船舶原理-阻力-第3章

上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力第三章兴波阻力形成波浪的四个要素水表面受到扰动流体能够自由上升或下降（故称自由表面）在重力和表面张力作用下，力图使流体恢复到平衡位置（相当于弹簧）同时由于惯性力的存在，形成水面振荡

兴波阻力是压阻力的一部分，是由于船体在运动中兴起波浪所产生的。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-1船行波的形成和特征船体兴波{船行波破波船行波：在航行时随着一起前进，波不断向外传播,波浪留在船后。（不断向外向后传播的波）破波：（肥大船）CB=0.78以上，形成后很快破碎，通过漩涡和粘性耗散而消失，并不以波浪的形式留在船后。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力一、平面进行波的特征海浪、船行波等任何一种复杂的波系，都是由简单的平面进行波或基元波组成的。余弦波A波幅H=2A波高k

波数波长

波频率波浪周期上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力由定义可得，波速由波浪理论，波速由此可得可见，波长越大，周期越大，传播速度也越快；反之，波速越大，周期越大，波长也越大。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力对于船行波色散关系

波能位能动能一个波面的总能量如波宽为b的话上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力波能传播速度由于水质点以一定的半径作规圆运动，其动能不变，但位能却发生变化，以及波能沿波形传播向转移，由于位能是总能量的一半上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力船行自由波如假定为线性问题，船体波系可以看作基元波的叠加。θ向的平面波，波形为上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力满足满足自由表面条件onon色散关系波数波速wherewhere上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力从以上关系可知

将所有可能的不同传播方向的基元波叠加，可得整个船行波的波系波幅函数相位函数上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力二、船行波的形成水表面受到扰动流体能够自由上升或下降（故称自由表面）在重力和表面张力的作用下，力图使流体恢复到平衡位置（相当于弹簧）同时由于惯性力的存在，形成水面震荡对于船行波来说，主要是重力起主导地位，物体移动时，波留在物体后面。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力在驻点流速为零，动压最大。根据伯努利方程波高A处波高波高与船速平方成正比上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力三.船行波图形与组成压力点的兴波图形Kelvin给出了一个压力点在水面上以匀速ν作直线运动时的兴波图波，称Kelvin波。兴波图形可分成两个波系，即横波系和散波系。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力船行波的组成和特征船在航行时，船体周围的压力变化相当于有很多压力点在水面上运动，但从前面可知在船艏船尾两端，压力变化最大。因此可用两个压力点的兴波近似描绘整个船的兴波。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力随船移动的波系比较明显的是首尾两个

首波系第一峰在船艏柱略后尾波系从波谷开始，首波谷在艉柱

在扇形区内波浪明显，离开扇形区水波很快趋于平坦。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力兴波阻力与波能关系波长内波能一半动能，一半势能波能传播速度（兴波波能=兴波阻力做功）上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-2船的首尾波系及其干扰兴波阻力3部分

（兴波波能=兴波阻力做功）船艏横波中未干扰部分船艏艉横波的混合波（干扰部分）船艏艉波系中的散波上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力船艏波峰与船尾波峰重叠：不利干扰→兴波阻力增大船艏波谷与船尾波峰重叠：有利干扰→兴波阻力减小首尾横波的相互干扰主要取决于船艏艉两横波的相对位置上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力兴波长度mL：船首横波第一波峰与船尾横波第一波峰的距离L：船长m：系数（随船长、航速、船型而变）n整数

q分数q=0不利干扰相位差0(波阻峰点)q=1/2有利干扰相位差π（波阻谷点）q≠0，q≠1/2一般干扰相位差2πq（相位差

的不同决定干扰的结果）

上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力随航速变化很大随船型变化很敏感（对比Rf，主要取决于湿面积）兴波阻力曲线起伏较大（波阻峰点，波阻谷点）设计时力求避免在峰点，办法：改船速改船长调整菱形系数Cp，有一定影响3-3兴波阻力的特性上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-4兴波干扰的预测方法mL与船长、船速有关以外，特别和表示船体首尾肥瘦程度的Cp有关：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。两端瘦削船型Cp小→水压力小→mL小

