海洋工程基础--第六章

海洋工程基础第六章浮体和潜体的水动力性能,1、术语2、船体几何形状3、水静力学和稳性4、阻力和推进5、浮筒（标）系统,一.术语,术语：术语（terminology）是在特定学科领域用来表示概念的称谓的集合，在我国又称为名词或科技名词（不同于语法学中的名词）。术语是通过语音或文字来表达或限定科学概念的约定性语言符号，是思想和认识交流的工具。它具有专业性、科学性、单义性、系统性等基本特征。,我们分析、设计的海洋结构物包括固定式、浮式和下潜式海洋系统。船舶结构系统要求船舶具有一种能帮助船舶穿越海洋的推进手段。数十年来，船舶的设计分析，一直是由造船工程师完成的。海军在全世界的海洋中驾驶着军舰和其他带推进装置的船艇。与船舶设计有关的术语与陆上建筑物在传统设计中所使用的术语完全不同。其中某些术语也用于海洋工程。,术语-2,表6-1船舶术语,表6-2船舶工程和海洋工程中使用的术语符号,二.船体几何形状,船体几何形状的基本图形表示方法是型线图。型线图是船舶设计、计算和建造的重要依据，因而是关系到船舶全局的一张图纸。一张型线图包括横剖线图，纵剖线图和半宽水线图。,横剖线图沿船长方向平行于中站面，取21个（或更多些，也有的取11个）等间距的横剖面，把船长等分为20个间距（称为站距）将各横剖面所截得的船体型表面曲线（称为横剖线）均投影到中站面上，即得横剖线图。,纵剖线图沿船宽方向平行于中线面，取若干个纵剖面，将各剖面所截得的船体型表面曲线（称为纵剖线）均投影到中线面上，即得纵剖线图,半宽水线图沿吃水方向平行于基平面，取若干个等间距的水平剖面，将各水平剖面所截得的船体型表面曲线（称为水线）均投影到同一个水平面上，即得半宽水线图。由于船体左右对称，每一水线只需画出半边即可，故称为半宽水线图。此外半宽水线图上还需画出上甲板边线，首尾楼甲板边线和舷墙顶线等的水平投影，以反映出它们的俯视轮廓。,船舶主尺度,总长LOA：自船首最前端至船尾最后端的水平距离.垂线间长Lpp：首垂线FP与尾垂线AP之间的水平距离。一般情况下，如无特别说明，习惯上所说的船长常指垂线间长。设计水线长LWL：设计水线在首柱前缘和尾柱后缘之间的水平距离。,型宽B：指船体两侧型表面（不包括船体外板厚度）之间垂直于中线面的水平距离。型深D：在上甲板边线最低点处，自龙骨上表面（即基线）至上甲板边线的垂直距离。吃水d：基线至设计水线的垂直距离，有些船，设计的首位尾常吃水不同，则有首吃水、尾吃水及平均吃水。,船舶主尺度,三.水静力学和稳性,浮体和潜体的水静力学特性，是根据阿基米德定律来确定的。阿基米德定律指出：一个浸没于液体中的物体所受到的浮力等于该物体所排开的液体的重量。因而，船舶的重力向下（正比于船舶的重量）；而船舶所受到的浮力方向向上（正比于船舶所排开的液体的质量），与重力平衡。,船型系数,方形系数CB船体水线以下的型排水体积与由船长L、型宽B、吃水d所构成的长方体体积之比，它的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。,水线面系数CWP：与基平面相平行的任一水线面的面积AW与由船长L、型宽B所构成的矩形面积之比，它的大小表示水线面的肥瘦程度。,中横剖面系数CM：中横剖面在水线以下的面积AM与由型宽B、吃水d所构成的矩形面积之比，它的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。