第02章 粘性阻力

1、船舶阻力第第2 2章章 粘性阻力粘性阻力2.1 2.1 邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力2.2 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2.3 2.3 船體表面彎曲度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲度對(duì)摩擦阻力的影響2.4 2.4 船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響2.5 2.5 減小摩擦阻力的方法減小摩擦阻力的方法2.6 2.6 船體摩擦阻力的計(jì)算步驟船體摩擦阻力的計(jì)算步驟2.7 2.7 粘壓阻力的成因及特性粘壓阻力的成因及特性2.8 2.8 確定粘性阻力的尾流測(cè)量法確定粘性阻力的尾流測(cè)量法2.9 2.9 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

2、1/12.1 2.1 邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力1/1 船舶粘性阻力的處理方法船舶粘性阻力的處理方法一、平板邊界層一、平板邊界層二、摩擦阻力成因及特性二、摩擦阻力成因及特性三、船體邊界層三、船體邊界層船舶粘性阻力的處理方法船舶粘性阻力的處理方法 粘性阻力由粘性阻力由摩擦阻力摩擦阻力和和粘壓阻力粘壓阻力兩部分組成，它與兩部分組成，它與船船體形狀體形狀和和雷諾數(shù)雷諾數(shù)密切相關(guān)。密切相關(guān)。 目前處理船舶粘性阻力的方法分為目前處理船舶粘性阻力的方法分為2大類：大類： 1. 根據(jù)根據(jù)邊界層理論邊界層理論或或雷諾平均方程雷諾平均方程用用數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算方法求得方法求得粘性阻力。隨著計(jì)算流體力學(xué)的迅速

3、發(fā)展，船體周圍粘性粘性阻力。隨著計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，船體周圍粘性流場(chǎng)的計(jì)算已成為國(guó)際造船界研究熱點(diǎn)之一。目前用雷諾流場(chǎng)的計(jì)算已成為國(guó)際造船界研究熱點(diǎn)之一。目前用雷諾平均方程計(jì)算船體周圍的粘性流場(chǎng)已漸趨成熟，并能平均方程計(jì)算船體周圍的粘性流場(chǎng)已漸趨成熟，并能定性定性估算估算船體的摩擦阻力和粘壓阻力。但由于船體形狀比較復(fù)船體的摩擦阻力和粘壓阻力。但由于船體形狀比較復(fù)雜，用理論方法計(jì)算得出的粘性阻力雜，用理論方法計(jì)算得出的粘性阻力尚不能付諸工程實(shí)用尚不能付諸工程實(shí)用。1/2粘性阻力的工程處理法粘性阻力的工程處理法2. 工程實(shí)用方法工程實(shí)用方法。是將摩擦阻力和粘壓阻力分別處理。是將摩擦阻力和粘壓阻

4、力分別處理。 摩擦阻力摩擦阻力沿用傅汝德提出的沿用傅汝德提出的相當(dāng)平板相當(dāng)平板假定，即船體的假定，即船體的摩擦阻力摩擦阻力與與同速度同速度、同長(zhǎng)度同長(zhǎng)度、同濕面積同濕面積的的平板摩擦阻力平板摩擦阻力相相當(dāng)，這是計(jì)算船體摩擦阻力的基礎(chǔ)。當(dāng)，這是計(jì)算船體摩擦阻力的基礎(chǔ)。 粘壓阻力粘壓阻力，早期將其，早期將其歸并入興波阻力歸并入興波阻力中，統(tǒng)稱為中，統(tǒng)稱為剩余剩余阻力阻力，之后又將其以，之后又將其以形狀因子形狀因子的形式與相當(dāng)平板摩擦阻力的形式與相當(dāng)平板摩擦阻力聯(lián)系在一起，統(tǒng)稱為聯(lián)系在一起，統(tǒng)稱為粘性阻力粘性阻力。這兩種阻力，都由船模試。這兩種阻力，都由船模試驗(yàn)決定。驗(yàn)決定。 本章著重從船舶工程實(shí)際

5、使用出發(fā)，分別討論摩擦阻本章著重從船舶工程實(shí)際使用出發(fā)，分別討論摩擦阻力和粘壓阻力的成因、特征以及處理方法。力和粘壓阻力的成因、特征以及處理方法。2/2一、平板邊界層一、平板邊界層 水以勻速度水以勻速度v流經(jīng)平板，由于粘性，平板表面處的水流經(jīng)平板，由于粘性，平板表面處的水質(zhì)點(diǎn)均被粘附在平板上，流速為零。隨著與平板表面距質(zhì)點(diǎn)均被粘附在平板上，流速為零。隨著與平板表面距離離 y 增加，流速逐漸增加；當(dāng)增加，流速逐漸增加；當(dāng)y增至某一距離增至某一距離時(shí)，該處時(shí)，該處的流速達(dá)到來(lái)流速度值的流速達(dá)到來(lái)流速度值(實(shí)際處理為實(shí)際處理為99)。稱存在粘性。稱存在粘性作用的這一薄層水流為作用的這一薄層水流為邊界

6、層邊界層，為為界層厚度界層厚度。在平板各。在平板各處取距離相應(yīng)為處取距離相應(yīng)為的點(diǎn)，連成一界面，稱為的點(diǎn)，連成一界面，稱為界層邊界界層邊界。1/6界層厚度值界層厚度值 根據(jù)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn): =f ( vx/)=f (Rex)。且。且Rex 越大越大,流體的粘性和流體的粘性和就越小。就越小。 理想流體理想流體可視為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)可視為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)=0的實(shí)際流體，其雷的實(shí)際流體，其雷諾數(shù)諾數(shù)Rex，所以邊界層厚度，所以邊界層厚度=0。2/6層流與紊流層流與紊流 觀察邊界層內(nèi)的流動(dòng)，可發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)有兩種狀態(tài)：觀察邊界層內(nèi)的流動(dòng)，可發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)有兩種狀態(tài)： 層流：層流：在平板前端，水質(zhì)點(diǎn)有穩(wěn)定的分層流動(dòng)，

7、邊界在平板前端，水質(zhì)點(diǎn)有穩(wěn)定的分層流動(dòng)，邊界層層沿板長(zhǎng)方向增長(zhǎng)較慢；沿板長(zhǎng)方向增長(zhǎng)較慢； 紊流紊流(湍流湍流)：在平板后部，水質(zhì)點(diǎn)互相碰撞，運(yùn)動(dòng)方：在平板后部，水質(zhì)點(diǎn)互相碰撞，運(yùn)動(dòng)方向極不規(guī)則，但其平均速度還是沿平板方向前進(jìn)、界層厚向極不規(guī)則，但其平均速度還是沿平板方向前進(jìn)、界層厚度度沿板長(zhǎng)方向的增長(zhǎng)較層流情況快沿板長(zhǎng)方向的增長(zhǎng)較層流情況快; 實(shí)際上在層流和紊流之間還有一段過(guò)渡狀態(tài)稱為實(shí)際上在層流和紊流之間還有一段過(guò)渡狀態(tài)稱為過(guò)過(guò)渡流渡流(變流變流)。3/6層流底層層流底層 進(jìn)一步的試驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn)：界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)完全取進(jìn)一步的試驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn)：界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)完全取決于平板的局部雷諾數(shù)決于平板

