第07章-阻力近似估算方法

船舶阻力,第七章阻力的近似估算方法,7.1根据船模试验资料估算阻力7.2根据经验公式估算阻力7.3根据母型船数据估算阻力,2/5,船舶设计过程中，特别是方案设计阶段，用近似方法估算船舶阻力是非常实用的。船舶阻力估算，都是在系列船模或实船试验的基础上得到的，因此，阻力估算结果的准确程度取决于设计船与母型船或试验船系列的相似程度。,7.1根据船模试验资料估算阻力,一、应用图谱估算阻力二、应用回归公式估算阻力,1/1,一、应用图谱估算阻力,1/1,1.估算阻力用系列资料2.泰洛法图谱形式和参数范围3.泰洛法阻力估算的步骤,1.估算阻力用系列资料,估算阻力用船模系列试验资料,1/2,估算阻力用系列资料,2/2,2.泰洛法图谱形式和参数范围,1/5,泰洛法所用母型船为军舰，但可用于民用船，特别是双桨客船的阻力估算。1954年盖脱勒(Gertler)根据泰洛标准组阻力数据，对水温、层流和限制航道的影响分别加以修正，整理出一套无量纲剩余阻力系数图表。其中摩擦阻力按桑海式计算，船体湿面积由无量纲湿面积系数图谱求得。故该估算法又称泰洛-盖脱勒法。,剩余阻力系数Cr图谱无量纲湿面积系数Cs图谱适用的参数范围,剩余阻力系数Cr图谱,2/5,L:垂线间长,剩余阻力系数Cr图谱,3/5,无量纲湿面积系数Cs图谱,4/5,根据设计船的B/T、Cp和/L3值，由该图谱可查得Cs的值，进而按下式求得船体湿面积:S=CsL,第一组：B/T=2.25，L/B=5.014.5，Cb=0.440.80，Cp0.480.86；第二组：B/T=3.00，L/B=4.615.1，Cb=0.440.74，Cp0.480.80；第三组：B/T=3.75，L/B=4.013.4，Cb=0.440.80，Cp0.480.86；,适用的参数范围,5/5,3.泰洛法阻力估算的步骤,1/5,计算设计船的船型参数:B/T、Cp、/L3、Fr。求湿面积系数Cs：,由船体型线图计算湿面积，求湿面积系数；然后进行修正。用标准船的湿面积系数。按给定B/T选用与其最接近的两张Cs图谱，并由给定的Cp和/L3(L垂线间长)查得Cs值，然后对B/T进行线性内插，得给定参数值的标准船型的Cs值。,计算摩擦阻力系数Cf,泰洛法中，Cf按桑海公式计算，先计算雷诺数，然后可查表或直接计算得到。计算雷诺数的船长应取水线长，粗糙度附加值Cf一般取0.410-3。,2/5,(Re=106109),求剩余阻力系数Cr,3/5,根据设计船的B/T、Cp、/L3和Fr，选对应的Cr图谱，经各参数内插求得Cr。,湿面积系数Cs修正,如果实船的湿面积S已知，则求实船湿面积系数Cs为：Cs=S/L。其值如与标准船型湿面积系数Cs不同，则必须对所得到的剩余阻力系数值Cr进行修正，修正后的实船剩余阻力系数Cr为：Cr=CrCs/Cs若在计算时不知船的湿面积系数，则假定Cs=Cs，则有：Cr=Cr。,4/5,计算总阻力Rts和有效功率Pe,总阻力系数：Cts=Cr+Cf+Cf总阻力(N)：Rts=Cts1/2v2S有效功率(kw)：Pe=Rtsv/1000,5/5,对不同航速，重复上述计算步骤可以得到有效功率曲线，具体计算时一般列表进行。应该指出，泰洛标准船型的母型为巡洋舰，其阻力性能较好，因此对航速较高、船型较瘦的双螺旋桨船用此法计算比较适当，而用于估算一般商船，结果往往偏低。,二、应用回归公式估算阻力,1/7,陶德系列60的阻力回归公式,2/7,系列60的阻力回归公式是用线性回归分析方法处理系列60的试验图谱得到的。对于标准垂线间长为122m的船，其总阻力系数Ct122的回归多项式为：Ct122=A1+A2(L/B)+A3(B/T)+A4Cb+A5xb+A6(L/B)2+A7(B/T)2+A8Cb2+A9xb2+A10(L/B)(B/T)+A11(L/B)Cb+A12(L/B)xb+A13(B/T)Cb+A14(B/T)xb+A15Cbxb+A16Cb2xb而：Ct122=0.9492(RtL)/(Vs2),陶德系列60的阻力回归公式,式中符号及单位：排水量(t)；Vs航速(kn)；L垂线间长(m)；Lwl水线长(m)；xb为浮心纵向位置(距船中L,舯前为正)。