘦长, L/ B 值较大。
5.低速船船型的特点是: 实际棱形系数值均较大, 因而船型丰满; 而高速船, 其实际最佳Cp 较低速船为小, 因而其船型较低速船瘦削。
6. 浮心纵向位置的改变对船体湿面积影响不大, 故对摩擦阻力影响很小, 然而对剩余阻力的影响比较大。
7.船首柱形状
船舶最前端部分, 由龙骨线到船体的顶部, 称为首柱。图( a )为垂直式船首; 图( b ) 为
倾斜-垂直式船首( 简称斜直式) ; 图( c ) 为倾斜式船首; 图( d)为球鼻船首; 图( e )为飞剪式船首; 图( f )为破冰型船首。
8. 船尾部形状
常见的有三种,其中图( a) 为椭圆船尾; 图( b)为巡洋舰船尾;图( c )为方尾。
9. 球鼻船首的减阻机理
(1 ) 减小兴波阻力：球鼻船首产生的波系与船体波系可能发生有利干扰作用, 合成波的波高将降低, 兴波阻力将下降。
(2 ) 减小舭涡阻力：安装球鼻船首后, 可使水流近于径向对称流动, 船首底部不产生旋涡运动, 从而达到降低阻力和减小埋首现象的目的。
(3 ) 减小破波阻力：加装球鼻船首后, 首部船体前伸, 使该处横剖面面积曲线的坡度和首部水线进角减小, 大大改善了船首柱附近的压力分布, 缓和了船首破波情况, 从而降低了破波阻力
10. 球鼻船首的形式：水滴形球鼻、S-V 形球鼻、撞角形球鼻
11. 采用方尾的最主要优点在于: 它的尾部纵剖线坡度缓和近于直线。可以得到较小的阻力, 有利于提高航速。
七阻力的近似估算方法
1.爱尔法（艾亚法）的基本思想：艾亚法首先针对标准船型直接估算有效功率; 然后根据设计船与标准船型之间的差异逐一进行修正, 最后得到设计船的有效功率值。
2.海军系数法的基本假定：设计船与母型船在傅氏数Fr 相等时, 两者的海军系数相等
八船在限制航道中的阻力
1.浅水对阻力影响的原因：浅水对阻力的影响主要由于船体周围的流场及兴波情况发生变化所引起
2.回流速度：当流体流经船体时, 由于船体曲率的影响, 除首尾两端外, 船体周围水的流速将比来流速度有所增大, 设其平均增量为Δv1 , 由于Δv1 与船速方向相反, 所以称为回流速度。
3.浅水阻塞效应：浅水对流场影响使回流速度增大的现象称为浅水阻塞效应。
4.浅水对流场及粘性阻力的影响：浅水时船周围的流场发生变化, 主要反映船侧、船底的流速比深水时为大, 致使粘性阻力增加。
5.浅水对兴波及兴波阻力的影响：浅水对兴波的影响主要表现在: 船舶在浅水中航行时兴起的波浪参数如波高、波速(或波长)与深水情况不同, 而且兴波图形(即兴起波浪的形状) 也发生明显变化。
由于浅水能引起兴波图形的变化, 因此浅水中的兴波阻力较相同深水情况的兴波阻力也有所变化在该速度为vs/ gh = 1 .0时的阻力较深水情况的阻力值要大得多, 但在超临界速度的高速时, 反较深水为小。，
6.浅水阻力曲线的特点：
(1 ) 当Frh < 0 .5 即vs < 0 .5 g h时, 船在浅水中的阻力和在深水中的阻力极为接近, 没有明显增加
(2 ) 当0 .5 < Frh < 1 .0 , 即0 .5 gh < vs < gh时, 由于航速增大, 浅水的影响尤其是浅水对兴波的影响渐趋明显, 直至在船首尾出现“ 孤立波”, 因而浅水时的阻力较深水时的阻力有显著的增加。
(3 ) 当Frh = 1 .0 , 即vs = gh时, 船速达到临界速度, 此时兴波阻力出现极大值, 所以阻力曲线出现峰值, 较深水中的阻力值有很大增加。
(4 ) 当Frh > 1 .0 , 即vs > gh时, 船速已超过波浪传播的极限速度, 横波消失, 散波的覆盖面减少, 由于高速时的兴波阻力下降较多, 所以此时船的总阻力甚至较深水阻力还要
低。
7.许立汀中间速度法的基本思想：对于给定的船舶, 在已知深水阻力的基础上, 只要分别计及浅水对兴波和流场的影响,就可得到在浅水情况的阻力值。