8、的局部雷諾數(shù)Rex。 需要說(shuō)明的是：在紊流邊界層的底部仍有一極薄的層需要說(shuō)明的是：在紊流邊界層的底部仍有一極薄的層流，稱為流，稱為層流底層層流底層，這是因?yàn)樵诰o靠物體表面的水質(zhì)點(diǎn)的，這是因?yàn)樵诰o靠物體表面的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度極低，雷諾數(shù)很小，所以呈層流狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)速度極低，雷諾數(shù)很小，所以呈層流狀態(tài)。4/65/6邊界層劃分邊界層劃分 Rex范圍范圍 邊界層厚度邊界層厚度層流狀態(tài)層流狀態(tài): Rex (3.55.0)105過(guò)渡流過(guò)渡流: (3.55.0)105 Rex 3.0106湍流狀態(tài)湍流狀態(tài): 3.0106 RexxRex212 . 5xRex017. 3lg0598. 06/6邊界層理論的應(yīng)用

9、邊界層理論的應(yīng)用 邊界層理論的重要意義在于它將流體劃分為截然不同邊界層理論的重要意義在于它將流體劃分為截然不同的兩部分，并加以分別處理。的兩部分，并加以分別處理。界層外面界層外面可視為可視為理想流理想流體，體，用勢(shì)流理論求解；用勢(shì)流理論求解；界層內(nèi)部界層內(nèi)部為為真實(shí)流真實(shí)流體須用邊界層理論體須用邊界層理論來(lái)求解。來(lái)求解。二、摩擦阻力成因及特性二、摩擦阻力成因及特性0| yyv SfdsR 當(dāng)水或空氣流經(jīng)平板表面時(shí)，由于流體粘性作用，在當(dāng)水或空氣流經(jīng)平板表面時(shí)，由于流體粘性作用，在平板表面附近形成邊界層。由牛頓內(nèi)摩擦定律知，平板表面附近形成邊界層。由牛頓內(nèi)摩擦定律知，平板平板表表面受到的面受到的

10、摩擦切應(yīng)力摩擦切應(yīng)力：1/7 盡管水的動(dòng)力粘性系數(shù)盡管水的動(dòng)力粘性系數(shù) 較小，但由于界層內(nèi)的速度較小，但由于界層內(nèi)的速度梯度梯度 很大，所以平板表面受到的摩擦切應(yīng)力不能忽略。很大，所以平板表面受到的摩擦切應(yīng)力不能忽略。 整個(gè)整個(gè)平板平板受到的受到的摩擦阻力摩擦阻力Rf 應(yīng)是所有摩擦切應(yīng)力的合應(yīng)是所有摩擦切應(yīng)力的合力，可表示為：力，可表示為：yv 其中其中 稱為稱為局部摩擦阻力系數(shù)局部摩擦阻力系數(shù)；Cf為為平均摩平均摩擦阻力系數(shù)擦阻力系數(shù)，是局部摩擦阻力系數(shù)，是局部摩擦阻力系數(shù)C在整個(gè)在整個(gè)x長(zhǎng)度范圍內(nèi)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均值，如圖所示。同時(shí)可見(jiàn)的平均值，如圖所示。同時(shí)可見(jiàn)平均摩擦阻力系數(shù)平均摩擦阻力

11、系數(shù)比同比同雷諾數(shù)的雷諾數(shù)的局部摩擦阻力系數(shù)局部摩擦阻力系數(shù)大大。這一結(jié)論無(wú)論對(duì)層流或。這一結(jié)論無(wú)論對(duì)層流或紊流均成立。紊流均成立。摩擦阻力成因摩擦阻力成因 xxxffdxCbxvdxbSvRC012210221)2 ./(2)/( 設(shè)圖示平板寬度為設(shè)圖示平板寬度為b，則，則x一段內(nèi)全部摩擦阻力一段內(nèi)全部摩擦阻力Rf 的的無(wú)量綱形式可表示為：無(wú)量綱形式可表示為：2/7)/(221vC 1. 1. 摩擦阻力與流態(tài)的關(guān)系摩擦阻力與流態(tài)的關(guān)系 紊流的摩擦切應(yīng)力大于層流紊流的摩擦切應(yīng)力大于層流。層流和紊流的流速分布。層流和紊流的流速分布如圖。在紊流邊界層中，由于水質(zhì)點(diǎn)相互撞擊產(chǎn)生動(dòng)量交如圖。在紊流邊界

12、層中，由于水質(zhì)點(diǎn)相互撞擊產(chǎn)生動(dòng)量交換，致使界層內(nèi)的速度分布較層流豐滿。因此，在相同來(lái)?yè)Q，致使界層內(nèi)的速度分布較層流豐滿。因此，在相同來(lái)流條件下，層流底層的速度梯度流條件下，層流底層的速度梯度 較大，所以其摩擦較大，所以其摩擦切應(yīng)力必然較層流情況大，相應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)也大。切應(yīng)力必然較層流情況大，相應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)也大。3/7yv 2. 2. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe對(duì)摩擦阻力的影響對(duì)摩擦阻力的影響exRx/2 . 5xRex017. 3lg0598. 0 4/7 在固定流態(tài)情況下，平板摩擦切應(yīng)力在固定流態(tài)情況下，平板摩擦切應(yīng)力 隨局部雷諾數(shù)隨局部雷諾數(shù)Rex=vx/變化而變化：變化而變化：1) 來(lái)

13、流速度來(lái)流速度v不變，不變，增加增加x由由計(jì)算式可見(jiàn)，都使層流或紊計(jì)算式可見(jiàn)，都使層流或紊流的界層厚度流的界層厚度增大，從而使界層內(nèi)速度分布的豐滿度有所增大，從而使界層內(nèi)速度分布的豐滿度有所下降，速度梯度下降，速度梯度 必然隨必然隨x增加而減小。故增加而減小。故摩擦切應(yīng)力摩擦切應(yīng)力和和局部摩擦阻力系數(shù)局部摩擦阻力系數(shù)均隨均隨 x 增大而增大而減小減小。yv 層流：層流：紊流：紊流：0| yyv 2) x不變，不變，增大增大v使使Rex增大，也都使層流或紊流界層厚增大，也都使層流或紊流界層厚度度 減薄減薄，從而使界層內(nèi)流速分布的豐滿度增大，摩擦切，從而使界層內(nèi)流速分布的豐滿度增大，摩擦切應(yīng)力應(yīng)力

14、隨之增大。但由平板界層求解結(jié)果知：摩擦切應(yīng)力隨之增大。但由平板界層求解結(jié)果知：摩擦切應(yīng)力 隨來(lái)流隨來(lái)流v增加，在紊流和層流中分別正比于增加，在紊流和層流中分別正比于 v13/7 和和v3/2，即，即隨隨v的增大情況均小于的增大情況均小于v2關(guān)系。所以，其局部摩擦阻力系關(guān)系。所以，其局部摩擦阻力系數(shù)數(shù)C仍然是隨仍然是隨v增大而減小。增大而減小。雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe的影響的影響)/(221vC 5/7xRex017. 3lg0598. 0 層流：層流：紊流：紊流：0| yyv exRx/.25 x不變不變 v13/7 和和v3/2雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe的影響的影響 由于平均摩擦阻力系數(shù)由于平均摩擦阻