Ct122垂线间长为122m船的总阻力系数；Rt总阻力(N)；,3/7,陶德系列60的回归方程系数,4/7,Vs/Lwl,设计船总阻力换算,船长为L的设计船的总阻力系数CtL可通过对标准船长的总阻力系数加以修正得到：CtLCt122+SFC式中：SFC是船长为L(m)的摩擦阻力尺度作用的修正值：SFC99.181Cs*L(CfL-Cf122)/1/3式中：Cf为桑海光滑平板的摩擦阻力系数，也可按下式计算：Cf=0.083(lgRe-1.65)-2Cs为湿面积系数，其回归公式:Cs3.432+0.305(L/B)+0.443(B/T)-0.643Cb排水体积(m3)。,5/7,设计船总阻力换算,不同速长比时的有效功率(kw)：Pe=(CtLVs3)/(1476.3L)。,6/7,此回归方程适用范围,7/7,0.60Cb0.675Vs/Lwl1.08661.630.575Cb0.725Vs/Lwl0.90551.630.725Cb0.775Vs/Lwl0.95551.53940.775Cb0.8Vs/Lwl0.90551.4489,7.2根据经验公式估算阻力,1/1,一、艾亚(Ayre)法(爱尔法)二、兰泼-凯勒(Lap-Keller)法,这类方法都是在分析大量非系列船模试验和实船试航结果的基础上，总结归纳出的曲线、图表、回归公式，供计算阻力或有效功率。,一、艾亚(Ayre)法(爱尔法),艾亚分析了大量船模和实船试验结果，给出阻力估算的曲线。适用于中、低速商船，也可用于正常尺度的海洋拖轮；但对于近代高速商船和大型丰满船，此法可能偏差较大。艾亚法估算得到公制有效功率，其数值中包含了单桨船常有的舭龙骨、舵等附体阻力及货船的空气阻力，合计约占裸船阻力的8。所以对双桨或多桨船的阻力和对高大上层建筑的空气阻力应另加修正。,1/2,艾亚(Ayre)法(爱尔法),1.艾亚法的基本思想2.艾亚法估算阻力的步骤3.艾亚法的优缺点,2/2,1.艾亚法的基本思想,1/4,艾亚法先给出标准船型的有效功率，然后根据设计船与标准船间的差异进行修正，最后得到设计船有效功率。艾亚法标准船型的参数为：(1)标准方形系数Cbc:单桨船Cbc=1.08-1.68Fr双桨船Cbc=1.09-1.68Fr(2)标准宽吃水比:B/T2.0(3)标准浮心纵向位置xc:根据Fr从表7-5中查出。(4)标准水线长Lwl1.025Lbp,标准船型的有效功率,艾亚法给出的标准船型的有效功率Pe(kw):Pe=0.735(0.64Vs3)/Co式中：排水量(t)；Vs静水试航速度(kn)；系数Co根据长度排水量系数L/1/3和速长比V/L(或Fr)由图查得，仅适用于标准船型；L垂线间长(m)。其中，对排水量的指数不用2/3而用0.64，是照顾到摩擦阻力随尺度的增长比剩余阻力随尺度的增长缓慢。,2/4,标准船型的Co值,3/4,标准Cbc和标准xc,4/4,*对双桨船，Cbc增加0.01,舯前,舯前,1/5,2.艾亚法估算阻力的步骤,1)由设计船舶的Fr和V/L及L/1/3值在图7-3上查得相应于标准船型的Co值；2)根据Fr或V/L由表7-5查得对应于标准船型的方型系数Cbc和纵向浮心位xc；3)进行实船修正：与标准船型参数比，做四项修正：,方形系数Cb的修正1宽吃水比B/T的修正2浮心纵向位置xc的修正3水线长Lw1的修正4,方形系数Cb的修正1,设计船方形系数Cb，标准船型的方型系数Cbc，Co增加的百分数Kbc由表7-6查得。1=-3CoCb(Cb-Cbc)/Cbc(CbCbc时)1=CoKbc(Cb0;011,水线长Lw1的修正4,：4=(Lw1-1.025Lbp)/(1.025Lbp)(Co+1+2+3)经过上述四项修正后的系数C4值为：C4Co+l+2+3+4,4/5,5/5,4)实际设计船的有效功率,实际设计船的有效功率Pe(kw)(包括8的附加阻力在内):Pe=0.735(0.64Vs3)/C4相应的裸船体有效功率:Peb=Pe/1.08,3.艾亚法的优缺点,1/1,艾亚法的适用范围较广，特别对中、低速船的估算结果与船模试验的吻合程度尚好，有一定的实用价值。但其所统计的资料仅代表20世纪40年代以前的船型，因此用于近代船型，如肥大船往往误差较大。此外，该估算法纯属统计资料所得，故不仅有理论上难以解释之处，而且某些重要的船型要素对阻力性能的影响没有给以考虑，也是该方法的不足之处。,二、兰泼-凯勒(Lap-Keller)法,1/5,对荷兰瓦根宁船模水池的107艘单螺旋桨大型船模试验结果整理而成，1954年凯勒对兰泼发表的图谱进行修正和扩充，给出了供单桨民用船估算阻力的图谱。兰泼-凯勒阻力估算法将船的剩余阻力和摩擦阻力分开计算。其中摩擦阻力按照桑海公式计算；粗糙度补贴系数Cf根据船长选取(如表2-3)；剩余阻力由整理所得的曲线图谱查得。