船舶阻力粘性阻力課件

1、船舶阻力粘性阻力課件12-1 2-1 邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力一、平板邊界層一、平板邊界層 1 1、邊界層厚度、邊界層厚度 船舶阻力粘性阻力課件2影響邊界層厚度的主要因素有：來(lái)流速度影響邊界層厚度的主要因素有：來(lái)流速度v v、距板前單點(diǎn)距板前單點(diǎn)O O的距離的距離x x和流體的粘性（運(yùn)動(dòng)粘性和流體的粘性（運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)）。邊界層厚度取決于有這三個(gè)物理量所系數(shù)）。邊界層厚度取決于有這三個(gè)物理量所組成的無(wú)量綱數(shù)組成的無(wú)量綱數(shù)2 2、邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài) 船舶阻力粘性阻力課件3將流體劃分為截然不同的兩部分，并分別加以將流體劃分為截然不同的兩部分，并分別加以處理處理。（。（1）

2、界層外面視為理想流體，可用勢(shì)）界層外面視為理想流體，可用勢(shì)流理論來(lái)解決；（流理論來(lái)解決；（2）界層內(nèi)部則視為真實(shí)流）界層內(nèi)部則視為真實(shí)流體，需用邊界層理論來(lái)求解。體，需用邊界層理論來(lái)求解。4 4、邊界層理論的重要意義、邊界層理論的重要意義 船舶阻力粘性阻力課件4由牛頓內(nèi)摩擦定理有由牛頓內(nèi)摩擦定理有：二、摩擦阻力的成因與主要特性二、摩擦阻力的成因與主要特性則整個(gè)平板的摩擦阻力為則整個(gè)平板的摩擦阻力為：1 1、摩擦阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)船舶阻力粘性阻力課件5若平板如上圖所示，則平板摩擦阻力系數(shù)為：若平板如上圖所示，則平板摩擦阻力系數(shù)為：船舶阻力粘性阻力課件61 1）在相同來(lái)流條件下，紊流邊界層內(nèi)速

3、度梯度）在相同來(lái)流條件下，紊流邊界層內(nèi)速度梯度較大，摩擦切應(yīng)力較層流情況大，摩擦阻力系較大，摩擦切應(yīng)力較層流情況大，摩擦阻力系數(shù)也較大。數(shù)也較大。2 2、摩擦阻力的主要特性、摩擦阻力的主要特性船舶阻力粘性阻力課件7當(dāng)來(lái)流速度不變，由當(dāng)來(lái)流速度不變，由x x增大引起雷諾數(shù)增大時(shí)，增大引起雷諾數(shù)增大時(shí)，界層厚度增加，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿度減界層厚度增加，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿度減小。摩擦切應(yīng)力和局部摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾小。摩擦切應(yīng)力和局部摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)增大而減小。數(shù)增大而減小。2 2）雷諾數(shù)對(duì)摩擦阻力的影響）雷諾數(shù)對(duì)摩擦阻力的影響當(dāng)當(dāng)x x一定，由一定，由v v增大引起雷諾數(shù)增大時(shí)，界層

4、厚增大引起雷諾數(shù)增大時(shí)，界層厚度減薄，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿度增大。摩度減薄，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿度增大。摩擦切應(yīng)力隨雷諾數(shù)增大而增大。擦切應(yīng)力隨雷諾數(shù)增大而增大。當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，摩擦阻力系數(shù)和局部摩擦阻當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，摩擦阻力系數(shù)和局部摩擦阻力系數(shù)均隨之減少。力系數(shù)均隨之減少。船舶阻力粘性阻力課件8如果流體介質(zhì)給定，當(dāng)界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定如果流體介質(zhì)給定，當(dāng)界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定時(shí)，則摩擦切應(yīng)力為常數(shù)。顯然板長(zhǎng)為時(shí)，則摩擦切應(yīng)力為常數(shù)。顯然板長(zhǎng)為L(zhǎng) L的平的平板摩擦阻力的值正比于平板的濕面積。板摩擦阻力的值正比于平板的濕面積。3 3）摩擦阻力與平板濕面積的關(guān)系）摩擦阻力與平板濕面積的關(guān)系這一

5、結(jié)論對(duì)研究船體形狀以減這一結(jié)論對(duì)研究船體形狀以減小濕面積從而降低摩擦阻力具小濕面積從而降低摩擦阻力具有實(shí)際意義。有實(shí)際意義。船舶阻力粘性阻力課件9三、船體邊界層三、船體邊界層1 1、邊界層外緣勢(shì)流不同、邊界層外緣勢(shì)流不同2 2、界層內(nèi)縱向壓力分布不同、界層內(nèi)縱向壓力分布不同船舶阻力粘性阻力課件102-2 2-2 平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式所謂相當(dāng)平板，就是具有相同運(yùn)動(dòng)速度、相同所謂相當(dāng)平板，就是具有相同運(yùn)動(dòng)速度、相同長(zhǎng)度、相同濕表面積的平板和船體的摩擦阻力長(zhǎng)度、相同濕表面積的平板和船體的摩擦阻力相同。但實(shí)際船體表面不是平板，而是有曲度相同。但實(shí)際船體表面不是平板，而是有曲