15、力系數(shù)Cf 與局部摩擦阻力系數(shù)與局部摩擦阻力系數(shù)C具具有相同的變化規(guī)律，因此可知：當(dāng)有相同的變化規(guī)律，因此可知：當(dāng)Re增大時(shí)，無(wú)論增大時(shí)，無(wú)論C或或Cf 均隨之下降。均隨之下降。6/7Rf=Cf 0.5v2S3. 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 SyfdsyvR0| 由平板的摩擦阻力計(jì)算公式可知，如果流體介質(zhì)由平板的摩擦阻力計(jì)算公式可知，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)，界層內(nèi)的速度梯度給定，當(dāng)界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定時(shí)，界層內(nèi)的速度梯度 均為確定值，顯然板長(zhǎng)為均為確定值，顯然板長(zhǎng)為L(zhǎng)的的平板摩擦阻力平板摩擦阻力Rf 隨平隨平板的板的濕面積濕面積S 增加而增

16、加。增加而增加。7/7yv 這一結(jié)論對(duì)研究船體形狀以這一結(jié)論對(duì)研究船體形狀以減小濕面積減小濕面積，從而，從而降低降低摩擦阻力摩擦阻力具有實(shí)用意義。具有實(shí)用意義。Rf=Cf 0.5v2S三、船體邊界層三、船體邊界層1/4 由于船體表面由于船體表面縱向縱向和和橫向橫向曲率曲率的影響，船體周圍的三的影響，船體周圍的三維邊界層與平板的二維邊界層明顯不同。主要差別有：維邊界層與平板的二維邊界層明顯不同。主要差別有：1) 1) 邊界層外勢(shì)流不同邊界層外勢(shì)流不同2/4 平板邊界層外勢(shì)流的平板邊界層外勢(shì)流的速度速度和和壓力壓力均保持均保持不變不變；而船體表；而船體表面邊界層外勢(shì)流的速度和壓力面邊界層外勢(shì)流的速

17、度和壓力均發(fā)生變化均發(fā)生變化。n沿船體表面各處流速的變化沿船體表面各處流速的變化(大小大小,方向方向)；n沿船體表面法線方向來(lái)流速度的變化，界層以外的部沿船體表面法線方向來(lái)流速度的變化，界層以外的部分也有分也有速度梯度速度梯度和和摩擦切應(yīng)力摩擦切應(yīng)力，但與界層以內(nèi)部分相，但與界層以內(nèi)部分相比是很小的、所以粘性影響可以忽略不計(jì)。比是很小的、所以粘性影響可以忽略不計(jì)。n據(jù)伯努利方程，沿船體表面的壓力也必不相等，船中據(jù)伯努利方程，沿船體表面的壓力也必不相等，船中較低，首尾較高，即較低，首尾較高，即有有縱向壓力梯度縱向壓力梯度。2) 2) 界層內(nèi)壓力沿縱向分布不同界層內(nèi)壓力沿縱向分布不同3/4 按邊界

18、層理論中界層內(nèi)部壓力等于其外緣壓力的假定按邊界層理論中界層內(nèi)部壓力等于其外緣壓力的假定,平平板邊界層內(nèi)板邊界層內(nèi)壓力壓力沿縱向處處相等沿縱向處處相等；而船體邊界層內(nèi)存在縱；而船體邊界層內(nèi)存在縱向壓力梯度，即首部壓力高，中部較低而尾部又相應(yīng)有所向壓力梯度，即首部壓力高，中部較低而尾部又相應(yīng)有所升高。由于流體的粘性，在這種縱向壓力分布情況下，不升高。由于流體的粘性，在這種縱向壓力分布情況下，不管尾部是否出現(xiàn)界層分離，均使管尾部是否出現(xiàn)界層分離，均使尾部的壓力尾部的壓力首部壓力首部壓力，因而船體不但受到摩擦阻力，而且還將受到因而船體不但受到摩擦阻力，而且還將受到粘壓阻力粘壓阻力。3) 3) 界層厚度

19、以及橫向繞流界層厚度以及橫向繞流 船體邊界層在界船體邊界層在界層相對(duì)厚度層相對(duì)厚度以及以及橫向繞流橫向繞流對(duì)邊界層的影對(duì)邊界層的影響等方面與平板邊界層相比亦存在差異。響等方面與平板邊界層相比亦存在差異。4/4 但船體摩擦阻力的但船體摩擦阻力的成因成因、特性特性與平板與平板基本相同基本相同，因此，因此船體摩擦阻力可用平板摩擦阻力的方法處理。船體摩擦阻力可用平板摩擦阻力的方法處理。 從從能量觀點(diǎn)能量觀點(diǎn)看，船在靜水中航行，由于粘性作用，必看，船在靜水中航行，由于粘性作用，必然帶動(dòng)一部分水一起運(yùn)動(dòng)，這就是邊界層。為攜帶這部分然帶動(dòng)一部分水一起運(yùn)動(dòng)，這就是邊界層。為攜帶這部分水一起前進(jìn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船

20、體將不斷供給這部分水質(zhì)點(diǎn)水一起前進(jìn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船體將不斷供給這部分水質(zhì)點(diǎn)以能量，因而產(chǎn)生摩擦阻力。以能量，因而產(chǎn)生摩擦阻力。2.2 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)公式三、國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議實(shí)船三、國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議實(shí)船- -船模換算式船模換算式四、過(guò)渡流平板摩擦阻力系數(shù)公式四、過(guò)渡流平板摩擦阻力系數(shù)公式五、船體摩擦阻力計(jì)算的處理方法五、船體摩擦阻力計(jì)算的處理方法 雖然數(shù)值計(jì)算有很大的發(fā)展，但求解船體這樣形狀復(fù)雖然數(shù)值計(jì)算有很大的發(fā)展，但求解船體

21、這樣形狀復(fù)雜物體的邊界層問(wèn)題，尚不能給出工程實(shí)用的結(jié)果。目前雜物體的邊界層問(wèn)題，尚不能給出工程實(shí)用的結(jié)果。目前仍仍沿用光滑平板摩擦阻力沿用光滑平板摩擦阻力系數(shù)公式計(jì)算船體摩擦阻力。系數(shù)公式計(jì)算船體摩擦阻力。1/1一一. .光滑平板層流摩擦阻力系數(shù)公式光滑平板層流摩擦阻力系數(shù)公式 平板界層內(nèi)全為平板界層內(nèi)全為層流層流時(shí)，勃拉齊時(shí)，勃拉齊(Blasius)早在早在1908年年根據(jù)層流界層微分方程式給出了根據(jù)層流界層微分方程式給出了精確理論解精確理論解為：為：此式稱勃拉齊公式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。此式稱勃拉齊公式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。 但勃拉齊公式并但勃拉齊公式并不適用于造船不適用于造船工程，因?yàn)橐?/p>

