船舶阻力PPT课件

1、.,1,船舶阻力Ship Resistance （1&2）,周利兰 Email：,武汉理工大学交通学院 船舶与海洋工程2013级,.,2,参考书目 References,基本教材： 船舶原理上册, 主编:盛振邦、刘应中. 出版社：上海交通大学出版社, 2003. 主要参考书目: 1）船舶阻力,主编：李世谟. 出版社：人民交通出版社, 1989 2）兴波阻力理论及其在船型设计中的应用, 主编：程天柱、石仲堃. 出版社：华中理工大学出版社. 3）船舶阻力,主编：姜次平、邵世明. 出版社：上海交通大学出版社, 1985. 4）兴波阻力理论基础, 主编：李世谟. 出版社：人民交通出版社, 1986.

2、5）船舶兴波阻力理论, 主编：刘应中. 出版社：国防工业出版社, 2003. 6）高性能船舶水动力原理与设计, 主编：赵连恩 . 出版社：哈尔滨工程大学出版社, 2001. 7）Marine Hydrodynamics, by J.N.Newman，the MIT press. 8）Practical Ship Hydrodynamics, by Volker Bertram, 2000.,.,3,章节 Chapters,.,4,1. 总论 Overview,Status of ship powering performance in ship design,Causation and cla

3、ssification of ship resistance,Similitude principles of ship resistance,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,1-2 船舶阻力的成因及分类,1-3 阻力相似定律,目标：任务与研究方法；船舶阻力的成因及分类； 阻力相似律；船模试验的相似条件 难点：力学相似,.,5,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,.,6,快速性: 给定主机功率时，表征船舶航速高低的一种性能。,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,船舶阻力：研究船舶在等速直线航行过程中船体受到的各种阻力问题,船舶推进

4、：研究克服船体阻力的推进器及其与船体相互干扰与匹配的问题,.,7,船舶快速性指标: 设计任务书明确指定快速性指标。,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,快速性的两个方面：阻力小；推进性能高（螺旋桨效率高）,航速指标：静水速度（试航速度） 平均海况航速 （服务速度）,其他设计指标：民用船舶-使用性；经济性 军用舰艇-作战性能,船型仍是竞争的关键之一,.,8,船舶阻力课程的主要内容:,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,阻力的成因及其性质,阻力随航速、船型和外界条件的变化规律,减小阻力的方法，寻找优良船型,估算船舶阻力，为推进器设计提供依据,.,9,船舶快速性研究方法:,1-1 船舶快

5、速性及其在船舶设计中的地位,数值模拟（CFD）：应用高速计算机，根据数学模型，采用数值方法模拟船舶航行时的流场，计算船舶阻力及分析其他运动特性，可用来预报船舶阻力性能，并为船型及推进器的优化设计服务。,试验方法：模型试验-主要手段，但有局限性 实船试验-鉴定各种性能是否达到设计要求,理论研究方法：应用流体力学的理论，抓出问题的关键和核心，建立物理或数学模型将复杂问题简单化，结合理论推演和计算，给出一些指导性的定性结果。,.,10,研究现状：,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,模型实验：阻力试验；自航试验； 螺旋桨敞水试验；伴流场测试 （PIV）,有效途径:,以理论分析为基础，将数值模拟

6、和模型试验相结合，发挥各自优势，提高预报精度，扩展数值模拟的使用范围。,CFD：势流理论；粘性理论,.,11,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,模型试验：,.,12,数值模拟 船舶计算流体动力学的研究与应用成为阻力与流动领域的前沿问题 船舶所面临的非线性波面、船体瞬时湿表面、粘性效应及艉部螺旋桨组合体等复杂问题的解决，是船舶计算流体动力学的发展动力。 近年来，基于RANS的CFD数值计算方法在计及自由液面、附体和运转螺旋桨的船舶整体粘性流场预报中，取得重要突破，已广泛地应用于方案设计阶段的船型选优。,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中的地位,.,13,1-1 船舶快速性及其在船舶设计中

7、的地位,.,14,1-2 船舶阻力的成因及分类,1-2 船舶阻力的成因及分类,船舶阻力,.,15,按产生阻力的物理现象分类 按作用力方向分类 按流体性质分类 傅汝德阻力,1-2 船舶阻力的成因及分类,船体阻力的分类：,.,16,阻力产生的物理现象（运动和流动现象）：,1-2 船舶阻力的成因及分类,船尾波谷，压力降低,船首波峰，压力增加,湿表面边界层，粘性切应力作用产生摩擦力,船体曲度骤变处（丰满船尾）常会产生旋涡，导致船体前后压力不平衡,兴波阻力Rw -wave-making resistance （波峰波谷，首尾压差）,摩擦阻力Rf -friction resistance（水的粘性，粘性切

