「兴波阻力-船行波的形成与特征[中学小学]」.ppt

第三章兴波阻力 1 上课可用 3 l船行波的形成与特征 船舶兴波分为两类 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 2 上课可用 兴波图1 实际 概述与计划相关的实际工作情况列出与原计划有出入的日期 推迟x个星期 提前x个月 等 3 上课可用 破波图1 实际 概述与实现质量目标相关的实际工作情况列出与衡量标准冲突的工作情形 4 上课可用 破波图2 实际成本或费用 概述与预算相关的实际工作情况列出与目标和限制冲突的工作情形 5 上课可用 一 平面进行波的特征 1 波形 Acos kx t 正弦波与余弦波只差 2相位 6 上课可用 2 波幅和波高 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 2A A为常数 波浪运动主要发生在自由表面附近 7 上课可用 3 波长 相邻两波峰或波谷间的距离 由 3 1 式 不难得出 k表示在2 距离内的波的数目 称为波数 4 波浪周期波形每前进一个波长距离所需的时间称为周期T 同样由波形方程式可以得到 8 上课可用 5 波速C 可将波数写成 上式称为 色散 关系式 当具有不同波数或波频的平面进行波在水中传播时 存在有传播速度不同的 色散 现象 9 上课可用 6 波能 由流体力学知 波浪的动能Ek和位能Ep两部分相等 且均等于 因此单位波面的总能量为 如对波长为 波宽为b的波面 其波能为 10 上课可用 7 波能传播速度 波能沿着波形传播方向的转移速度称为波能传播速度 由于水质点以一定的半径作轨圆运动 在运动过程中其动能保持不变 但位能却发生周期性变化 以致引起波能沿波形传播方向转移 显然 位能的转移速度也就是波形的传播速度 由于位能和动能各占总能量之半 且动能不沿波形传播方向转移 因此就波浪总能量而言 其传播速度CE仅为波速C之半 即 11 上课可用 8 船行自由波 图3 3基元波的传播 12 上课可用 二 船行波的形成 13 上课可用 对驻点A和远方点F应用伯努利方程 则有 由于驻点的流速 A 0 故得A点波面的升高为 同理可得B点和C点的波面升高分别为 14 上课可用 三 船行波图形及组成 1 压力点的兴波图形 图3 5凯尔文波系 15 上课可用 兴波图形分成两个波系 即横波系和散波系 横波与散波相交成尖角 在尖角处相切而具有相同的波向角 35 16 尖角与原点o的连线称为尖点线 它与运动方向的夹角为19 28 该角称为凯尔文角 可见船波仅限于一个顶角为2 19 28 的扇形区域内 16 上课可用 2 船行波的组成和特征 船舶在航行过程中 船体周围的压力变化相当于有很多压力点在水面上运动 每一压力点均产生波浪 但兴波作用最强的只是首和尾两端处 因此可用两个压力点的兴波近似描绘整个船的兴波 即船行波必然由与单个压力点兴波图形相似的首波系和尾波系组成 每一波系均有各自的横波系和散波系 实际观察到的船行波与上述分析基本吻合 由观察所见 首横波通常在首柱稍后处始于波峰 而尾横波系在尾柱之前始于波谷 在船后首尾两横波系相叠加 组成合成横波 而两波系中的散波系各不相混 清楚地分开 17 上课可用 兴波图3 18 上课可用 兴波图4 19 上课可用 兴波图5 20 上课可用 3 2兴波阻力特性 一 兴波阻力与波浪参数的关系宽度为b 长度为两个波长的封闭波域的平面进行波波能为 上式并不能用于计算实际船舶的兴波阻力 但却给出明显的物理启示 即兴波阻力与波高平方和波宽成正比关系 