6、度的，同時(shí)船體表面還有粗糙度等。的，同時(shí)船體表面還有粗糙度等。因此，用相因此，用相當(dāng)平板理論計(jì)算得到的摩擦阻力與實(shí)船的摩擦當(dāng)平板理論計(jì)算得到的摩擦阻力與實(shí)船的摩擦阻力有差異。阻力有差異。目前還沒(méi)有直接計(jì)算船體摩擦阻力的可靠公式目前還沒(méi)有直接計(jì)算船體摩擦阻力的可靠公式，工程上主要采用相當(dāng)平板理論確定船體摩擦，工程上主要采用相當(dāng)平板理論確定船體摩擦阻力。阻力。船舶阻力粘性阻力課件11一、光滑平板層流摩擦阻力系數(shù)公式一、光滑平板層流摩擦阻力系數(shù)公式 二、光滑平板紊流摩擦阻力系數(shù)公式二、光滑平板紊流摩擦阻力系數(shù)公式 1、速度為指數(shù)的計(jì)算公式、速度為指數(shù)的計(jì)算公式 船舶阻力粘性阻力課件122、速度為對(duì)數(shù)

7、的計(jì)算公式、速度為對(duì)數(shù)的計(jì)算公式 1）桑海公式）桑海公式 2）柏蘭特）柏蘭特-許立汀公式許立汀公式 船舶阻力粘性阻力課件133）休斯公式）休斯公式 3、平板摩擦阻力的普遍公式、平板摩擦阻力的普遍公式 船舶阻力粘性阻力課件14三、三、1957ITTC公式公式 四、過(guò)渡流平板摩擦阻力計(jì)算公式四、過(guò)渡流平板摩擦阻力計(jì)算公式 船舶阻力粘性阻力課件152-3 2-3 減少摩擦阻力的方法減少摩擦阻力的方法一、減小船體濕表面積一、減小船體濕表面積由于摩擦力的大小正比于船體濕表面積，因此由于摩擦力的大小正比于船體濕表面積，因此船型參數(shù)、特別是主尺度的確定要適當(dāng)。船型參數(shù)、特別是主尺度的確定要適當(dāng)。 二、減小船

8、體表面粗糙度二、減小船體表面粗糙度 三、控制邊界層三、控制邊界層 四、采用聚合物溶液降阻劑及仿生學(xué)研究四、采用聚合物溶液降阻劑及仿生學(xué)研究 船舶阻力粘性阻力課件162-4 2-4 船體摩擦阻力的計(jì)算步驟船體摩擦阻力的計(jì)算步驟一、計(jì)算公式一、計(jì)算公式 二、具體計(jì)算步驟二、具體計(jì)算步驟 1 1、計(jì)算濕表面積、計(jì)算濕表面積 船舶阻力粘性阻力課件171 1）有線型圖時(shí)）有線型圖時(shí) 2 2）無(wú)線型圖時(shí)，利用近似公式計(jì)算）無(wú)線型圖時(shí)，利用近似公式計(jì)算 船舶阻力粘性阻力課件18（1 1）荷蘭瓦根寧船池經(jīng)驗(yàn)公式）荷蘭瓦根寧船池經(jīng)驗(yàn)公式 （2 2）我國(guó)長(zhǎng)江船型的近似公式計(jì)算）我國(guó)長(zhǎng)江船型的近似公式計(jì)算 （3 3

9、）交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的江船公式）交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的江船公式 船舶阻力粘性阻力課件19（4 4）利用桑地圖譜）利用桑地圖譜 船舶阻力粘性阻力課件202 2、計(jì)算雷諾數(shù)、計(jì)算雷諾數(shù) 3 3、根據(jù)光滑平板摩擦阻力公式算出或由相應(yīng)、根據(jù)光滑平板摩擦阻力公式算出或由相應(yīng)的表中查得摩擦阻力系數(shù)。的表中查得摩擦阻力系數(shù)。 4 4、決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)的值。目前我國(guó)一般、決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)的值。目前我國(guó)一般?。喝。?5 5、計(jì)算出船舶的摩擦阻力：、計(jì)算出船舶的摩擦阻力： 船舶阻力粘性阻力課件212-5 2-5 粘壓阻力的成因與特性粘壓阻力的成因與特性一、船體粘壓阻力產(chǎn)生的原因一、船體粘壓阻力產(chǎn)生的