,棱形系数CP：船体水线以下的型排水体积与由相对应的中横剖面面积AM、船长L所构成的棱柱体体积之比，它的大小表示排水体积沿船长方向的分布情况。CP又称纵向棱形系数。,垂向棱形系数CVP：船体水线以下的型排水体积与由相对应的水线面面积AW、吃水d所构成的棱柱体体积之比，它的大小表示排水体积沿吃水方向的分布情况。,静稳性,潜体和浮体的稳性通常分为静稳性和动稳性。船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行回复到原来平衡位置的能力，称为船舶稳性。或者说船舶稳性是船舶在外力作用消失后保持其原有位置的能力。浮体和潜体通常都是刚体。对平衡状态而言，作用于船舶的所有力及力矩的总作用应为零。浮体的静态平衡状态是指该物体在静止的水面上处于直立（正浮）状态。这就是说，所有向下的重力的合力与所有向上的浮力的合力应大小相等，并作用在同一垂直线。,G,B,浮体与潜体的三种稳性状态,浮体与潜体的3种稳性状态分别是稳定状态、中性状态和不稳定状态稳定状态：如果船舶受到外力或者外力矩的作用而改变浮态，当该外力或外力矩移去后，船舶仍能回复到原先的平衡状态，这时就称船舶处于稳定状态,中性状态：如果一个外力或外力矩作用于船体，并改变了其倾斜状态，当该外力或外力矩离开船体时，船舶仍停在其改变的位置时，该状态就称为中性状态,不稳定状态：如果外力或外力矩作用于船体，是船体的浮态发生了变化，当该外力或外力矩消失时，船的浮态位置仍然继续改变（即船舶从正浮到倾覆）的状态，就称为不稳定状态。,浮体的稳心及初稳性,船的重量在倾斜前后没有变化，船的重心保持在原来的位置，故船的排水体积大小也没有变化。但由于水线位置的变化，船体水下体积形状已发生变化故浮心由原来的B点移到B1点。稳心M：通过新的浮心B1画一条垂线，将于通过原浮心位置所画的垂线相交，这两条垂线的交点就是稳心。由于浮心由B点移至点，此时重力W的作用点G和浮力的作用点不在同一铅锤线上，因而产生了一个复原力矩MR。,为复原力臂，为初稳性高,当倾斜角度较小时sin故公式可写为,重心G在稳心M之下，MR的方向与横倾方向相反，当外力消失后，它能使船舶回复到原来的平衡状态，所以称为稳定平衡。重心G在稳心M之上，MR的方向与横倾方向相同，它使船舶继续倾斜而不再回复至原来的平衡状态，所以称为不稳定平衡。重心G和稳心M重合，当外力消失后，船不会回复到原来位置，也不会继续倾斜，称为中性平衡或者随遇平衡。,潜体的稳性和稳定状态,潜体倾斜某一角度后，其重量W和重心G的位置没有变化，排水体积的形状及浮心B的位置也没有变化，因此它的稳定性完全取决于浮心B和重心G的相对位置之间的关系。,重心G在浮心B之下，MR的方向与横倾方向相反，因而可使潜体回复至原来的平衡状态，所以称为稳定平衡。重心G在浮心B之上，MR的方向与横倾方向相同，因而使潜体继续倾斜而不再回复到原来的平衡状态，所以称为不稳定平衡。重心G和浮心B重合，MR=0，潜体可平衡于任意位置，称为中性平衡。由此可见，潜体在水下状态时的重心G必须在浮心B之下，才能得到稳性的保证。至于潜体在水面航行的稳性问题，其基本原理与水面浮体相同。,四.阻力和推进,阻力,船舶在航行过程中会受到流体（水和空气）阻止它前进的力，这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。阻力通常分布于船的整个湿水表面。对潜体来说，总阻力是压力和合力与分布于船湿表面的剪应力之和。所以，总阻力RT是总的压阻力RP与表面摩擦阻力RF的和。