九高速船的阻力特性
1.高速排水艇的艇型特点
(1)整个艇体较瘦长, L/ B 较大, 排水量长度系数和方形系数均较小, 以减小高速情况下的剩余阻力。
(2)艇体剖面形状取圆舭型或称为U 形剖面居多, 这种艇又称为圆舭艇。由艇首向尾方向, 剖面的横向斜升角迅速减小, 甚至趋于零度。
(3)首部比较瘦削, 进流段的水线几乎呈直线, 水线的进角较小, 以减小兴波阻力。
(4)艇体后体的纵剖线微凸, 对于FrD > 1 .0 的艇则几乎呈直线。
(5)尾部形状均采用方尾形式, 其最突出的优点在于增加艇体的“虚长度”以降低高速时的阻力。
2.高速排水型艇的阻力特征
①影响阻力特性的两种航态现象航行纵倾随航速变化、兴波和飞溅现象
②典型的阻力曲线形状
③剩余阻力系数曲线的特点：不论艇体载荷情况如何, 在Fr = 0 .50 附近均存在明显的阻力峰值区。
3.影响过渡型快艇阻力的艇型因素
①排水量及排水量长度系数：剩余阻力系数随CΔ 的增加而增加。
②横剖面形状：在相同的CΔ 情况下, 在较低航速时, 圆舭型的阻力性能较折角型者为佳。
③横剖面面积曲线形状
4.双体船船型特征，双体船是两个相同线型的两个船体(称为片体) 平行布置所组成的。
5.高速双体船的阻力特征，高速双体船的总阻力Rt = Rf + Rr + ΔR
式中: Rf 为两片体自身的摩擦阻力; Rr 为两片体自身的剩余阻力;ΔR 为两片体间的干扰阻力。
6.影响高速双体船阻力性能的主要参数
①排水体积长度系数对阻力的影响：由于L/ Δ1/ 3 增大, 片体本身的兴波减小,故Cr 值减小, 从而使两片体间的兴波阻力附加干扰减弱, kr 值随之减小。
②片体间距对阻力的影响：片体间距越大, 则散波交汇点的位置越推向船后, 横波的重合程度越小, 片体间的兴波干扰越小。
7.滑行艇的艇型特点：
(1 ) 艇体剖面形状采用V 型或称折角型, 这种剖面形状有利于提高水动力特性。
(2 ) 艇体前体剖面的斜升角, 特别是首部斜升角很大, 而向尾部方向迅速减小, 其原因在于既要减小艇首在汹涛中的严重拍击, 又要考虑到尽可能改善后体的水动力性能。
(3 ) 艇体的长宽比L/ B 较过渡型快艇要小, 其目的在于增加艇体展弦比, 以提高艇体滑行效率, 有利于减小阻力。
(4 ) 纵剖线较平直, 特别要避免出现外凸, 以防止艇底产生负压力。
8.滑行艇是指航行速度在FrΔ > 3 .0 , 艇体重量几乎全部由作用在艇底的流体动力升力所支持的高速艇。
8.滑行艇的阻力特征
①滑行艇的阻力成分：当航速增大时, 兴波阻力Rw 在滑行艇的剩余阻力中的成分逐渐减小, 飞溅阻力Rsp 将随航速增大而迅速增长。飞溅阻力在剩余阻力中所占比重更大。
②滑行艇的阻力曲线形状
③最佳航行纵倾角：故通过调节纵倾角, 有时可以改善阻力性能。
9.影响滑行艇阻力性能的主要因素
①剖面形状的影响：一般滑行艇采用有明显折角的V 型剖面(又称折角型) , 即具有一定斜升角的横向斜升型剖面。增大斜升角会导致流体动力作用减小, 对阻力性能带来不利影响。
②排水量影响：增大排水量不但使艇体的剩余阻力增大, 而且排水量的增加意味着体积傅汝德数的下降, 相当于推迟了滑行阶段。
③艇宽（指艇的舯部和艇尾板处的折角线宽度）影响：增加宽度可增加滑行面的展弦比, 提高升力系数。但在一定的重心位置下, 增加艇宽将使纵倾角变化, 同时湿面积亦有所增大, 因而会引起阻力反而增大。
10.水翼艇的分类；
①按水翼数目分类：单水翼艇: 双水翼艇或多水翼艇
②按水翼上的载荷分布分类：（双水翼艇由于前后水翼的载荷分配不同, 通常有三种水翼系统）机式水翼系统、 鸭式水翼系统、串列式水翼系统
③ 按水翼与水面相对位置分类：全浸式水翼艇、 割划式水翼艇
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