Составляющие сопротивления воды движению судна, их физическая сущность и пути снижения

где R_тр- составляющая сопротивления трения;

R_волн - составляющая волнового сопротивления;

R_ф - составляющая сопротивления формы;

R_вч - составляющая сопротивления выступающих частей;

R_a - аэродинамическое сопротивление.

Сопротивление трения R_тр зависит от числа Рейнольдса R_e = VL/ν и представляет горизонтальную составляющую суммы ка­сательных сил, возникающих при обтекании корпуса потоком при движении судна.

Волновое сопротивление R_волн зависит от числа Фруда и представляет горизонтальную составляющую от сил давления.

Сопротивление форма R_ф зависит от числа Рейнольдса.

R_вч - сопротивление выступающих частей, т.е. скуловых килей, увеличивающих смоченную поверхность судна, а следовательно, сопротивление трения ахтерштевня, руля, шахт эхолота, гирокомпа­са и др., увеличивающих сопротивление формы.

R_a- воздушное сопротивление, зависящее от числа Рейнольдса R_a= f (R_e)и представляет сопротивление воздуха движению судна на сдаточных испытаниях при штилевой погоде.

В эксплуатации на судне дополнительно возникают следующие составляющие сопротивления ;

R_л - ледовое сопротивление;

R_мет-метеорологические сопротивления, т.е. сопротивление ветра и волне­ния;

R_рв- сопротивление разрушений волны;

R_тр - наибольшая из трех составляющих, равная 65-80% суммы

R_тр + R_волн + R_ф

R_тр в эксплуатации существенно увеличивается за счет повышения шероховатости корпуса от коррозии, вспучивания краски и обрастания животными организмами и водорослями.

В целях уменьшения R_трпериодически (раз в год для пас­сажирских судов и раз в два года для ледоколов и судов активного ледового плавания) осуществляют плановые докования с полной очист­кой и окраской корпуса. Для судов, эксплуатирующихся в тропиках, систематически осуществляют междоковые очистки корпуса под водой.

В стадии натурного эксперимента находятся методы снижения сопротивления трения за счет подачи в пограничный слой раство­ров полимеров и применения "воздушной смазки".

Расчет R_трне требует проведения модельных испытании. Гипотеза Фруда об эквивалентной технически гладкой пластине по­зволила средствами теории пограничного слоя установить зависи­мость x_пл = f (l_g R_e)

Волновое сопротивление R_волн является следствием возникно­вения при движении судна носовой и кормовой систем волн, вклю­чающих каждая две группы волн: расходящихся и поперечных.

Природа волнообразования - гравитационная. Выведенные из равновесия (за счет избытка гидродинамического давления в носу и в корме) частицы жидкости колеблются вследствие сил гравита­ции. Эти колебания воспринимаются как волновой профиль. Длина волн зависит от скорости судна:

Носовая система волн интерферирует с кормовой. Интерференция может быть благоприятной и неблагоприятной. Характер интерференции зависит от числа Фруда, т.е. от скорости хода и длины судна. Волновое сопротивление сдерживает рост ско­ростей морских судов. Это наглядно видно из графика x_пл = f (Fr)

Системы и группы волн показанына рисунке выше.На глубокой воде угол между лучами, соединяющими середины стругов расходящихся волн с диаметральной плоскостью, α= 18-20°. Угол между продолжением следа расходящихся волн и диаметральной плоскостью b=2 α .

Реальное уменьшение волнового сопротивления достигается двумя путями:

- путем непересечения ватерлиний свободной поверхности (суда на крыльях, суда на воздушной подушке, экранопланы, под­водные суда)

- применением бульбовых образований носовой оконечности, обеспе­чивающих более благоприятную интерференцию.

Сопротивление формы R_фсоставляет часть сил давления вязкостной природы. Физичес­кая сущность его определяет­ся характером распределения давления по длине судна и физическими явлениями, про­исходящими в пограничном слое судна (см.рис.).

Вследствие потери кине­тической энергии частиц жидкости, движущихся из зоны понижения давления в зонуповышения давления, возника­ет противопоток частиц ивследствие этого вихреобразование. На создание вихревых систем затрачивается энергия, что определяет сопротивление формы.

Воздушное сопротивление R_возд. При обтекании воздухом надводной части судна создается результирующая аэродинамическая сила сопротивления R_а

Аэродинамическая сила R_апри произвольном направлении скорости потока воздуха V_возд относительно диаметральной плоскости судна, определяемая углом α составляет с диаметральной плоскостью угол b₁> α₁. R_воздявляется проекцией R_а на направление скорости движения судна.

При попутном ветре R_возд совпадает с направлением движения судна. Проекция R_ана направление, перпендикулярное ско­рости движения судна, характеризует силу дрейфа R_дp.

Сила сопротивления воздуха R_возд = R_а cos b₁ .

Вектор V_возд - кажущийся ветер.

Воздушное сопротивление

где С - коэффициент воздушного сопротивления, определяемый путем продувки моделей подводной части корпуса в аэродинамической трубе. Для транспортных судов С = 0,7-1,2;

r_в - массовая плотность воздуха;

F_x - площадь проекции надводной части судна на плоскость мидельшпангоута.

Воздушное сопротивление максимально при встречном ветре, направленном в скулу под углом α₁ = 25-30°.