阻力估算及Cp法

1、第1章 阻力估算船體型線(xiàn)確定以后，計(jì)算船體在不同航速下所收到的阻力是預(yù)估船舶快速性的基礎(chǔ)，本文采用系類(lèi)實(shí)驗(yàn)圖譜估算發(fā)和統(tǒng)計(jì)和回歸資料估算法對(duì)船舶阻力進(jìn)行估算，獲得不同航行速度下的阻力并繪制有效馬力曲線(xiàn)，為螺旋槳的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算1.1.1 排水體積計(jì)算運(yùn)用CAD自帶的面積測(cè)量功能，獲取每條半寬水線(xiàn)與基線(xiàn)所圍成的面積，則可得到每條水線(xiàn)所圍成的面積表3- 1水線(xiàn)面面積數(shù)據(jù)0250wl500wl1000wl2000wl3000wl4000wl5000wl6000wl7000wl8000wl9000wl10000wl10820wl采用梯形法計(jì)算排水體積。由于01000wl，100

2、010000wl、10000wl10820wl的間距不相同，分三部分進(jìn)行計(jì)算。梯形法計(jì)算的表格如表4-2表3- 2梯形法計(jì)算排水體積水線(xiàn)號(hào)水線(xiàn)面面積乘數(shù)面積乘積00.525015001750110000.5總和2501102.05410000.52000130001400015000160001700018000190001100000.5總和100015259.9100000.5108200.5總和8201603.849排水體積35931.6在海水中的設(shè)計(jì)排水量 海水密度 設(shè)計(jì)排水體積 絕對(duì)誤差 誤差主要來(lái)源：各水線(xiàn)面面積的計(jì)算誤差 采用梯形法計(jì)算的誤差1.1.2 浮心縱向坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)用CAD

3、自帶的曲線(xiàn)面積測(cè)量工具，獲取每站位上橫剖線(xiàn)圍成的橫剖面積，由梯形法可計(jì)算排水體積以及浮心縱向坐標(biāo)表3- 3梯形法計(jì)算和浮心縱向坐標(biāo)站號(hào)橫剖面面積乘數(shù)面積乘數(shù)矩臂面炬乘積尾封板0.50000.5004.14013.51000.500-5-7.1890.251.000-4.75-68.9230.51.000-4.5-234.5330.751.000-4.25-365.09111.000-4-469.6421.251.000-3.75-549.7351.51.000-3.5-615.2361.751.000-3.25-650.80421.000-3-674.1402.251.000-2.75-671

4、.9562.51.000-2.5-659.9562.751.000-2.25-624.34230.500-2-145.494總和4.1158030.285-5737.042-23607.9330.500-2-145.49441.000-1-315.51451.00000.00061.0001313.57770.5002142.847總和16.46020333.408-4.584-75.4570.5002142.8477.251.0002.25607.2597.51.0002.5635.2297.751.0002.75634.39381.0003621.8568.251.0003.25581.7

5、548.51.0003.5527.5118.751.0003.75454.49791.0004366.7249.251.0004.25267.2579.540.7101.0004.5183.1979.7527.0841.0004.75128.6511020.7130.500525.891總和4.1157359.4275177.06521303.621020.7130.500-564.561球首0.0000.5004.07042.150總和35778.781-2379.76在海水中設(shè)計(jì)排水量 海水密度 設(shè)計(jì)排水體積 絕對(duì)誤差 浮心縱向坐標(biāo) 浮心縱向坐標(biāo)距船中（L%） 1.1.3 濕表面積計(jì)算運(yùn)用

6、CAD自帶的曲線(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量工具，獲取每個(gè)站位上水線(xiàn)以下部分橫剖面曲線(xiàn)所圍成長(zhǎng)度。利用梯形法計(jì)算濕表面積。具體計(jì)算見(jiàn)表3-4表3- 4梯形法計(jì)算濕表面積站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)00.570.50.2517.2510.517.510.7517.75111811.2518.2516.9711.518.511.7518.75121912.2519.2512.519.512.7519.75130.5100.5部分和4.12部分和4.12站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)30.5尾封板1.380.54103.710.551部分和10.5445861球首0.000