Cp大→水压力大→mL大兴波干扰的函数形式上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力大量的实验表明n整数波阻峰点n整数波阻谷点上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力为了更方便的判别兴波干扰的结果，我们定义P理论波阻峰点波阻谷点上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-5确定兴波阻力的方法船模试验方法比较律Ctm：船型总阻力，可直接通过模型试验求得Cvm：船模粘性阻力系数，可通过重叠船模或低速船模试验但实际上重叠船模试验在应用上存在不少问题模型的支撑、测量装置需伸入水下船模即时有微纵倾，也会影响阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力现行办法：往往用剩余阻力系数来分析兴波阻力原因：实验很难将兴波阻力与粘压阻力分开，而且粘压阻力系数基本上不随船速变化，兴波阻力的峰谷点在剩余阻力曲线中有所反映低速船兴波阻力较小，不是研究重点高速船剩余阻力≒兴波阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力二.兴波阻力的理论计算方法设沿中纵剖面上任一点（x，z）上都是兴波源（船宽很窄，薄船）上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Michell取上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力若令其中上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力这就是著名的Michell兴波阻力积分公式I,J与船型有关，船型已知时，通过此式可求兴波阻力。纵向梯度对兴波阻力影响较大研究表明，Mechell公式可用于计算高速瘦长船型，但一般船与实验值吻合较差。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力兴波阻力波形分析是从

通过Fourier变换求振幅函数C,S，然后求Rw横切法x固定纵切法y固定混合法三.波形分析法上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力纵切法最方便，但收到池壁限制，为了避开反射波干扰，应在M点以前截断L：波上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Newman-Sharma截断修正即M以后虽然有误差，但可以认为离开船足够远，已趋于Kelvin波。在M点附近实验测得波形进行拟和，求得常数。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力波形截断长度对精度的影响纵切线距船模之距离对精度的影响船模预行段长度对精度的影响影响波形测量精度的因素上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-6减小兴波阻力的方法一.常规船

常规船，尤其是中速船，0.2<Fr<0.3

经典方法恰当选择主尺度和船型系数L/B，Cp，首部进流段，进水角等。以实验资料，P理论为依据，当船速给定时，避免处于波阻峰点。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力2.船型优化

主要依据Michell理论应用现有优化技术，选择f（ξ，z）使Rw最小。有时船型改变不大，但能收到明显效果。国际上60~70年代做了很多工作。我国80年代初也开展了不少工作。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3.

造成有利干扰

日本乾崇夫提出——球鼻首船首兴波与球鼻兴波产生有利干扰，可是总阻力下降10~15%军舰、高速船由于首波峰的位置随航速后移，装球鼻首后无用，有装消波水翼的。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力应用不同设计概念减小兴波阻力

双体船和多体船概念薄单体瘦长系数L/B（或）大，兴波阻力小，但摩擦阻力有所增加。高速船可采用（因为兴波阻力占大部分）多体船前后船体，波系相互干扰。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力使船体抬出水面设计概念

空气阻力远远小于水中阻力。滑行艇底部滑行产生升力，使部分船体抬出水面。水翼艇通过水翼产生升力，将船体抬出水面。气垫船靠气垫压力使船体离开水面。地效应船靠升力和地效应使船体抬出水面。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3.

小水线面船减小水面上面积，将船体排水体积移到水下部分。4.

复合设计概念利用多种设计概念组合，如双体小水线面船、双体水翼等。这些特殊船型的阻力特性在本书的第九章详细介绍。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力3-7破波阻力为什么叫破波阻力？

出现尾流边界层外速度亏损现象的同时，总是发现在船模首部有波浪破碎现象。

但这两者之间有无必然联系呢？通过下面的实验，证实了两者的关系。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力

沿船侧追溯上去，测量各断面的动量损失，发现它们竟然基本上（在测量误差范围内）是相等的。这就使肯定了其间的联系。边界层外的动量损失是由船首破波引起的，并命名为破波阻力。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力波浪破碎（破波）的特征波浪在艏柱面向外翻卷卷入空气，出现白色泡沫成项链状“旋涡”necklacevortex破碎后以湍流形式流向后方，留在尾流中，而不再以波浪能量出现，故可在尾流中测量。肥大船：船首项链涡自由表面上存在一个另一自由表面边界层，引起旋涡分离，但它是如何形成？机理何在？至今任然不清楚。波浪破碎的一些机理，还无统一意见。上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力二.破波阻力的测定：主尾流区船宽范围：次尾流区船宽以外上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力尾流阻力：上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力三.破波阻力的特性破波阻力是六十年代新发现的阻力成分。特点：是由于自由面引起的。将重叠模进行深水拖曳并进行尾流测量，没有发现次尾流区。破波阻力随Fn增大而增大，而且