22、般船舶的雷工程，因?yàn)橐话愦暗睦字Z數(shù)在諾數(shù)在4106Re3109。其對(duì)應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流邊界。其對(duì)應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流邊界層。層。21Re328. 1)(221SvRCffRe0的情況，因而的情況，因而CfrCf。且隨。且隨Re繼續(xù)增大，平板將有繼續(xù)增大，平板將有更多的部分更多的部分k0 ，因而，因而Cfr必然逐漸增大。必然逐漸增大。3/73. 3. 完全粗糙階段完全粗糙階段 當(dāng)當(dāng)Re繼續(xù)增加到某一雷諾數(shù)后，繼續(xù)增加到某一雷諾數(shù)后，Cf=(Cfr-Cf)基本上基本上不再隨不再隨Re而變化，近似為常數(shù)。其原因是此時(shí)而變化，近似為常數(shù)。其原因是此時(shí) Re 較大，較大，層流底層很薄，以致整個(gè)平板呈現(xiàn)層

23、流底層很薄，以致整個(gè)平板呈現(xiàn) k0的情況。當(dāng)漆面的情況。當(dāng)漆面粗糙因素全部突出在層流底層外粗糙因素全部突出在層流底層外而進(jìn)入紊流區(qū)后，使界層而進(jìn)入紊流區(qū)后，使界層內(nèi)的速度分布更加豐滿，從而使摩擦切應(yīng)力內(nèi)的速度分布更加豐滿，從而使摩擦切應(yīng)力 增大，其增大，其4/7增量近似正比于增量近似正比于 v2，因，因而整個(gè)漆面平板的摩擦而整個(gè)漆面平板的摩擦阻力系數(shù)增加值阻力系數(shù)增加值Cf近似近似為常數(shù)為常數(shù)。v13/7(紊流紊流)Cf=Rf/(1/2v2S)相對(duì)粗糙度的影響相對(duì)粗糙度的影響 在在Re一定一定，漆面平板的摩擦阻力系數(shù)，漆面平板的摩擦阻力系數(shù)Cfr隨相對(duì)粗糙度隨相對(duì)粗糙度k/L的增加而增加；且的

24、增加而增加；且Cfr曲線對(duì)應(yīng)的過(guò)渡階段的起始雷諾曲線對(duì)應(yīng)的過(guò)渡階段的起始雷諾數(shù)相應(yīng)降低。這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)相應(yīng)降低。這是因?yàn)楫?dāng)k/L增加時(shí)，必然要求更較厚的增加時(shí)，必然要求更較厚的層流底層才能保持水力光滑狀態(tài)，只有層流底層才能保持水力光滑狀態(tài)，只有Re減小，層流底層減小，層流底層厚度厚度0才會(huì)增大，故過(guò)渡段相應(yīng)的起始雷諾數(shù)變小。才會(huì)增大，故過(guò)渡段相應(yīng)的起始雷諾數(shù)變小。5/7實(shí)船表面粗糙度影響實(shí)船表面粗糙度影響 米哈依洛夫米哈依洛夫給出基于柏蘭特給出基于柏蘭特-許立汀公式的漆面平板許立汀公式的漆面平板的摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式為：的摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式為：)96. 1(lg208. 01 Re)(lg45

25、5. 07 . 058. 2vkCfr)2000100(vk式中式中v為船速，為船速，Re為船長(zhǎng)雷諾數(shù)。為船長(zhǎng)雷諾數(shù)。k:漆面凸起高度的均方漆面凸起高度的均方根值；此外根值；此外: :漆面凸起的平均波長(zhǎng)漆面凸起的平均波長(zhǎng)。（。（補(bǔ)補(bǔ)）6/7nnkkniinii112 ,船模表面粗糙度影響船模表面粗糙度影響 船模船模表面由于加工精良，同時(shí)試驗(yàn)速度較實(shí)船低得表面由于加工精良，同時(shí)試驗(yàn)速度較實(shí)船低得多，因此船模表面粗糙度相對(duì)于其界層的層流底層厚度多，因此船模表面粗糙度相對(duì)于其界層的層流底層厚度要小，所以一般認(rèn)為船模表面處于水力光滑情況，即可要小，所以一般認(rèn)為船模表面處于水力光滑情況，即可不考慮不考慮

26、表面表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響。7/7二、結(jié)構(gòu)粗糙度二、結(jié)構(gòu)粗糙度1/2結(jié)論結(jié)論1. 鉚接船鉚接船的局部粗糙度對(duì)阻力的影響的局部粗糙度對(duì)阻力的影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于焊接船焊接船。2. 焊接船焊接船局部粗糙度所引起的阻力增加百分?jǐn)?shù)不大，表局部粗糙度所引起的阻力增加百分?jǐn)?shù)不大，表列僅在列僅在 0.6 1.7%，說(shuō)明，說(shuō)明局部粗糙度局部粗糙度對(duì)阻力的影響遠(yuǎn)對(duì)阻力的影響遠(yuǎn)小小于于普遍粗糙度。普遍粗糙度。3. 焊接船焊接船的的橫向焊縫橫向焊縫是造成局部粗糙度對(duì)阻力影響的主是造成局部粗糙度對(duì)阻力影響的主要因素。要因素。 由表可知，由表可知，焊接船焊接船的局部粗糙度所增加的阻力平均的局部粗糙

27、度所增加的阻力平均約為約為1.27，顯然造成的影響，顯然造成的影響并不重要并不重要。只有對(duì)。只有對(duì)鉚接船鉚接船，這種阻力增加平均約為這種阻力增加平均約為16，其造成的影響，其造成的影響不容忽視不容忽視。2/2三三. .粗糙表面摩擦阻力處理方法粗糙表面摩擦阻力處理方法1/7Re4107后摩擦阻力系數(shù)增量趨于常數(shù)后摩擦阻力系數(shù)增量趨于常數(shù)。陶德不同漆面的試驗(yàn)結(jié)果陶德不同漆面的試驗(yàn)結(jié)果陶德實(shí)船航行試驗(yàn)結(jié)果陶德實(shí)船航行試驗(yàn)結(jié)果3/7陶德實(shí)船航行試驗(yàn)結(jié)果陶德實(shí)船航行試驗(yàn)結(jié)果1. 總的粗糙度影響；總的粗糙度影響；2.Cf與與Re無(wú)關(guān)；無(wú)關(guān)；3. 平均增量為平均增量為0.00044/7粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響

28、粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 米哈依洛夫米哈依洛夫關(guān)于漆面平板試驗(yàn)資料表明在全粗糙情關(guān)于漆面平板試驗(yàn)資料表明在全粗糙情況，即在較大況，即在較大Re時(shí)，由漆面粗糙度引起的摩擦阻力系數(shù)時(shí)，由漆面粗糙度引起的摩擦阻力系數(shù)較光滑平板摩擦阻力系數(shù)的增加值較光滑平板摩擦阻力系數(shù)的增加值Cf近似為常數(shù)。近似為常數(shù)。 陶德陶德給出了不同漆面的試驗(yàn)結(jié)果，給出了不同漆面的試驗(yàn)結(jié)果，也表明也表明Cf先隨先隨雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re增加而增加，但當(dāng)增加而增加，但當(dāng)Re2107時(shí)，時(shí)，Cf 趨于一固趨于一固定值，不再隨定值，不再隨Re變化。變化。 1951年陶德年陶德給出了不同油漆、不同類型的給出了不同油漆、不同類型的14條船航條船