当船波的波高增大时 兴波阻力必然急剧增大 21 上课可用 二 首尾横波的干扰 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尾相遇而叠加 这种现象称为兴波干扰 22 上课可用 船首横波的第一个波峰和船尾横波第一个波峰之间的距离称为兴波长度 用mL表示 23 上课可用 首尾横波的干扰情况是由兴波长度mL和波长 决定的 式中 n为正整数 q为正分数 m为系数 主要与傅汝德数和船型有关 兴波干扰的结果不外乎 1 当q 0 表示mL距离内有n个整波长 两横波的位相差为零 在尾部完全是波峰与波峰重叠 出现不利干扰 2 当q 0 5时 表示在mL距离内有 n 0 5 的波长 这意味着两波的相位差为 首波波峰与尾波波谷相叠加 则发生有利干扰 3 当q为任意分数时 两波相位差为2 q 出现一般干扰 24 上课可用 显然 兴波长度mL和波长 的关系决定兴波干扰之结果 按平面进行波理论 波长与波速 即船速 平方成正比关系 因此又可写成 考虑到 由上式可得在mL距离内的横波数 上式说明兴波干扰与傅汝德数Fr和船型有关 25 上课可用 1877年傅汝德进行了变化平行中体长度的船模系列试验 以证明船长对兴波干扰作用的影响 26 上课可用 三 船体兴波阻力表达式 船体兴波阻力必须计及以下三方面产生的波阻 1 船横波中未受干扰部分的波阻 2 船首尾横波干扰后 合成波的阻 3 船首尾波系中散波的波阻 27 上课可用 1 确定各部分波浪的参数及其波能 整个船体波系的总能量应该是首尾横波系和散波系的能量之和 即2 整个船体兴波阻力 28 上课可用 四 船体兴波阻力特性 1 兴波阻力的一般规律由 1 2中傅汝德定律知 对给定船型 船体兴波阻力系数仅仅是傅汝德数的函数 今由 3 21 式知 Cw与傅汝德数Fr的4次方成比例 应该指出 该式虽然是以平面进行波来处理船行波所得到的结果 但对分析兴波阻力还是有意义的 由 3 20 式知 兴波阻力Rw与 6次方成比例 由此可看出 随船速增加 兴波阻力将很快增加 同时说明对低速船而言 兴波阻力在总阻力中所占比例很小 而对高速船来说 兴波阻力将占很大的比例 29 上课可用 2 兴波阻力的组成和兴波阻力曲线的形状 由表达式 3 20 知 兴波阻力Rw由两部分组成 式中第一项为首尾波系中未受干扰的横波以及两波系的散波所产生的兴波阻力称为 自然兴波阻力 第二项是首尾横波遭受干扰后的兴波阻力 由于cos 2 mL 值系在 1 0和 1 0之间变动 因此兴波阻力系数Cw Fr曲线上总是出现凸起和凹陷的 峰 和 谷 如图3 12所示 当cos 2 mL 1 0时 也就是当mL 1 2 3 时 兴波阻力系数曲线上出现凸起 叫做波阻峰点 显然这表示船首横波与船尾横波发生不利干扰 致使兴波阻力增大 而当cos 2 mL 1 0时 也就是mL 0 5 1 5 2 5 时 船首横波与船尾横波发生有利干扰 兴波阻力有所减小 在兴波阻力系数曲线上出现 凹陷 称为波阻谷点 30 上课可用 3 不同船型的兴波阻力差异 31 上课可用 4 兴波阻力与船型参数的关系 1 自然兴波阻力部分 主要受首尾端部形状的影响 而首部形状的影响尤为突出 2 兴波阻力第二项值的大小则取决于兴波长度mL与波长 之比 即mL 而兴波长度mL与船长 船速 以及船体的肥瘦程度有关 波长仅与船速有关 此外 船体形状 特别是表征船体首尾肥瘦程度的棱形系数Cp不但直接影响兴波的大小 而且对两横波的干扰作用有较大的影响 32 上课可用 3 3兴波干扰的预测方法 一 