8、应力）,粘压阻力Rpv-viscous pressure resistance （前端驻点附近高压，后端边界层外速度增大，压力减小，产生首尾压差；边界层分离，后体船体曲度骤变处产生旋涡，旋涡区压力低，产生首尾压差 ）,.,17,1-2 船舶阻力的成因及分类,船体受力示意图,作用力方向: 压阻力Rp （垂直于船体表面的压力作用） 摩擦阻力Rf （沿船体表面切向力的作用）,升沉,纵倾,.,18,流体性质：,1-2 船舶阻力的成因及分类,粘性阻力Rv,船体总阻力Rt,兴波阻力Rw （理想流体中依然存在）,粘性阻力Rv （由于水的粘性产生的阻力，存在于粘性流体中，在理想流体中不存在）,粘性阻力Rv=摩

9、擦阻力Rf +粘压阻力Rpv,.,19,1-2 船舶阻力的成因及分类,傅汝德阻力分类：,应用于船模试验阻力值与实船阻力值的阻力换算中,Rt= Rfp+ Rr,摩擦阻力Rfp （等同于相当平板的摩擦阻力）,剩余阻力Rr （实质=粘压阻力Rpv+ 兴波阻力Rw）,相当平板：与船模或实船同长度、同速度、同湿表面积的平板,.,20,船型给定时，外界条件不变（流体参数一定）的前提下，船体阻力可以看做仅仅是船速Vs的函数：,阻力各成分随速度变化的速度不同，从而总阻力中各成分的比例随速度的不同而不同,1-2 船舶阻力的成因及分类,阻力成分的主要特性：,.,21,粘性阻力,兴波阻力,航速 Speed (kn)

10、,阻力 Resistance (kN),峰,谷,1kn=1海里/小时=1.852km/h,阻力成分的主要特性：,1-2 船舶阻力的成因及分类,低速船（Fr0.2）：粘性阻力Rv （ Rf 70%-80% ； Rpv 10%以上，丰满船型增加）,高速船（Fr0.3）：兴波阻力Rw （40%-50%Rw；Rf 50%；Rpv5%）,峰谷位置：是船长和航速的函数,.,22,1-2 船舶阻力的成因及分类,.,23,1-2 船舶阻力的成因及分类,影响阻力的因素： 速度 船型 介质运动粘性系数 注意：国际单位制，英制单位制及工程单位制,.,24,1-3 阻力相似定律,换算关系Extrapolation 模

11、型试验条件Experimental Set-up 测量物理量Measurement,寻找无量纲数学表达式/相似准则,动力相似,.,25,1-3 阻力相似定律,几何相似geometric similitude：,量纲分析法：三个基本量（长度L，时间T，质量M）,长度比尺 ： 面积比尺： 体积比尺：,运动相似kinematic similitude：,速度比尺： 加速度比尺：,动力相似dynamic similitude：,力的比尺 ：,.,26,1-3 阻力相似定律,则实物与模型对应的流体微团在x轴方向的惯性力为：,则两物系惯性力之比值为：,下面先从惯性力入手看满足力学相似所需的条件：,.,27

12、,1-3 阻力相似定律,雷诺定律（粘性阻力相似）,傅汝德定律（兴波阻力相似）,全相似定律（总阻力相似）,.,28,1-3 阻力相似定律,雷诺定律（粘性阻力相似）：,当物体在无界的粘性流体中运动时 (e.g.潜艇水面下很深，且距离水底亦有很大距离深潜航行时)，所受阻力为粘性阻力，无兴波。,根据力学相似，则实船与船模的粘性力之比 惯性力之比,牛顿粘性切应力公式,动力粘性系数dynamic viscosity coefficient,单位面积上的粘性力,满足力学相似的条件为,=,.,29,1-3 阻力相似定律,雷诺数Reynolds number,根据,运动粘性系数kinematic viscosi

13、ty coefficient,.,30,1-3 阻力相似定律,傅汝德定律（兴波阻力相似）：,傅汝德数 Froude number,研究兴波阻力时，一般假定流体为理想流体，不计粘性影响。既无Rf亦无Rvp，仅有波浪（重力）引起的兴波阻力Rw。 则实船与船模的重力之比=惯性力之比,.,31,粘性阻力之比=惯性力之比,1-3 阻力相似定律,兴波阻力之比=惯性力之比,总阻力之比=惯性力之比,.,32,1-3 阻力相似定律,全相似定律（总阻力相似）：,对于实际水面上航行的给定船舶，需同时考虑兴波及粘性的影响，Rt=Rf+Rvp+Rw。,则此时满足力学相似的条件为：,1）,2）,1.对于不同船型，总阻力系数除与Re和Fr相关外