29、航行試驗(yàn)所得的摩擦阻力系數(shù)曲線，也證實(shí)粗糙度引起的行試驗(yàn)所得的摩擦阻力系數(shù)曲線，也證實(shí)粗糙度引起的摩擦阻力系數(shù)增加與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。摩擦阻力系數(shù)增加與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。 各方面試驗(yàn)結(jié)果一致認(rèn)為各方面試驗(yàn)結(jié)果一致認(rèn)為：船體船體局部粗糙度局部粗糙度所增加所增加的摩擦阻力系數(shù)是的摩擦阻力系數(shù)是與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)的常數(shù)的常數(shù)。2/7粗糙表面摩擦阻力處理方法粗糙表面摩擦阻力處理方法SvCCRfff221).( 總的摩擦阻力系數(shù)可取為光滑平板摩擦阻力系數(shù)總的摩擦阻力系數(shù)可取為光滑平板摩擦阻力系數(shù)Cf再再加上一個(gè)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)的加上一個(gè)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)的粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)Cf。式中：式中：Cf 根據(jù)各國(guó)習(xí)慣

30、或不同船舶選取。對(duì)于一般船舶根據(jù)各國(guó)習(xí)慣或不同船舶選取。對(duì)于一般船舶我國(guó)取我國(guó)取Cf =0.0004。 船舶試航表明，大船的船舶試航表明，大船的Cf 值隨船長(zhǎng)增加而減小、甚值隨船長(zhǎng)增加而減小、甚至出現(xiàn)負(fù)值。下表是荷蘭試驗(yàn)池至出現(xiàn)負(fù)值。下表是荷蘭試驗(yàn)池1973年發(fā)表的結(jié)果。年發(fā)表的結(jié)果。船長(zhǎng)船長(zhǎng) m50150 150210210260260300300350350450Cf1030.350.40.20.10-0.1-0.255/7 采用采用1957 ITTC建議的摩擦阻力系數(shù)建議的摩擦阻力系數(shù)Cf 時(shí)，相應(yīng)的時(shí)，相應(yīng)的粗粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)糙度補(bǔ)貼系數(shù)按下式計(jì)算：按下式計(jì)算： (2-39) 此式適用于

31、船長(zhǎng)小于此式適用于船長(zhǎng)小于400m的船舶。式中的船舶。式中ks為粗糙度表為粗糙度表觀高度，即觀高度，即50mm范圍內(nèi)抽樣測(cè)量得到的表面平均突起高范圍內(nèi)抽樣測(cè)量得到的表面平均突起高度，對(duì)質(zhì)量較好的新建船可取度，對(duì)質(zhì)量較好的新建船可取ks=0.15mm。(補(bǔ)補(bǔ))采用采用1957ITTC1957ITTC公式公式33/11064. 0)/(105 LkCsf6/7nAkniis501Ai:每段包絡(luò)線內(nèi)的面積每段包絡(luò)線內(nèi)的面積mm2船模實(shí)船換算補(bǔ)貼的概念船模實(shí)船換算補(bǔ)貼的概念 必須指出，必須指出，Cf 中中除船體除船體表面粗糙度表面粗糙度而增加的阻力外，而增加的阻力外，還包括用還包括用不同的摩擦阻力公式

32、不同的摩擦阻力公式、尺度效應(yīng)尺度效應(yīng)以及螺旋以及螺旋槳效率槳效率、伴流伴流、推力減額推力減額和和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的的尺度作用尺度作用等的影響。實(shí)等的影響。實(shí)際上際上Cf 綜合了阻力和推進(jìn)等方面的因素，所以有人提出綜合了阻力和推進(jìn)等方面的因素，所以有人提出改用改用“船模實(shí)船換算補(bǔ)貼船模實(shí)船換算補(bǔ)貼Cs”這一更確切的術(shù)語(yǔ)。這一更確切的術(shù)語(yǔ)。 不同水池應(yīng)根據(jù)本單位實(shí)際情況通過(guò)分析實(shí)船試航結(jié)不同水池應(yīng)根據(jù)本單位實(shí)際情況通過(guò)分析實(shí)船試航結(jié)果導(dǎo)出自己的果導(dǎo)出自己的Cf 或或Cs值。值。華工船池華工船池取取Cf =0.0004。7/7四、污底四、污底 營(yíng)運(yùn)船舶的船體水下部分因長(zhǎng)期浸泡在水中，鋼板被營(yíng)

33、運(yùn)船舶的船體水下部分因長(zhǎng)期浸泡在水中，鋼板被腐蝕，海水中的生物，如貝類、海草等附在船體上生長(zhǎng)，腐蝕，海水中的生物，如貝類、海草等附在船體上生長(zhǎng)，大大增加了船體表面的粗糙度，阻力增加很大，這種現(xiàn)象大大增加了船體表面的粗糙度，阻力增加很大，這種現(xiàn)象稱為稱為污底污底。 污底污底造成船速下降。一方面污底直接造成船速下降。一方面污底直接增加了阻力增加了阻力，另，另一方面由于阻力增加導(dǎo)致一方面由于阻力增加導(dǎo)致推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況改變推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況改變，致使螺旋，致使螺旋槳效率下降。槳效率下降。 一般新船下水后一般新船下水后6個(gè)月，因污底所增加的總阻力可達(dá)個(gè)月，因污底所增加的總阻力可達(dá)10以上，船速會(huì)有明顯下降。

34、以上，船速會(huì)有明顯下降。1/4污底分類污底分類 由污底而增加的阻力主要與船舶出塢后的時(shí)間有關(guān)，由污底而增加的阻力主要與船舶出塢后的時(shí)間有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)指出，這種阻力增加值可以分為兩部分：經(jīng)驗(yàn)指出，這種阻力增加值可以分為兩部分：1. “真實(shí)污底真實(shí)污底”：它與出塢后的時(shí)間成非線性關(guān)系，近似：它與出塢后的時(shí)間成非線性關(guān)系，近似按雙曲線規(guī)律變化。按雙曲線規(guī)律變化。2. “船體腐蝕船體腐蝕”：它與出：它與出塢時(shí)間成線性關(guān)系，且數(shù)塢時(shí)間成線性關(guān)系，且數(shù)值上較值上較“真實(shí)污底真實(shí)污底”要小要小得多。得多。2/4污底計(jì)算污底計(jì)算 因污底而增加的摩擦阻力百分?jǐn)?shù)因污底而增加的摩擦阻力百分?jǐn)?shù)F可用下式表示：可用下式表示

