Волнообразное сопротивление

Волнообразное сопротивление — это форма сопротивления , которая воздействует на надводные суда, такие как лодки и корабли, и отражает энергию, необходимую для отталкивания воды с пути корпуса. Эта энергия идет на создание волны.

Физика

График зависимости мощности от скорости для водоизмещающего корпуса с отметкой при отношении скорости к длине 1,34

Для корпусов небольшого водоизмещения , таких как парусные или гребные лодки, волновое сопротивление является основным источником сопротивления морского судна .

Важным свойством водных волн является дисперсность; т. е. чем больше длина волны, тем быстрее она движется. На волны, создаваемые кораблем, влияют его геометрия и скорость, и большая часть энергии, отдаваемой кораблем для создания волн, передается воде через носовую и кормовую части. Проще говоря, эти две волновые системы, т. е. носовая и кормовая волны, взаимодействуют друг с другом, и возникающие волны ответственны за сопротивление. Если возникающая волна большая, она уносит много энергии от корабля, доставляя ее к берегу или куда-либо еще, где волна заканчивается, или просто рассеивая ее в воде, и эта энергия должна быть обеспечена движением корабля (или импульсом). , так что корабль воспринимает это как сопротивление. И наоборот, если возникающая волна мала, испытываемое сопротивление будет небольшим.

Величина и направление (аддитивное или субтрактивное) помех зависят от разности фаз между носовой и кормовой волнами (которые имеют одинаковую длину волны и фазовую скорость) и являются функцией длины судна по ватерлинии. При заданной скорости корабля разность фаз носовой и кормовой волн пропорциональна длине корабля по ватерлинии. Например, если кораблю требуется три секунды, чтобы пройти свою длину, то в какой-то момент корабль проходит, через три секунды после носовой волны возникает кормовая волна, что подразумевает определенную разность фаз между этими двумя волнами. Таким образом, длина ватерлинии корабля напрямую влияет на величину волнового сопротивления.

Для данной длины ватерлинии разность фаз зависит от фазовой скорости и длины волн, а они напрямую зависят от скорости корабля. Для глубоководной волны фазовая скорость равна скорости распространения и пропорциональна квадратному корню из длины волны . Эта длина волны зависит от скорости корабля.

Таким образом, величина волнового сопротивления является функцией скорости судна по отношению к его длине по ватерлинии.

Простой способ оценить сопротивление волнению — посмотреть на корпус по отношению к носовым и кормовым волнам. Если длина корабля равна половине длины генерируемых волн, результирующая волна будет очень маленькой из-за подавления, а если длина равна длине волны, волна будет большой из-за усиления.

Фазовая скорость $c$ волн определяется следующей формулой:

$c={\sqrt {{\frac {g}{2\pi }}l}}$

где $l$ длина волны и $g$ гравитационное ускорение. Подставляя подходящее значение для $g$ дает уравнение:

${\mbox{c in knots}}\approx 1.341\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}\approx {\frac {4}{3}}\times {\sqrt {\mbox{length in ft}}}$

или в метрических единицах:

${\mbox{c in knots}}\approx 2.429\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}\approx {\sqrt {6\times {\mbox{length in m}}}}\approx 2.5\times {\sqrt {\mbox{length in m}}}$

Эти значения, 1,34, 2,5 и очень простой 6, часто используются в эмпирическом правиле скорости корпуса , используемом для сравнения потенциальных скоростей водоизмещающих корпусов, и это соотношение также является фундаментальным для числа Фруда , используемого при сравнении гидроциклов различных масштабов. .

Когда судно превышает « отношение скорости к длине » (скорость в узлах, разделенная на квадратный корень из длины в футах) 0,94, оно начинает опережать большую часть своей носовой волны , корпус фактически слегка оседает в воде, как сейчас поддерживается двумя волновыми пиками. Поскольку отношение скорости к длине судна превышает 1,34, длина волны теперь длиннее корпуса, и корма больше не поддерживается следом, в результате чего корма приседает, а нос поднимается. Корпус теперь начинает подниматься по собственной носовой волне, и сопротивление начинает расти с очень высокой скоростью. Хотя водоизмещающий корпус можно вести быстрее, чем соотношение скорости к длине 1,34, это непомерно дорого. Большинство крупных судов работают при отношении скорости к длине значительно ниже этого уровня, при отношении скорости к длине менее 1,0.

Способы снижения волнового сопротивления

Поскольку сопротивление волнообразованию основано на энергии, необходимой для отталкивания воды от корпуса, существует ряд способов минимизировать это сопротивление.

Уменьшенное смещение

Уменьшение водоизмещения судна за счет устранения избыточного веса является наиболее простым способом уменьшения волнового сопротивления. Другой способ — придать корпусу такую форму, чтобы создавать подъемную силу при движении по воде. Полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса делают это, и они способны преодолеть барьер скорости корпуса и перейти в область, где сопротивление увеличивается с гораздо меньшей скоростью. Недостатком этого является то, что глиссирование практично только на небольших судах с высокой удельной мощностью, таких как моторные лодки. Это непрактичное решение для такого большого судна, как супертанкер .