10、原因 粘壓阻力產(chǎn)生的原因是由于粘性作用和物體后粘壓阻力產(chǎn)生的原因是由于粘性作用和物體后部的縱向壓力梯度部的縱向壓力梯度 。 船舶阻力粘性阻力課件22二、粘壓阻力特性二、粘壓阻力特性 1 1、粘壓阻力與后體形狀的關(guān)系、粘壓阻力與后體形狀的關(guān)系 如果船舶的后體收如果船舶的后體收縮較緩和，則沿曲縮較緩和，則沿曲面的流速變化較緩面的流速變化較緩慢，因而縱向正壓慢，因而縱向正壓力梯度較小，分離力梯度較小，分離現(xiàn)象可以推遲，甚現(xiàn)象可以推遲，甚至避免。至避免。物體后部物體后部形狀是影響粘壓阻形狀是影響粘壓阻力的主要因素。力的主要因素。 船舶阻力粘性阻力課件232 2、粘壓阻力與前體形狀的關(guān)系、粘壓阻力與前體

11、形狀的關(guān)系 如果船舶的前體過(guò)于肥短，流線擴(kuò)張很快，流如果船舶的前體過(guò)于肥短，流線擴(kuò)張很快，流速增加快，在最大剖面處的速度很高，而壓力速增加快，在最大剖面處的速度很高，而壓力會(huì)降得很低，使得后體范圍的正壓力梯度增加會(huì)降得很低，使得后體范圍的正壓力梯度增加，流動(dòng)急劇減速，因此粘性阻力將增大。，流動(dòng)急劇減速，因此粘性阻力將增大。舭渦的產(chǎn)生舭渦的產(chǎn)生使船首底部使船首底部形成低壓區(qū)形成低壓區(qū)，造成埋首，造成埋首現(xiàn)象，還會(huì)現(xiàn)象，還會(huì)增加阻力。增加阻力。船舶阻力粘性阻力課件24采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一船舶阻力粘性阻力課件253 3、界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)粘壓阻力

12、的影響、界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)粘壓阻力的影響層流比紊流更容易分離，分離點(diǎn)比較靠近前端層流比紊流更容易分離，分離點(diǎn)比較靠近前端，分離區(qū)較大，因而粘性阻力比紊流情況為大，分離區(qū)較大，因而粘性阻力比紊流情況為大船舶阻力粘性阻力課件26三、降低粘壓阻力的船型要求三、降低粘壓阻力的船型要求1 1、應(yīng)注意船的后體形狀、應(yīng)注意船的后體形狀。2 2、應(yīng)避免船體曲率變化過(guò)大。、應(yīng)避免船體曲率變化過(guò)大。3 3、前體線型應(yīng)予適當(dāng)注意。、前體線型應(yīng)予適當(dāng)注意。四、船體粘壓阻力的處理方法四、船體粘壓阻力的處理方法1 1、傅汝德?lián)Q算法：將粘壓阻力并入興波阻力統(tǒng)、傅汝德?lián)Q算法：將粘壓阻力并入興波阻力統(tǒng)稱(chēng)為剩余阻力。稱(chēng)為剩余阻力。

13、2 2、上世紀(jì)、上世紀(jì)5050年代提出的換算法：將粘壓阻力以年代提出的換算法：將粘壓阻力以形狀因子的形式并入摩擦阻力統(tǒng)稱(chēng)為粘性阻力。形狀因子的形式并入摩擦阻力統(tǒng)稱(chēng)為粘性阻力。船舶阻力粘性阻力課件272-6 2-6 船舶粘性阻力理論計(jì)算概述船舶粘性阻力理論計(jì)算概述一、邊界層理論計(jì)算概述一、邊界層理論計(jì)算概述 1 1、積分法：以邊界層的、積分法：以邊界層的 動(dòng)量積分方程為基礎(chǔ)，動(dòng)量積分方程為基礎(chǔ)，但遇到的困難是無(wú)法求出邊界層內(nèi)的速度分布，但遇到的困難是無(wú)法求出邊界層內(nèi)的速度分布，往往在計(jì)算之前先假定某種速度分布形式。往往在計(jì)算之前先假定某種速度分布形式。 2 2、微分法：直接求解邊界層的偏微分方程，但、微分法：直接求解邊界層的偏微分方程，但在求解時(shí)須引進(jìn)所謂湍流模式來(lái)定量描述雷諾應(yīng)在求解時(shí)須引進(jìn)所謂湍流模式來(lái)定量描述雷諾應(yīng)力項(xiàng)力項(xiàng)。 船舶阻力粘性阻力課件28二、二、N-SN-S方程理論計(jì)算概述方程理論計(jì)算概述 1 1、由于、由于RANSRANS方法本身并不封閉，須引進(jìn)所謂湍方法本身并不封閉，