记为：,对于航行于空气水界面的水面舰船还要加上包括兴波阻力在内的复杂情况。在这种情况下，总阻力还必须包括兴波阻力RW，记为：,摩擦阻力,水为具有黏性的液体。船体与水接触，就会有一部分水黏附在船体上。当船舶航行时，船体表面与水摩擦形成摩擦阻力。摩擦阻力的大小除与水的黏性有关外，还与船体水下湿表面积的大小、表面的光滑程度以及航速有关。对于低速船，摩擦阻力占总阻力的比例较大。对于高速船，摩擦阻力占总阻力的比例大约为50%。,兴波阻力,水波阻力的形成可以理解为，由于船舶的运动产生波浪，使周围水对船体的压力发生了变化，这些压力在船长方面的分力的合力就是兴波阻力。兴波阻力与速度的平方成正比从能量观点看，船体掀起的波浪具有一定的能量，这能量必然由船体供给。由于船体运动过程中不断产生波浪，也就不断耗散能量，从而形成兴波阻力。对于低速船，兴波阻力成分较小，对于高速船兴波阻力将增加至40%50%。,首散波,尾散波,大型海船采用球鼻首来降低兴波阻力，目的是为了制造有利干扰。减少首部兴波高度，降低兴波阻力。,合成兴波,船首波,球首兴波,阻力,对于一艘船舶，其无因次阻力系数定义为：,式中是动压力；A是船体的特征面积。总阻力公式表达成无因次式为：,式中，CP是压力系数，而CF是表面摩擦系数，CW是兴波阻力系数表示为：,阻力,对于肥钝型物体如：球体、圆柱体或与流向垂直的盘面，边界层将在物体的后部分分离，产生一个很大的伴流，从而导致巨大的压力阻力，因此压力系数CP和表面摩擦系数CF大很多。当物体是流线型时，边界处呢个在接近尾部处分离，或者根本不发生分离，这时表面摩擦阻力占主导地位。要确定船体所受到的总阻力RT是十分困难的，因为在阻力系数CT、雷诺系数Re和傅汝德数Fr之间没有通用的关系。雷诺数是惯量与粘性力的比值。傅汝德数是惯量和重力的比值。,L是物体长度，速度U，水的运动粘性系数,推进,船舶靠某种形式的推进装置产生动力，克服船舶阻力，从而在流体介质中前进。在前期，推力是靠风帆和桨来产生。后来又以蒸汽为能源来驱动推进器。现在，更常用的用于驱动推进器的能源是柴油、汽油或天然气在船上需要设有专门的装置或机构，把能源（如人力、风力、以及各种形式的发动机）发出的功率转换为船舶前进的功率，即推进器。,螺旋桨推进器优点：可靠，简单有效。缺点：空泡限制了性能最常用的推进器,风帆推进器优点：自然力缺点：无风时效率低用于体育运动和娱乐,明轮优点：有效缺点：需要低速发动机与蒸汽动力一起使用,对于一股稳定流过螺旋桨的流体可用一薄的驱动盘面来代替螺旋桨。流过盘面的流体假定接受了一突然增加的压力，而流体的轴向速度保持连续,盘面所生成的推力的大小，可通过计算机流体的轴向动量的变化来确定。在图6-10中说明了敞水中相对于驱动盘面的流体情况。盘面以恒定的速度Va向前进，该速度被称为进速，平行于旋转轴假设流体固定不动、密度不变、非粘性并且无限延伸又假设推进盘面对流过的流体均匀加速，因为盘面上产生的推力也是均匀的。相对于盘面的轴向速度从远离盘面的上游的流体速度Va增加到盘面处的Va（1+a），再增加到远离盘面的下游流体的速度Va（1+b），a称为轴向进流因子。,如图6-10所示，盘面上游流体的均匀压力为p，而盘面下游流体的压力为p+p。根据伯努利定律，在上游处和驱动盘面的上游面之间将是：,下游面：,盘面上的推力：,模型螺旋桨被置于其在船模中应处的位置，然后转矩、推力进速、桨径、旋转速度、流体密度和其粘性系数、压力以及流体的汽化压力等参数进行