35、：3021kddkdkF 式中：式中：d為距最后一次出塢的天數(shù)，為距最后一次出塢的天數(shù)，d0 為距新船首次出塢的為距新船首次出塢的天數(shù)；天數(shù)；k1，k2，k3 為常數(shù)，根據(jù)一定航線上航行的一定類型船為常數(shù)，根據(jù)一定航線上航行的一定類型船的試航結(jié)果決定。的試航結(jié)果決定。 污底污底而增加阻力還與船舶航行的而增加阻力還與船舶航行的季節(jié)季節(jié)和和航區(qū)航區(qū)有關(guān)。這有關(guān)。這是因?yàn)樨愵惡秃２莸鹊纳L(zhǎng)速度在不同季節(jié)和地區(qū)是不同是因?yàn)樨愵惡秃２莸鹊纳L(zhǎng)速度在不同季節(jié)和地區(qū)是不同的，熱帶地區(qū)污底一般較嚴(yán)重。的，熱帶地區(qū)污底一般較嚴(yán)重。3/4防污防污 防治污底的方法通常是先在船體表面敷涂?jī)杀榉冷P漆，防治污底的方法通常

36、是先在船體表面敷涂?jī)杀榉冷P漆，然后再涂一、二道然后再涂一、二道防污漆防污漆。防污漆可以在層流底層中保持。防污漆可以在層流底層中保持一定的毒素含量，使幼小貝類、海草等致死。一定的毒素含量，使幼小貝類、海草等致死。 此外，污底的海船在此外，污底的海船在淡水港內(nèi)停泊淡水港內(nèi)停泊數(shù)日后再出海，其數(shù)日后再出海，其附著的貝類和海草大部分因死亡而脫落。我國(guó)沿海港口多附著的貝類和海草大部分因死亡而脫落。我國(guó)沿海港口多系淡水港，這是清除污底的天然條件，當(dāng)然污底嚴(yán)重的船系淡水港，這是清除污底的天然條件，當(dāng)然污底嚴(yán)重的船必須定期進(jìn)塢除污，重新油漆。必須定期進(jìn)塢除污，重新油漆。4/42.5 2.5 減小摩擦阻力的方法

37、減小摩擦阻力的方法 減小船體摩擦阻力的減小船體摩擦阻力的有效、實(shí)用方法有效、實(shí)用方法主要主要有：有： 1. 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)盡量時(shí)盡量減少減少船體濕面積船體濕面積。如。如低速船選取較大低速船選取較大的排水體積長(zhǎng)度系數(shù)的排水體積長(zhǎng)度系數(shù)/L(或小或小L/B值值)，減少不必要的附減少不必要的附體如呆木等，或采用表面積小的附體體如呆木等，或采用表面積小的附體以以減少摩擦阻力。減少摩擦阻力。 2. 船體表面盡可能光滑，以船體表面盡可能光滑，以減小表面粗糙度減小表面粗糙度增加的增加的阻力。阻力。 3. 采用采用高性能船高性能船型型，如水翼艇、氣墊船如水翼艇、氣墊船等，等，航行時(shí)航行時(shí)將將船體部分或全部船體部分

38、或全部托托離水面，變水阻力為空氣阻力。離水面，變水阻力為空氣阻力。(空空氣密度約為水密度的氣密度約為水密度的l/800，可大大降低阻力，可大大降低阻力)。1/4氣膜減阻方法氣膜減阻方法 4. 將空氣送到船殼表面，使緊貼船體的表面由一層空將空氣送到船殼表面，使緊貼船體的表面由一層空氣薄膜覆蓋，降低摩擦阻力。氣薄膜覆蓋，降低摩擦阻力。 這種應(yīng)用這種應(yīng)用氣膜減阻氣膜減阻的方法在某些低速船，特別是駁船的方法在某些低速船，特別是駁船已有先例，采用這種方法必須裝置供氣設(shè)備，而且為使船已有先例，采用這種方法必須裝置供氣設(shè)備，而且為使船底的氣膜穩(wěn)定，在船底要安置若干縱向和橫向擋板。底的氣膜穩(wěn)定，在船底要安置若

39、干縱向和橫向擋板。2/4貼敷減阻層貼敷減阻層 5. 受鯊魚(yú)、海豚啟示，在船體特別是潛艇表面敷受鯊魚(yú)、海豚啟示，在船體特別是潛艇表面敷貼橡貼橡皮等皮等彈性覆蓋層，降低摩擦阻力彈性覆蓋層，降低摩擦阻力(有時(shí)可降低有時(shí)可降低70)和噪聲。和噪聲。 6. 美國(guó)美國(guó)NASA的研究人員發(fā)現(xiàn)，順來(lái)流方向的微小溝的研究人員發(fā)現(xiàn)，順來(lái)流方向的微小溝槽表面能有效地降低壁面的摩擦阻力。將槽表面能有效地降低壁面的摩擦阻力。將微槽薄膜微槽薄膜粘貼在粘貼在試驗(yàn)飛機(jī)上，可獲得試驗(yàn)飛機(jī)上，可獲得60的減阻效果。在比賽的帆船表面的減阻效果。在比賽的帆船表面貼上了微溝槽薄膜，也取得一定成效。貼上了微溝槽薄膜，也取得一定成效。3/

40、4從俄羅斯進(jìn)口的基洛級(jí)潛艇艇表面敷設(shè)消聲瓦，使其巡航噪聲接近海洋的背景噪聲。從俄羅斯進(jìn)口的基洛級(jí)潛艇艇表面敷設(shè)消聲瓦，使其巡航噪聲接近海洋的背景噪聲。西方稱它為海洋中的西方稱它為海洋中的黑洞黑洞。減小摩擦阻力的方法減小摩擦阻力的方法 7. 采用采用邊界層控制邊界層控制方法，如抽吸邊界層內(nèi)部分流體，方法，如抽吸邊界層內(nèi)部分流體，使邊界層的層流區(qū)延長(zhǎng)，減小摩擦阻力；或從物體表面沿使邊界層的層流區(qū)延長(zhǎng)，減小摩擦阻力；或從物體表面沿著流動(dòng)方向向后吹噴流體使紊流邊界層變厚，界層速度梯著流動(dòng)方向向后吹噴流體使紊流邊界層變厚，界層速度梯度下降，從而減小摩擦阻力。度下降，從而減小摩擦阻力。 8. 在物體表面不

41、斷在物體表面不斷噴注稀釋的高分子噴注稀釋的高分子(分子量高達(dá)分子量高達(dá)106的量級(jí)的量級(jí))聚合物聚合物溶液進(jìn)行減阻溶液進(jìn)行減阻(可使平板阻力減小可使平板阻力減小60，使，使船模的摩擦阻力減小船模的摩擦阻力減小30 )，但用于實(shí)船不僅成本極高，但用于實(shí)船不僅成本極高，而且污染海洋環(huán)境。而且污染海洋環(huán)境。4/42.6 2.6 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、一、計(jì)算船的濕表面積計(jì)算船的濕表面積二、二、計(jì)算計(jì)算實(shí)船的實(shí)船的雷諾數(shù)雷諾數(shù)R Re e三、計(jì)算或查出三、計(jì)算或查出摩擦阻力摩擦阻力系數(shù)系數(shù)CfCf四、四、決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)CfCf五、計(jì)算五、計(jì)算船的摩擦阻力