7、.570.5109.920.5部分和部分和20.19331總和 677.795計(jì)算濕表面積 設(shè)計(jì)船濕表面積 絕對(duì)誤差（100%） 1.2 阻力估算船舶在水中航行所受的水阻力可分為船舶在靜水中航行時(shí)的靜水阻力和波浪中的洶濤阻力兩部分。船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力與船體周?chē)牧鲃?dòng)現(xiàn)象密切有關(guān)。根據(jù)觀(guān)察，船體周?chē)睦@流運(yùn)動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，但主要有以下三種流動(dòng)現(xiàn)象：（1）興波阻力：船體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中興起波浪，簡(jiǎn)稱(chēng)興波阻力。興波阻力包括產(chǎn)生穩(wěn)定的船行波和不穩(wěn)定的破波。由于船行波的產(chǎn)生，改變了船體表面的壓力分布情況，船首的波峰使首部壓力增加，而船尾的波谷是尾部壓力降低，于是產(chǎn)生首尾流體動(dòng)壓力差，形成阻力。從

8、能量觀(guān)點(diǎn)看，無(wú)論是船行波還是破波都具有一定的能量，這些能量必然由船體供給。這種由于船體運(yùn)動(dòng)不斷興波而耗散能量所產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為興波阻力，一般用Rw表示。（2）摩擦阻力：當(dāng)船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于水的粘性，在船體周?chē)纬伞斑吔鐚印?，從使船體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到粘性切應(yīng)力，亦即船體表面產(chǎn)生了摩擦力，它在運(yùn)動(dòng)方向的合力便是船體摩擦阻力，用Rf表示.（3）粘壓阻力：在船體曲度驟變出，特別是較豐滿(mǎn)船的尾部常會(huì)產(chǎn)生旋渦。旋渦產(chǎn)生的根本原因也是由于水具有粘性。旋渦處的水壓力下降，從而改變了沿船體表面的壓力分布情況。這種有粘性引起船體前后壓力不平穩(wěn)產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為粘壓阻力，用Rpv表示。從能量觀(guān)點(diǎn)看，克服粘壓阻力所做的功耗散為

9、旋渦能量。粘壓阻力習(xí)慣也叫旋渦阻力。在阻力計(jì)算方面，對(duì)于各類(lèi)阻力的計(jì)算已有很多相關(guān)的研究。對(duì)于摩擦阻力，一般分為相當(dāng)平板摩擦阻力和計(jì)及船型椅子的阻力增加系數(shù)kRf，并有了很多的經(jīng)驗(yàn)公式可供阻力估算；粘壓阻力和興波阻力的計(jì)算通常采用尾流測(cè)量法，隨著邊界層非線(xiàn)性理論研究的深入和流體力學(xué)理論（CFD）的發(fā)展，粘壓阻力和興波阻力的理論計(jì)算得到了很多發(fā)展，并在實(shí)際中得以運(yùn)用，但目前的理論方法還不能正確地計(jì)算船舶阻力。現(xiàn)有的阻力估算通常按傅汝德分類(lèi)方法將船體靜水阻力分為相當(dāng)平板摩擦阻力和剩余阻力。本文進(jìn)行阻力估算均采用了傅汝德分類(lèi)方法。根據(jù)現(xiàn)有資料和設(shè)計(jì)的船型參數(shù)，選擇泰勒系列圖譜法、艾亞(Ayre)法、

10、蘭潑-凱勒(Lap-Keller)法進(jìn)行阻力估算。1.2.1 航速預(yù)設(shè)船舶在不同的航速下航行具有不同的雷偌數(shù)和傅汝德數(shù)，因此不同的航行速度具有遭受的阻力不同。在進(jìn)行阻力估算前，必須先預(yù)設(shè)一組航速。集裝箱船的航速一般為2225kn，經(jīng)濟(jì)航速為17kn，本船設(shè)計(jì)航速為17.5kn預(yù)設(shè)航速為1522kn，則Fr=0.1900.282。根據(jù)船型分類(lèi)，屬于中速船范圍。1.2.2 泰勒法阻力估算（1）運(yùn)用泰勒系列剩余阻力系數(shù)圖譜插值求出不同預(yù)設(shè)航速下的剩余阻力系數(shù)，如表3-5，具體插值計(jì)算示例見(jiàn)附錄表3- 5插值后的剩余系數(shù)假定航速1515.51616.51717.51818.5假定航速1919.5202

