04.09. 2020 г Теория корабля

Гр. 2ТСС11-1

04. 09. 2020 г Теория корабля

ТЕМА Ходкость. Сопротивление воды движению судна (4 часа)

Задания

1. Изучить теоретический материал.

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

Теоретический материал

Способность судна двигаться в окружающей среде с заданной скоростью при определенной мощности главных двигателей и соответствующем движителе называется ходкостью. Судно движется на границе двух сред — воды и воздуха. Поскольку плотность воды примерно в 800 раз больше плотности воздуха, то и сопротивление воды значительно больше воздушного сопротивления.

Ходкость зависит от формы обводов корпуса, коэффициента полноты подводной части, соотношений главных размерений, типа судового движителя и частоты его вращения. Ходкость при проектировании оценивают расчетами и путем модельных испытаний, после постройки судна элементы ходкости определяют в процессе его ходовых испытаний.

Сила сопротивления воды состоит из сопротивления трения, сопротивления формы, волнового сопротивления и сопротивления выступающих частей.

Вследствие вязкости воды между корпусом судна и ближайшими к корпусу слоями воды возникают силы трения, на преодоление которых затрачивается часть мощности главного двигателя. Равнодействующая этих сил называется сопротивлением трения R_TР .

Исследованиями установлено, что величина сопротивления трения зависит от характера движения частиц воды в пограничном слое, который изменяется в зависимости от длины смоченной поверхности и скорости судна. Характеристикой режима движения частиц является число Рейнольдса.

Сопротивление трения зависит также от скорости, от смоченной поверхности корпуса судна и от степени шероховатости. На величину шероховатости влияет качество окраски, а также обрастание подводной части корпуса морскими организмами. Чтобы сопротивление трения по этой причине не увеличилось, судно подвергают периодическому докованию и очистке подводной части. Сопротивление трения определяют расчетным путем.

Силу сопротивления рассчитывают по формуле:

R_тр= ζ _тр·	ρ · v²	· Ω

где R_тр - сопротивление трения, Н;

ζ _тр - коэффициент сопротивления трения;

ρ - плотность воды, т/м³;

v – скорость судна, м/с;

Ω — смоченная поверхность корпуса, м².

Коэффициент сопротивления трения — величина переменная, зависящая от характера потока в пограничном слое, смоченной длины корпуса, скорости и шероховатости поверхности наружной обшивки. С увеличением скорости коэффициент ζ _тр уменьшается.

Особенно сильно сказывается на повышении сопротивления трения обрастание днища водорослями и ракушками. Если периодически не очищать днища малых судов, постоянно находящихся в воде, то через два—три месяца сопротивление трения может повыситься на 50—80%, что равносильно потере скорости судна на 25—40 %.

При обтекании корпуса судна вязкой жидкостью происходит перераспределение гидродинамических давлений по его длине. Равнодействующая этих давлений, направленная против движения судна, называется сопротивлением формы R_Ф.

Сопротивление формы зависит от скорости судна и от его формы.

Даже за хорошо обтекаемым корпусом на ходу можно обнаружить кильватерный след, в котором вода совершает вихревые движения. Чем плавнее обводы кормовой оконечности, тем дальше в корму происходит отрыв пограничного слоя и меньше вихреобразование.

При плохо обтекаемой форме в кормовой части судна образуются вихри, что приводит к понижению давления в этом районе и увеличению сопротивления формы судна.

При нормальных соотношениях длины корпуса к ширине сопротивление формы невелико. Его повышение может быть обусловлено наличием острых скул, сломов обводов в подводной части корпуса, неправильно спрофилированными килями, рулями и другими выступающими частями.

Сопротивление формы зависит и от режима обтекания в пограничном слое: чем на большей длине он ламинарный, тем меньше сопротивление формы. Поэтому важно устранить на обшивке возможные причины турбулизации потока: наплывы краски, выступающие головки крепежа, уменьшить общую шероховатость и т. п.

Волновое сопротивление R_В возникает из-за образования волн в зонах повышенного и пониженного давления при движении судна.

Волновое сопротивление зависит от скорости судна, формы его корпуса, а также от глубины и ширины фарватера.

Возникновение волн у корпуса судна при его движении вызвано действием сил тяжести жидкости на границе раздела воды и воздуха. В носовой оконечности — в месте встречи корпуса с водой, давление резко повышается и вода поднимается на некоторую высоту в виде носового буруна. Ближе к миделю, где вследствие расширения корпуса скорость обтекающего его потока повышается, давление в нем согласно закону Бернулли падает, уровень воды понижается — образуется впадина волны. В кормовой части, где линии тока воды, огибающие корпус, соединяются, давление вновь повышается и образуется вершина кормовой волны.

На волнообразование также расходуется часть энергии главного двигателя.

Сопротивление выступающих частейR_ВЧ зависит от сопротивления трения и от формы выступающих частей (рулей, скуловых килей, кронштейнов гребных валов и пр. ).

Сопротивление формы и волновое объединяются в остаточное сопротивление , которое можно рассчитать только приближенно. Для точного определения величины остаточного сопротивления проводят испытания моделей судов в опытовом бассейне.

Воздушное сопротивление R_ВОЗД движению судна можно найти путем продувки надводной части модели в аэродинамической трубе.

Таким образом, полное сопротивление движению судна определяется как сумма отдельных составляющих

R= R_Ф+ R_TР+ R_В+ R_ВЧ+ R_ВОЗД

Это сопротивление называют буксировочным , так как оно равно усилию в тросе, возникающему при буксировке судна. Мощность, необходимая для буксировки судна со скоростью v, называется буксировочной мощностью, N_б, кВт, (или л. с):

N_б = Rv / 1000 или N_б= Rv / 75 ,

где R — полное сопротивление, Н;

v— скорость судна м/с.

Мощность на фланце главного двигателя называется индикаторной N_i, она больше буксировочной, так как при ее определении необходимо учитывать пропульсивный коэффициент η

η =η _P·η _K,

где η _P — коэффициент полезного действия движителя;

η _K— коэффициент влияния корпуса, (опорных и упорных подшипников) или других специальных передач:

N_i= N_б / η ·η _{РЕД ·}η _В;

где η _РЕД - КПД редуктора;

η _В - КПД валопровода (опорных и упорных подшипников) или других специальных передач:

Следует отметить, что скорость судна на волнении уменьшается. Поэтому на некоторых судах мощность двигателя увеличивают с целью получения заданной скорости на определенном волнении.

Контрольные вопросы

1. Что называется ходкостью?

2. Что называется сопротивлением трения?

3. От чего зависит сопротивление трения?

4. От чего зависит сопротивление формы?

5. Как образуется волновое сопротивление?

6. От чего зависит волновое сопротивление?

7. От чего зависит сопротивление выступающих частей?

8. Что называется остаточным сопротивлением?

9. Что называется буксировочной мощностью?

10. Что называется индикаторной мощностью?

11. От чего зависит пропульсивный коэффициент?