第八章 船在限制航道中的阻力 船舶阻力 推进.docVIP

第八章 船在限制航道中的阻力 上述各章所讨论的都是假定船在无限宽广的水域中运动的阻力问题。这种航道边界不受限制的情况称为深水航道。实际上许多船舶常在边界限制的航道中航行，其所受阻力与在深水航道中航行时的阻力并不一样。 限制航道可分为；仅水深受限制的浅水情况和深度及宽度都受限制的狭窄水道两种情况。应该指出的是限制航道的概念不是绝对的，实际上任何航道都有边界。这里主要视其对船舶阻力是否产生影响而定。航道对阻力的影响主要取决于航道的深度、宽度和船的尺度、航速之间的相对情况。不同船舶在同一航道中航行时，航道对它们的阻力影响可能是不同的。同一船舶在同一航道中航行时，在不同航速下，对阻力影响也将是不同的。在航速较低时，航道对阻力不产生影响，因而可作深水航道情况处理；而在航速较高时，航道对船的阻力的影响可能相当显著，因而必须考虑限制航道问题。在当前船舶航速不断提高的情况下，原来可视作深水的航道其水深影响已变得不可忽视，所以浅水问题倍受关注。我国从南到北有漫长的海岸线，内河又是蛛网密布，船在限制航道中的阻力问题更显得特别重要。此外，船模试验中船池边界对试验结果的影响也不可忽视。 § 8-1 浅水对阻力的影响 船舶在浅水水域中航行时，其所受的粘性阻力与兴波阻力将不同于在深水水域中航行时的情况。浅水对阻力的影响主要是由于船体周围的流场及兴波情况发生变化引起的。 一、浅水对流场及粘性阻力的影响 粘性阻力主要是由船体周围的流场决定的。浅水所引起的流场变化，主要反映在船体周围，特别是船底的流速增大，致使粘性阻力增大；同时由流场变化导致船的航态变化使粘性阻力进一步增大。 1．υ在不同情况下的运动状况。现应用运动转换原理来分析无穷远处流体以船速流经静止船体时的流动状态。 图8-1(a)为在水深h＝∞的理想流体中的流动情况。当流体流经船体时，由于船体曲率的影响，除船首尾两端部外，船体周围水的流速将较来流速度有所增大，设其平均增量为 ?υ1。由于?υ1与船速方向相反，所以称为回流速度或简称回流。 图8-1(b)为在浅水理想流体中的流动情况。由于水深受到限制，使船底和水底之间的间隙(称为剩余水深)较小。根据连续方程可知，当水流流经船体时，船底的流速较无限水深情况必然增加，即回流速度增大，设此时的回流速度为?υ2，显然?υ2＞?υ1。 图8-1(c)为在浅水实际流体中的流动情况。由于流体的粘性影响，在船底形成由前向后逐渐变厚的边界层，且随船前进。由于存在回流速度，在水底也将形成另一边界层，其厚度亦是前端薄，后端厚。图中虚线为边界层厚度δ，实线为边界层排挤厚度δ*。由于船底、水底边界层的存在，使两界层之间的势流区变窄，故此时流体的速度更快，即回流速度进一步增大。设此时回流速度为?υ3，显然?υ3＞?υ2。 由于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。 这种影响作用通常用水深吃水比h/d或参数/h来反映的(Am为舯横剖面面积)。 2．3． 首先由于浅水船周围的流速比深水船为大，且其舷侧湿面积因船体下沉而有所增加，所以必然使摩擦阻力增大。 其次，因浅水中回流增加，即水流与船体的相对速度有明显的增大，压力下降亦大，所以压力梯度增大；同时船尾与河床的间隙小，易于产生旋涡，粘压阻力随之增加。 综上分析知，浅水航道将引起船体周围流场变化，从而使粘性阻力增加。图8-2是模型试验所得的在不同水深情况下的粘性阻力。其 中Rυh和Rυ∞分别为浅水和深水时的粘性阻力。由图知，当d/h≥0.25时，即水深h≤4d时，即使无分离现象，也可觉察到浅水对阻力的影响。 二、浅水对兴波及兴波阻力的影响 在水深受限制的情况下，兴波情况的变化很大。由试验表明，水深傅汝德数： 是影响兴波情况的重要参数，它可以表示为： · = Fr · 由此可知，浅水中的兴波情况不但取决于水深参数L/h，而且与速度参数Fr有关。因而不难理解，当水深一定，航速变化时，浅水影响亦将不同。讨论浅水影响兴波情况时，均用Frh作参数。 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的参数，如波高、波速(或波长)与深水情况有所不同，同时兴波图形也发生明显的变化。 1． (8-1) 式中，C =为深水情况下，波长为λ时的波速；h为水深。 由(8-1)式知