11、0.52121.522（2）按桑海公式計(jì)算相當(dāng)平板摩擦阻力系數(shù)（3）粗糙度附加值 （4）總阻力系數(shù) （5）總阻力（N） （6）取附體系數(shù)，空氣阻力系數(shù)，總阻力計(jì)算得到的總阻力如表3-6表3- 6泰勒法估算總阻力假定航速(kn)1515.51616.51717.51818.5假定航速(kn)1919.52020.52121.5221.2.3 艾亞法阻力估算艾亞法阻力估算步驟（1）由設(shè)計(jì)船舶的Fr和及值在艾亞法標(biāo)準(zhǔn)船型系數(shù)值查得相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)船型的值；（2）根據(jù)Fr或由標(biāo)準(zhǔn)方形系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)浮心縱向位置表插值該集裝箱船對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)方形系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)浮心縱向位置；（3）對(duì)實(shí)船進(jìn)行修正，包括方形系數(shù)的修正，寬度吃

12、水比的修正、浮心縱向位置的修正、水線(xiàn)長(zhǎng)度的修正。計(jì)算得到的總阻力如表3-7表3- 7艾亞法估算阻力假定航速1515.51616.51717.51818.5假定航速1919.52020.52121.5221.2.4 蘭潑-凱勒法阻力估算蘭潑-凱勒法阻力估算步驟：（1）根據(jù)船舶的和值，由蘭潑-凱勒法的浮心位置分組圖決定使用何組圖譜進(jìn)行內(nèi)插（2）根據(jù)實(shí)船的及值，由選定的圖譜獲取的值，計(jì)算得到的值（3）因圖譜以L(fǎng)/B=6.5給出，根據(jù)計(jì)算船的L/B值進(jìn)行修正（4）摩擦阻力系數(shù)由桑海公式算出，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)根據(jù)船長(zhǎng)選?。?）計(jì)算總阻力系數(shù)及總阻力（6）圖譜以B/T=2.4給出，在獲得總阻力后，對(duì)總阻力做

13、修正經(jīng)過(guò)修正后的實(shí)船總阻力為（7）取附體系數(shù)，空氣阻力系數(shù)，總阻力計(jì)算的阻力值如表3-8表3- 8 蘭潑-凱勒法估算阻力假定航速(kn)1515.51616.51717.51818.5假定航速(kn)1919.52020.52121.5221.3 阻力換算與比較實(shí)驗(yàn)船型為長(zhǎng)度為122m的幾何相似船型，給定的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行比較前需進(jìn)行阻力換算，消除船體尺度所引發(fā)的誤差。上世紀(jì) 5060 年代甚至更早些年代，船模與實(shí)船間的換算關(guān)系都是采用二因次法，即將船舶阻力劃分為摩擦阻力與剩余阻力兩部分，換算到實(shí)船時(shí)再加上粗糙度補(bǔ)貼。這對(duì)早期的軍船、小型船舶及方形系數(shù)不大的船舶是可行的，但隨著船越造越大，方

14、形系數(shù)也大大增加，再將服從雷諾定律的粘性阻力、漩渦阻力以及其他一些阻力分量都?xì)w入剩余阻力中是不適宜的，甚至?xí)霈F(xiàn)實(shí)船比模型還光滑的謬論，于是就出現(xiàn)了三因次換算法。對(duì)于方形系數(shù)較大的低速船，進(jìn)行模型和實(shí)船阻力換算時(shí)通常采用三因次換算法；對(duì)于中高速船，進(jìn)行模型和實(shí)船阻力換算時(shí)通常采用二因次換算方法本文的Fr=0.190.284，屬于中高速船舶，因此本文采用了二因次換算法，即傅汝德?lián)Q算。為計(jì)算方便，將實(shí)船阻力系數(shù)應(yīng)用傅汝德阻力換算換算為122m實(shí)驗(yàn)船的阻力系數(shù)，并在相當(dāng)船速下進(jìn)行比較。1.3.1 阻力系數(shù)換算總阻力系數(shù) 傅汝德阻力換算 三種計(jì)算方法得到的阻力經(jīng)換算后的總阻力系數(shù)為表3- 9經(jīng)傅汝德?lián)Q