图中Cr剩余阻力系数，S船体湿表面积，Am船中横剖面面积，Vs船速(kn)。,确定剩余阻力的方法,(1)根据设计船的Cp和xb值，由图7-5确定使用哪组图谱或哪两组图谱进行内插；,2/5,兰泼-凯勒法曲线图谱,3/5,(2)根据实船的Vs/CpL及Cp的值由相应图谱查得Cr.S/Am值；剩余阻力图谱共分为A、B、C、D、E五组。,确定剩余阻力的方法,4/5,(3)因图谱以L/B=6.5给出，故根据计算船的L/B值，依图7-6对Cr进行修正；,(4)计算Cr值，进而得剩余阻力Rr，并与摩擦阻力相加，求得总阻力Rt；,确定剩余阻力的方法,(5)图谱以B/T=2.4给出，故在获得总阻力Rt后，对总阻力应作如下修正：Rt=10(B/T-2.4)*0.5%Rt当2.4B/T3.0时，修正量取正，否则取负。经过修正后的实船总阻力为Rt+Rt。,5/5,7.3根据母型船数据估算阻力,1/1,一、海军系数法二、母型船剩余阻力修正法,若设计船与母型船相似，可通过母型船与设计船的某些线型的主要特征，计算出修正系数，来确定设计船的阻力或有效功率。这类方法所得结果的准确性与母型船和设计船之间相似程度有关。,一、海军系数法,1/4,海军系数法是母型船数据估算法中最简便常用的方法。要求母型船与设计船的主尺度比、船型系数、型线的形状、速度应比较接近。这个方法的基础是假定设计船与母型船在傅氏数Fr相等时，两者的海军部系数相等。,海军部系数,2/4,认为：1)形状近似的船，湿面积大致与排水量的2/3次方成比例，即S2/3;2)形状相近且大小、速度相差不多的船，两者雷诺数Re相近，Cf(Re)近似相等，两船的摩擦阻力：Rf2/3V2；3)同样在低速或傅汝德数相近时，近似有Cr(Fr)等于常数，两船的剩余阻力：Rr2/3V2；于是，总阻力和有效功率分别为：Rt=Rf+Rr2/3V2(排水量(t),V航速(kn)Pe2/3V3或Ce=2/3V3/Pe(海军部系数),海军部系数,3/4,或设计船的机器功率Cm=2/3V3/Pm(Cm机器功率的海军部系数)。系数Ce和Cm的含义是不同的。Ce仅反应了船舶的阻力性能，而系数Cm则包含了阻力和推进的综合性能。Ce越大，船的阻力性能越好；Cm越大，船的快速性能越好。海军系数一般由母型船的试航资料得到；若无相近的母型船，可借助经验公式或经验数据确定海军部系数。使用海军部系数法估计舰船有效功率时，不仅应当船型接近，傅氏数相同，而且要考虑主尺度及雷诺数相近。,用海军部系数估算阻力,用下角2表示新船；下角1表示母型船，则有：阻力之比：R2/R1=2/1长度之比：L2/L1=(2/1)1/3相应速度比：V2/V1=(L2/L1)=(2/1)1/6主机功率比：Pm2/Pm1=(2/1)7/6(假设两船推进系数相同)若有母型船的功率和速度曲线，可先算出新船在航速V2时的母型船相应速度V1；然后在母型船功率曲线上查得V1时的功率P1，则新船在V2时的功率P2=P1(2/1)7/6。,4/4,二、母型船剩余阻力修正法,1/6,该方法是假定总阻力分为摩擦阻力和剩余阻力两部分，其中摩擦阻力采用平板公式计算；剩余阻力按基尔斯影响系数进行修正。基尔斯采用的影响系数为船舶的纵向棱形系数Cp、长度排水量系数L/1/3、宽吃水比B/T。基尔斯根据泰洛标准系列，以一组标准参数船(Cp=0.65、L/1/3=8.0、B/T=3.0)的剩余阻力系数Cro为基准，实际船的剩余阻力系数Cr:Cr=K1K2K3Cro式中:K1、K2、K3；称为基尔斯影响系数。,修正系数K1,2/6,K1=f1(Fr,Cp)=Cr/Cro|Cp=0.65,修正系数K2,3/6,K2=f2(Fr,L/1/3)=Cr/Cro|L/1/3=8.0,修正系数K3,4/6,K3=f3(Fr,B/T)=Cr/Cro|B/T=3.0,新船和母型船的修正系数,设计的新船和母型船的参数都未必与基尔斯的标准参数船一致，但仍可用该法根据母型船的剩余阻力系数Crp，确定新船在相同Fr数时的剩余阻力系数Crd。即:Crd=K.Crp式中，K为剩余阻力修正系数。等于新设计船及母型船根据他们各自的影响参数分别在图中查得的修正系数的比：K=(K1dK2dK3d)/(K1pK2pK3p),5/6,算例,设在傅汝德数Fr=0.20时，母型船Cp=0.730，设计船Cp=0.777，由图7-7查得K1d=1.60；K1p=1.40。所以由于棱形系数变化对剩余阻力的修正系数：K=K1d/K1p=1.6/1.4=1.