Сопротивление и двигательная установка корабля

Корабль должен быть спроектирован так , чтобы эффективно двигаться по воде с минимальной внешней силой. На протяжении тысячелетий проектировщики и строители парусных судов использовали эмпирические правила, основанные на площади миделя корабля, для определения размера парусов для конкретного судна. форма корпуса и план парусности клиперов возникли Например, на основе опыта, а не теории. Лишь с появлением паровой энергии и постройкой больших железных кораблей в середине XIX века судовладельцам и строителям стало ясно, что необходим более строгий подход.

Определение

Сопротивление судна определяется как сила, необходимая для буксировки судна на спокойной воде с постоянной скоростью.

Компоненты сопротивления

Тело в воде, неподвижное относительно воды, испытывает только гидростатическое давление. Гидростатическое давление всегда противодействует весу тела. Общая (восходящая) сила, возникающая из-за этой плавучести , равна (нисходящему) весу вытесненной воды. Если тело находится в движении, то на тело действуют также гидродинамические давления. Для водоизмещающего судна , то есть обычного типа корабля, рассматриваются три основных вида сопротивления: то из-за волнообразования, то из-за давления движущейся воды на опалубку, часто не рассчитываемого и не измеряемого отдельно, и того, которое за счет трения движущейся воды о смоченную поверхность корпуса. Их можно разделить на несколько компонентов:

Общее сопротивление

R_{T}

Остаточное сопротивление

R_{R}

Сопротивление трению кожи

R_{FO}

Влияние формы на трение кожи

Сопротивление давлению

R_{P}

Сопротивление трению

R_{F}

Волновое сопротивление

R_{W}

Сопротивление вязкому давлению

R_{PV}

Волнообразное сопротивление

R_{WM}

Волнообразное сопротивление

R_{WB}

Вязкое сопротивление

R_{V}

Общее сопротивление

R_{T}

Эксперименты Фруда

При тестировании моделей кораблей и последующем сравнении результатов с реальными кораблями модели имеют тенденцию переоценивать сопротивление корабля.

Фруд заметил, что когда корабль или модель находились на так называемой скорости корпуса, волновая картина поперечных волн (волн вдоль корпуса) имеет длину волны, равную длине ватерлинии . Это означает, что нос корабля находился на одном гребне волны, как и корма. Ее часто называют скоростью корпуса и она зависит от длины корабля.

$V=k{\sqrt {L}}$

где константу (k) следует принимать равной: 2,43 для скорости (V) в узлах и длины (L) в метрах (м) или 1,34 для скорости (V) в узлах и длины (L) в футах (футах).

Наблюдая за этим, Фруд понял, что проблему сопротивления корабля следует разбить на две разные части: остаточное сопротивление (в основном сопротивление волнению) и сопротивление трения. Чтобы получить должное остаточное сопротивление, пришлось воссоздать волновой шлейф, созданный кораблем в ходе модельных испытаний. Он нашел для любого корабля и геометрически подобной модели, буксируемого с подходящей скоростью, что:

Существует сопротивление трения, возникающее в результате сдвига из-за вязкости. Это может привести к 50% общего сопротивления в конструкциях быстрых кораблей и 80% общего сопротивления в конструкциях с более медленными кораблями.

Чтобы учесть сопротивление трения, Фруд решил буксировать несколько плоских пластин и измерить сопротивление этих пластин, которые имели ту же площадь и длину смачиваемой поверхности, что и модель корабля, и вычесть это сопротивление трения из общего сопротивления и получить остаток как остаточное сопротивление.

Трение

(Основная статья: Сопротивление трения кожи ) В вязкой жидкости образуется пограничный слой. Это вызывает чистое сопротивление из-за трения. Пограничный слой подвергается сдвигу с разной скоростью, простираясь от поверхности корпуса до тех пор, пока не достигнет поля потока воды.

Волнообразное сопротивление

(Основная статья: Волновое сопротивление ) Корабль, движущийся по поверхности невозмущенной воды, создает волны, исходящие преимущественно от носовой и кормовой части корабля. Волны, создаваемые кораблем, состоят из расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся волны наблюдаются как след от корабля с серией диагональных или наклонных гребней, движущихся наружу от точки возмущения. Эти волны были впервые изучены Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином , который обнаружил, что независимо от скорости корабля они всегда находились в пределах клина под углом 39° (19,5° с каждой стороны), следующего за кораблем. Расходящиеся волны не оказывают большого сопротивления движению корабля вперед. Однако поперечные волны проявляются в виде впадин и гребней по длине корабля и составляют основную часть волнового сопротивления корабля. Энергия , связанная с системой поперечных волн, распространяется со скоростью, составляющей половину фазовой скорости или групповой скорости волн. Первичный двигатель судна должен вложить в систему дополнительную энергию, чтобы компенсировать этот расход энергии. Связь между скоростью кораблей и скоростью поперечных волн можно найти, приравняв скорость волны и скорость корабля.

Движение

(Основная статья: Морские силовые установки ) Корабли могут приводиться в движение с помощью многочисленных источников энергии: энергии человека , животных или ветра ( паруса , воздушные змеи , роторы и турбины ), водных течений, химического или атомного топлива и запасенной электроэнергии , давления, тепла или солнечной энергии. энергоснабжение двигателей и электродвигателей . Большинство из них могут приводить судно в движение напрямую (например, с помощью буксира или цепи ), с помощью гидродинамических сопротивления устройств (например, весел и гребных колес ) или с помощью гидродинамических подъемных устройств (например, гребных винтов или водометов ). Также существует несколько экзотических средств, таких как «рыбий хвост», ракеты или магнитогидродинамические двигатели .

См. также

Уильям Фруд

Ссылки

Э.В. Льюис, изд., Принципы военно-морской архитектуры , вып. 2 (1988)