15、算后的總阻力系數(shù)假定航速(kn)1515.51616.51717.51818.5假定航速(kn)1919.52020.52121.5221.3.2 阻力比較將換算后的總阻力系數(shù)與相當(dāng)速度下試驗(yàn)得到的阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（1）計(jì)算設(shè)計(jì)船在預(yù)設(shè)航速下的速度系數(shù) （2）根據(jù)設(shè)計(jì)船的預(yù)設(shè)航速下的速度系數(shù)計(jì)算相應(yīng)速度下試驗(yàn)船的航速（3）根據(jù)以后的實(shí)驗(yàn)航速下的阻力系數(shù)插值得到計(jì)算航速下的（4）比較三種不同計(jì)算方法經(jīng)轉(zhuǎn)換后的值與試驗(yàn)船的進(jìn)行比較，計(jì)算誤差表3- 10相當(dāng)航速下計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較相當(dāng)航速(kn)1515.51616.51717.518絕對(duì)誤差（100%）絕對(duì)誤差（100%）絕對(duì)誤差（100%）相當(dāng)

16、航速(kn)1919.52020.52121.522絕對(duì)誤差（100%）絕對(duì)誤差（100%）絕對(duì)誤差（100%）圖3- 1計(jì)算阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù) 圖3- 2計(jì)算阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)誤差比較1.3.3 誤差分析由以上計(jì)算可知，計(jì)算阻力與船舶實(shí)驗(yàn)阻力具有一定的誤差，且不同的計(jì)算方法的誤差不同。由圖3-2可知，蘭潑法的整體誤差較小，一般低于5%，泰勒法和艾亞發(fā)的誤差均較大，且誤差隨航速分布成方向。對(duì)于不同的計(jì)算方法，誤差主要來(lái)源主要有一下幾個(gè)方面：（1）阻力分類(lèi)計(jì)算方法引發(fā)的誤差：本文中阻力的估算均采用的是傅汝德阻力分類(lèi)方法，將船體阻力分為相當(dāng)平板年的摩擦阻力和剩余阻力。傅汝德把船體阻力分成互

17、不相關(guān)的兩個(gè)獨(dú)立部分，忽略了兩者的相互聯(lián)系；其次，傅汝德將行波阻力和粘壓阻力這兩種不同性質(zhì)的阻力成分合并成剩余阻力，并認(rèn)為符合傅汝德比較定律，在理論上是不恰當(dāng)?shù)?；最后，船體形狀的復(fù)雜的三因次物體，其周?chē)牧鲃?dòng)情況與平板相比顯然有一定的差別，因此，用相當(dāng)平板阻力代替船體摩擦阻力必然是有誤差的。（2）阻力估算方法引發(fā)的誤差：泰勒法的母型船為一巡洋艦，阻力性能較好，因此對(duì)航速較高、船型較痩的雙螺旋漿船用此法較為恰當(dāng)。本設(shè)計(jì)船為單螺旋槳集裝箱船，方形系數(shù)，船型雖瘦，在一定程度上符合計(jì)算的要求，但仍存在較大誤差。同時(shí)，泰勒系列圖譜的，而設(shè)計(jì)船的，差值時(shí)采用了外插進(jìn)行剩余阻力的計(jì)算。艾亞法船型系列的統(tǒng)計(jì)資

18、料代表著20實(shí)際40年代以前的船型，隨之時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)在的船型較過(guò)去有了很大的改變，因此艾亞法雖適用范圍較廣，對(duì)中、低速船的估算結(jié)果與船模實(shí)驗(yàn)的吻合程度尚好，但誤差能較大。同時(shí)，艾亞法所需的主要參數(shù)在用梯形法計(jì)算中本身存在誤差，再用于阻力估算中產(chǎn)生的誤差較其他方法更大。蘭潑-凱勒法的阻力估算結(jié)果與船模實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，存在的誤差主要源于對(duì)圖譜的讀數(shù)上。（3）阻力換算引發(fā)的誤差：本文才用了傅汝德阻力換算方法，即二因次阻力換算。二因次阻力換算引發(fā)的誤差如（1）中分析類(lèi)似，不再做過(guò)多分析。1.4 本章小結(jié)本章在型線(xiàn)確定及繪制完畢后，進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證以及阻力估算。通過(guò)計(jì)算排水體積、濕表面積、浮心縱向坐標(biāo)