理论预测兴波干扰经大量试验资料分析表明 不同形状的船舶在不同速度下 虽然兴波长度不同 但自船首横波第一波节点至尾横波第一个波谷之间的距离均可以表示为CpL 33 上课可用 考虑到 3 14 式 则有 这样 对应于有利干扰和不利干扰分别为 当q 0 5时 CpL n 1 4有利干扰当q 0时 CpL n 3 4不利干扰定义 为船速 与波长为CpL的波速之比 即 34 上课可用 由上可得对应于波峰点和谷点所对应的 值分别为 波阻峰点 2 00 0 895 0 666 0 556 波阻谷点 1 15 0 756 0 604 0 517 35 上课可用 一般情况下 根据所设计船舶的参数 Cp和L可以计算得相应的 值 以此判别该船是处于有利干扰 或不利干扰 实际上 理论的应用是预先做成图谱 供船舶设计过程中查阅 这样更简单方便 因为由 3 27 式知 根据这一关系式 分别以Cp和Fr为参数做成如图3 14所示的 等值曲线图谱 供船舶初步设计时应用 图中空白部分代表 有利干扰 区 而阴影部分代表 不利干扰 区 此图仅适用于 1 15以下的情况 36 上课可用 37 上课可用 3 5减小兴波阻力的方法 一 常规船减小兴波阻力的方法1 选择合理的船型参数一般来说 在船舶设计阶段 根据要求达到的航速 选择恰当的主尺度和船型系数 如根据 理论知 当航速给定时 合理选取船长和棱形系数可以避免处于波阻峰点 同时注意选取适当的进流段长度可以不致发生肩波不利干扰 从而得到较小的兴波阻力 38 上课可用 除了主尺度和船型系数外 船体形状的改变对兴波阻力影响有时极为显著 39 上课可用 2 造成有利的波系干扰 40 上课可用 41 上课可用 二 应用不同设计概念减小兴波阻力 1 双体和多体船设计概念 42 上课可用 2 使船体抬出水面设计概念 43 上课可用 2 使船体抬出水面设计概念 44 上课可用 3 船体下潜设计概念 45 上课可用 3 船体下潜设计概念 46 上课可用 4 复合设计概念 复合设计概念是两种以上设计概念的组合 以从多方位来考虑减小船的阻力 提高航海性能 形成所谓的复合船型 属于此类概念的船舶有 半潜双体 复合船 如小水线面双体船 还有 双体气垫船 以及 双体水翼 等复合船 47 上课可用 3 6破波阻力 48 上课可用 一 破波阻力的成因和特性 Ct Cwp l k Cf Cwb式中 总阻力系数Ct由船模拖曳试验测得 波型阻力系数Cwp可由波形分析法求得 粘性阻力系数 1 k Cf由计算得到 而Cwb是一项新的阻力成分 称为破波阻力 49 上课可用 1 破波的成因 对于肥大型船 在航行过程中不仅产生船行波 而且常常见到在其首部存在着被船掀起后很快破碎的波浪 这种波浪称为破波或碎波 破波的成因目前有两种解释 一种是1980年乾崇夫根据船模试验摄制的波形图分析后的发现 另一种观点解释是以马场 Baba 等人为代表的 他们由试验观察和测量发现 50 上课可用 无论哪种观点所解释的破波现象 均与波的非线性有关 破波现象主要出现在丰满船 这是由于这种船型特点决定的 一般来说 这种船的共同点是 船体相当肥胖 船首部水线坡度很大 水线进角甚至可达60 以上 船首柱一般都很陡直 由于这种船型特点 所以在航行过程中船首的阻塞作用较明显 首柱附近形成一个高压区 因此整个区域的水面有所升高 特别是陡直的首柱前将形成一个陡峭的船首波 其波长极短 相对波高很大 波前极不稳定 容易发生破碎 如图3 24所示 破碎后的浪花卷夹着空气 在重力和惯性力的作用下 冲入水面以下形成诸多细小的空气泡 这些小气泡在水压力的作用下又上升到水面