Прекрасный вход

Корпус с тупой носовой частью должен очень быстро отталкивать воду, чтобы пройти сквозь нее, и такое высокое ускорение требует большого количества энергии. Если использовать тонкий лук с более острым углом, который более постепенно отталкивает воду, количество энергии, необходимое для вытеснения воды, будет меньше. Современная вариация – волнообразная конструкция. Общее количество воды, которое должно быть вытеснено движущимся корпусом и, таким образом, вызывать волновое сопротивление, равно площади поперечного сечения корпуса, умноженной на расстояние, которое проходит корпус, и не останется прежним, когда призматический коэффициент увеличивается для тех же lwl и тот же объём и та же скорость.

Луковичный лук

Особый тип носовой части, называемый луковицеобразной , часто используется на крупных энергетических судах для уменьшения волнового сопротивления. Бульба изменяет волны, генерируемые корпусом, изменяя распределение давления перед носовой частью. Из-за характера его разрушительного воздействия на носовую волну существует ограниченный диапазон скоростей судна, в котором он эффективен. Выпуклая носовая часть должна быть правильно спроектирована, чтобы смягчить волновое сопротивление конкретного корпуса в определенном диапазоне скоростей. Лампа, подходящая для одной формы корпуса судна и одного диапазона скоростей, может оказаться вредной для другой формы корпуса или другого диапазона скоростей. Поэтому при проектировании выпуклой носовой части необходимо правильное проектирование и знание предполагаемых рабочих скоростей и условий судна.

Фильтрация формы корпуса

Если корпус спроектирован для работы на скоростях, существенно меньших скорости корпуса , то можно усовершенствовать форму корпуса по его длине, чтобы уменьшить волновое сопротивление на одной скорости. Это практично только в том случае, если коэффициент полноты корпуса не является существенной проблемой.

Полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса

Поскольку полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса создают значительную подъемную силу во время работы, они способны преодолеть барьер скорости распространения волн и работать в области гораздо меньшего сопротивления, но для этого они должны быть способны сначала преодолеть этот барьер. скорость, требующая значительной мощности. Эта стадия называется переходной стадией, и на этой стадии скорость волнового сопротивления самая высокая. Как только корпус преодолеет горб носовой волны, скорость нарастания волнового сопротивления начнет значительно снижаться. ^[1] Глиссерский корпус поднимется вверх, очистив корму от воды, а его дифферент будет высоким. На режиме глиссирования подводная часть глиссирующего корпуса будет небольшой. ^[2]

Качественная интерпретация графика волнового сопротивления состоит в том, что водоизмещающий корпус резонирует с волной, имеющей гребень возле носа и впадину возле кормы, поскольку вода отталкивается на носу и оттягивается назад на корме. Глиссирующий корпус просто давит на воду под собой, поэтому он резонирует с волной, под которой имеется впадина. Если его длина примерно в два раза больше, то его скорость будет только квадратным корнем (2), то есть в 1,4 раза больше скорости. На практике большинство глиссирующих корпусов обычно движутся гораздо быстрее. При четырехкратной скорости корпуса длина волны уже в 16 раз длиннее корпуса.

См. также

Ссылки

^ Сквайр, HB (1957). «Движение простого клина по поверхности воды». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 243 (1232): 48–64. Бибкод : 1957РСПСА.243...48С . дои : 10.1098/rspa.1957.0202 . JSTOR 100279 . S2CID 121875606 .
^ Сукас, Омер Фарук; Киначи, Омер Кемаль; Качичи, Ферди; Гекче, Метин Кемаль (01 апреля 2017 г.). «Гидродинамическая оценка глиссирования корпусов с использованием выдвижных решеток». Прикладные исследования океана . 65 : 35–46. дои : 10.1016/j.apor.2017.03.015 . ISSN 0141-1187 .

О высокоскоростных однокорпусных судах : Дэниел Савицкий, почетный профессор лаборатории Дэвидсона Технологического института Стивенса.

[1] Сквайр, HB (1957). «Движение простого клина по поверхности воды». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 243 (1232): 48–64. Бибкод : 1957РСПСА.243...48С . дои : 10.1098/rspa.1957.0202 . JSTOR 100279 . S2CID 121875606 .

[2] Сукас, Омер Фарук; Киначи, Омер Кемаль; Качичи, Ферди; Гекче, Метин Кемаль (01 апреля 2017 г.). «Гидродинамическая оценка глиссирования корпусов с использованием выдвижных решеток». Прикладные исследования океана . 65 : 35–46. дои : 10.1016/j.apor.2017.03.015 . ISSN 0141-1187 .

[1]

[2]