19、等，可以得出計(jì)算參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在的誤差較小，型線(xiàn)設(shè)計(jì)和繪制基本合格。本章采用了三種阻力估算方法：泰勒系列圖譜法、艾亞法、蘭潑-凱勒法。與船模實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較可知，蘭潑-凱勒法對(duì)本設(shè)計(jì)船的適用性較好，估算值與實(shí)驗(yàn)阻力值誤差較小。第四章 型線(xiàn)變換4.1基本公式本船型線(xiàn)設(shè)計(jì)系用“1-Cp”方法進(jìn)行型線(xiàn)設(shè)計(jì)。其基本公式為5： （前體） （后體）4.2浮心的確定母型船的浮心為: -1.16米；設(shè)計(jì)船的浮心為: -1.1米。4.3繪制無(wú)因次橫剖面面積曲線(xiàn)利用EXCEL表格，計(jì)算母型船各站處的橫剖面面積，如表4-2所列。表4-2 母型船各站橫剖面面積站號(hào)母型船各站橫剖面面積（m2）站號(hào)母型船各站橫

20、剖面面積（m2）03.2671118.0815.351217.2128.0561315.77310.471414.06412.621511.82514.6169.39616.455176.735718.049184.11819.23191.69919.92001020.194.4系數(shù)的確定母型船資料：垂線(xiàn)間長(zhǎng) Lpp037m,菱形系數(shù)Cp00.608， 浮心縱向坐標(biāo)xb0-0.031。設(shè)計(jì)船資料：垂線(xiàn)間長(zhǎng) Lpp34m，菱形系數(shù)Cp0.588， 浮心縱向坐標(biāo)xb-0.028。Cpf0Cp0+2.25 xb00.608+2.25×(-0.031) 0.538；Cpa0Cp0-2.25

21、xb00.608-2.25×(-0.031) 0.678；CpfCp+2.25 xb0.588+2.25×(-0.028) 0.525；CpaCp-2.25 xb0.588-2.25×(-0.028) 0.651；CpfCpf - Cpf00.525-0.538-0.013；CpaCpa - Cpa00.651-0.678-0.027；Cpf /1- Cpf0=-0.0281 Cpa/1- Cpa0=-0.0839。 19號(hào)站移動(dòng)距離：x19(1-0.9) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.9) ×(-0.0281)

22、5;18.5-0.052m。18號(hào)站移動(dòng)距離： x18(1-0.8) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.8) ×(-0.0281)×18.5-0.104m。17號(hào)站移動(dòng)距離：x17(1-0.7) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.7) ×(-0.0281)×18.5-0.156m。16號(hào)站移動(dòng)距離： x16(1-0.6) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.6) ×(-0.0281)×18.5-0.208m。15號(hào)站移動(dòng)距離： x15(1-0.5)

23、 (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.5) ×(-0.0281)×18.5-0.260m。14號(hào)站移動(dòng)距離： x14(1-0.4) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.4) ×(-0.0281)×18.5-0.312m。13號(hào)站移動(dòng)距離： x13(1-0.3) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.3) ×(-0.0281)×18.5-0.364m。12號(hào)站移動(dòng)距離： x12(1-0.2) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.

24、2) ×(-0.0281)×18.5-0.416m。11號(hào)站移動(dòng)距離： x11(1-0.1) (Cpf/1-Cpf) ×(Lpp0/2) (1-0.1) ×(-0.0281)×18.5-0.468m。10號(hào)站移動(dòng)距離： x100。9號(hào)站移動(dòng)距離：x9(1-0.1) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.1) ×(-0.0839)×18.5-1.400m。8號(hào)站移動(dòng)距離： x8(1-0.2) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.2) ×(-0.0839)×

25、;18.5-1.242m。7號(hào)站移動(dòng)距離： x7(1-0.3) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.3) ×(-0.0839)×18.5-1.087m。6號(hào)站移動(dòng)距離：x6(1-0.4) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.4) ×(-0.0839)×18.5-0.931m。5號(hào)站移動(dòng)距離： x5(1-0.5) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.5) ×(-0.0839)×18.5-0.776m。4號(hào)站移動(dòng)距離： x4(1-0.6) (Cpa/1-Cpa) ×(Lpp0/2) (1-0.6) ×(-0.0839)×18.5-0.621m。3號(hào)站移動(dòng)距離：x3(