42、船的摩擦阻力1/1船體摩擦阻力的計(jì)算步驟如下：船體摩擦阻力的計(jì)算步驟如下：一、一、計(jì)算船的濕表面積計(jì)算船的濕表面積1. 用船體線型圖計(jì)算濕表面積用船體線型圖計(jì)算濕表面積 在線型圖上計(jì)算或量出指定吃水以下每站橫剖面型線在線型圖上計(jì)算或量出指定吃水以下每站橫剖面型線的半圍長(zhǎng)，并沿船長(zhǎng)方積分，即得精確的濕表面積。的半圍長(zhǎng)，并沿船長(zhǎng)方積分，即得精確的濕表面積。2. 用經(jīng)驗(yàn)公式估算濕表面積用經(jīng)驗(yàn)公式估算濕表面積n 1)瓦根寧船池公式瓦根寧船池公式 荷蘭瓦根寧船池根據(jù)荷蘭瓦根寧船池根據(jù)100多艘船模的統(tǒng)計(jì)資料歸納得多艘船模的統(tǒng)計(jì)資料歸納得一般民用船的濕面積：一般民用船的濕面積： S=(3.4+0.5Lpp

43、) 1/3式中式中: 船舶排水體積船舶排水體積 (m3) Lpp 船體垂線間長(zhǎng)船體垂線間長(zhǎng) (m)1/6估算濕表面積的經(jīng)驗(yàn)公式估算濕表面積的經(jīng)驗(yàn)公式)8 . 1(64591BCTLSbTBw n 2) 我國(guó)長(zhǎng)江船型的濕面積：我國(guó)長(zhǎng)江船型的濕面積： S=Lw1(1.8T+CbB)n 3) 交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的江船系列公式：交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的江船系列公式：式中：式中：Lw1船舶水線長(zhǎng)船舶水線長(zhǎng) (m) B、T船寬、吃水船寬、吃水 (m) Cb方形系數(shù)。方形系數(shù)。2/6n4) 單槳運(yùn)輸船，特別適用于單槳運(yùn)輸船，特別適用于60系列船型（系列船型（補(bǔ)補(bǔ)） S=(3.432+0.305Lw1

44、/B+0.443B/T-0.643Cb)2/3估算濕表面積的經(jīng)驗(yàn)公式估算濕表面積的經(jīng)驗(yàn)公式n5) 雙槳快速貨船，適用于方尾、不含分水踵船型（雙槳快速貨船，適用于方尾、不含分水踵船型（補(bǔ)補(bǔ)） S=(1.54T+0.45B+0.904BCb+0.026CbB2/T)Lw1n6) 驅(qū)逐艦等高速輕型方尾艦艇驅(qū)逐艦等高速輕型方尾艦艇 S=KLw12 系數(shù)系數(shù)K, 按按=Lw=Lw1 1/ /1/3從圖中差得。從圖中差得。 式中：式中：B, Cb: 吃水吃水T時(shí)的船寬和方形系數(shù)。時(shí)的船寬和方形系數(shù)。).()/(.4902801221BwCTBLS3/6濕面積系數(shù)濕面積系數(shù)CsCsp 格羅特格羅特(Groo

45、t)Cs=2.75；p 桑地桑地Cs式；式；p 泰洛泰洛Cs式。式。4/6n 7) 其它系列資料公式：其它系列資料公式：1wsVLCS 式中：式中：V: 排水體積排水體積; Lw1: 設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)；設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)； Cs: 濕面積系數(shù)，由不同的資料給出如后。濕面積系數(shù)，由不同的資料給出如后。桑地給出的桑地給出的CsCs曲線圖譜曲線圖譜p 桑地給出的關(guān)系式為桑地給出的關(guān)系式為Cs=f (B/T,Cm)，其曲線圖譜如圖，其曲線圖譜如圖所示。式中所示。式中Cm船中橫剖面系數(shù)。船中橫剖面系數(shù)。5/6泰勒的泰勒的CsCs曲線圖譜曲線圖譜p 泰洛給出：泰洛給出：Cs=f (Cp,V/L3,B/T)圖譜參見(jiàn)第圖譜

46、參見(jiàn)第7章的泰章的泰洛計(jì)算法。洛計(jì)算法。式中式中Cp船的棱形船的棱形系數(shù)。系數(shù)。6/6二、二、計(jì)算計(jì)算船的摩擦阻力船的摩擦阻力 二、計(jì)算雷諾數(shù)二、計(jì)算雷諾數(shù)Re=vLw1/，其中，其中v是船速是船速(m/s)， Lw1為水線長(zhǎng)為水線長(zhǎng)(m)，是水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，如無(wú)特殊注是水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，如無(wú)特殊注明，對(duì)于實(shí)船取明，對(duì)于實(shí)船取標(biāo)準(zhǔn)水溫標(biāo)準(zhǔn)水溫t=15時(shí)之值，時(shí)之值，的數(shù)值可由附的數(shù)值可由附錄的表中查得。錄的表中查得。 三、根據(jù)光滑平板摩擦阻力公式算出或由相應(yīng)的表三、根據(jù)光滑平板摩擦阻力公式算出或由相應(yīng)的表中查出摩擦阻力系數(shù)中查出摩擦阻力系數(shù)Cf 。 四、決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)四、決定粗糙度補(bǔ)貼系

47、數(shù)Cf的數(shù)值，目前我國(guó)一般的數(shù)值，目前我國(guó)一般取取Cf0.410-3。 五、根據(jù)下式算出船的摩擦阻力。五、根據(jù)下式算出船的摩擦阻力。 Rf =(Cf +Cf)1/2v2S (2-38)5/52.7 2.7 粘壓阻力的成因及特性粘壓阻力的成因及特性一、粘壓阻力的成因一、粘壓阻力的成因二、粘壓阻力特性二、粘壓阻力特性三、降低粘壓阻力的船型要求三、降低粘壓阻力的船型要求四、船體粘壓阻力處理方法四、船體粘壓阻力處理方法1/1一、粘壓阻力的成因一、粘壓阻力的成因1/3 在在理想流體理想流體的的深水深水中，水以等速流向船形體，在前駐點(diǎn)中，水以等速流向船形體，在前駐點(diǎn)A處水質(zhì)處水質(zhì)點(diǎn)速度為零，壓力最大。在最

48、大剖面點(diǎn)點(diǎn)速度為零，壓力最大。在最大剖面點(diǎn)C處，速度增至最大，壓力減處，速度增至最大，壓力減至最小。至最小。A-C為減壓區(qū)；相反，自為減壓區(qū)；相反，自C流向后駐點(diǎn)流向后駐點(diǎn) B，速度從最大降至，速度從最大降至零，而壓力從最小升至最大，零，而壓力從最小升至最大，C-B是增壓區(qū)。是增壓區(qū)。 沿整個(gè)船形表面對(duì)壓力積分，則作用在物體前、后體上的沿整個(gè)船形表面對(duì)壓力積分，則作用在物體前、后體上的合力合力相等相等，阻力為零。，阻力為零。 從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)來(lái)看：在從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)來(lái)看：在A-C減壓區(qū)段，壓能逐漸轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；減壓區(qū)段，壓能逐漸轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；而在而在C-B增壓段，動(dòng)能又全部轉(zhuǎn)換為壓能?？偰芰繜o(wú)損耗，阻

49、力為零。增壓段，動(dòng)能又全部轉(zhuǎn)換為壓能?？偰芰繜o(wú)損耗，阻力為零。這就是理想流體中的這就是理想流體中的達(dá)郎培爾疑題達(dá)郎培爾疑題。粘壓阻力的成因粘壓阻力的成因 實(shí)際流體中，由于粘性形成邊界層，且認(rèn)為界層外部沿船體縱向?qū)嶋H流體中，由于粘性形成邊界層，且認(rèn)為界層外部沿船體縱向曲度而發(fā)生變化的曲度而發(fā)生變化的壓力將不改變其大小傳到界層內(nèi)部壓力將不改變其大小傳到界層內(nèi)部的流體中去，因的流體中去，因此出現(xiàn)與理想流體中不同的流動(dòng)情況：此出現(xiàn)與理想流體中不同的流動(dòng)情況： 水質(zhì)點(diǎn)從水質(zhì)點(diǎn)從A到到C，由于受到粘性摩擦力作用，在，由于受到粘性摩擦力作用，在C點(diǎn)處最大速度低點(diǎn)處最大速度低于理想流體；由于理想流體；由C向尾

50、流動(dòng)到向尾流動(dòng)到D點(diǎn)，受粘性和正壓力差的作用，水質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)，受粘性和正壓力差的作用，水質(zhì)點(diǎn)的速度已降為零，不能到達(dá)的速度已降為零，不能到達(dá)B點(diǎn)。過(guò)點(diǎn)。過(guò)D點(diǎn)后在正壓力差作用下回流，迫點(diǎn)后在正壓力差作用下回流，迫使邊界層外移，出現(xiàn)分離。旋渦使尾部壓力下降，使邊界層外移，出現(xiàn)分離。旋渦使尾部壓力下降，Pb的值小于的值小于Pa。 沿整個(gè)船形物體表面的壓力積分，則作用在物體前、后體上的沿整個(gè)船形物體表面的壓力積分，則作用在物體前、后體上的合合力向后力向后，產(chǎn)生粘壓阻力。，產(chǎn)生粘壓阻力。2/3粘壓阻力的成因粘壓阻力的成因 由于粘壓阻力明顯增大時(shí)，通常伴有嚴(yán)重的界層分離和旋渦出現(xiàn)，由于粘壓阻力明顯增大時(shí)，通常

51、伴有嚴(yán)重的界層分離和旋渦出現(xiàn)，因此粘壓阻力曾被稱為因此粘壓阻力曾被稱為旋渦阻力旋渦阻力。 從能量觀點(diǎn)看，船尾連續(xù)形成旋渦就要消耗能量，這樣船體就要從能量觀點(diǎn)看，船尾連續(xù)形成旋渦就要消耗能量，這樣船體就要不斷地供給能量，這部分能量損耗就是以粘壓阻力的形式表現(xiàn)的。不斷地供給能量，這部分能量損耗就是以粘壓阻力的形式表現(xiàn)的。 另外，某些優(yōu)良船型可能不發(fā)生界層分離現(xiàn)象，但粘壓阻力仍然另外，某些優(yōu)良船型可能不發(fā)生界層分離現(xiàn)象，但粘壓阻力仍然存在，僅數(shù)值大小不同。因?yàn)榇嬖?，僅數(shù)值大小不同。因?yàn)檫吔鐚邮沽骶€被排擠外移邊界層使流線被排擠外移，C C處的流速處的流速大于理想流體情況，壓力將下降。而尾部壓力也達(dá)不到

52、理想流體中的大于理想流體情況，壓力將下降。而尾部壓力也達(dá)不到理想流體中的最大值。同樣會(huì)產(chǎn)生粘壓阻力，如圖中曲線最大值。同樣會(huì)產(chǎn)生粘壓阻力，如圖中曲線所示。所示。3/3二、粘壓阻力特性二、粘壓阻力特性1粘壓阻力與粘壓阻力與后體形狀后體形狀的關(guān)系的關(guān)系 影響粘壓阻力的重要的因素是物體形狀。特別是后體影響粘壓阻力的重要的因素是物體形狀。特別是后體形狀，因此粘壓阻力有時(shí)也稱為形狀，因此粘壓阻力有時(shí)也稱為形狀阻力形狀阻力。 如船的如船的后體收縮較緩后體收縮較緩，則沿曲面的流速變化也緩和，則沿曲面的流速變化也緩和，縱向正壓力梯度變小，分離可推遲，因而粘壓阻力可以減縱向正壓力梯度變小，分離可推遲，因而粘壓阻

53、力可以減小。反之亦然。小。反之亦然。 右圖表示不同橢球右圖表示不同橢球體與球體的粘壓阻力。體與球體的粘壓阻力。1/7貝克重疊船模試驗(yàn)結(jié)果貝克重疊船模試驗(yàn)結(jié)果 貝克貝克(Baker)在水槽中進(jìn)行了大量在水槽中進(jìn)行了大量重疊船模重疊船模試驗(yàn)指出，試驗(yàn)指出，要避免產(chǎn)生大量旋渦，在設(shè)計(jì)線型時(shí)必須注意下列兩點(diǎn)：要避免產(chǎn)生大量旋渦，在設(shè)計(jì)線型時(shí)必須注意下列兩點(diǎn)：(1)船體船體去流段長(zhǎng)度去流段長(zhǎng)度Lr，應(yīng)滿足，應(yīng)滿足Lr4.08Am。式中。式中Am為為船中橫剖面面積。船中橫剖面面積。(2)船的船的后體收縮后體收縮要緩和。具體要求是：要緩和。具體要求是：長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比L/B5的修長(zhǎng)船：的修長(zhǎng)船： a20o(低速

54、船低速船)； a16o(高速船高速船)。寬度吃水比寬度吃水比B/T3的沿海的沿海,內(nèi)河船內(nèi)河船 a20o(低速船低速船)； a16o(高速船高速船)。2/7巴甫米爾巴甫米爾CpvCpv近似式近似式 巴甫米爾巴甫米爾給出的估算粘壓阻力系數(shù)給出的估算粘壓阻力系數(shù)Cpv的近似公式，的近似公式，同樣可以說(shuō)明粘壓阻力主要受船的后體形狀影響：同樣可以說(shuō)明粘壓阻力主要受船的后體形狀影響：rmmpvpvLASASvRC2/09. 0221 粘壓阻力系數(shù)與船中橫剖面面積粘壓阻力系數(shù)與船中橫剖面面積Am和去流段長(zhǎng)度和去流段長(zhǎng)度Lr有關(guān)。有關(guān)。3/72. 2.前體形狀對(duì)粘壓阻力影響前體形狀對(duì)粘壓阻力影響 如船的前體

55、過(guò)于肥短，流線擴(kuò)張大，流速增加快，在如船的前體過(guò)于肥短，流線擴(kuò)張大，流速增加快，在最大剖面處的流速很高，壓力降得很低，使后體范圍的正最大剖面處的流速很高，壓力降得很低，使后體范圍的正壓力梯度增加，流動(dòng)急劇減速，粘壓阻力增大。壓力梯度增加，流動(dòng)急劇減速，粘壓阻力增大。 近來(lái)試驗(yàn)指出：肥大船型常在船首舭部產(chǎn)生近來(lái)試驗(yàn)指出：肥大船型常在船首舭部產(chǎn)生外旋的首外旋的首舭渦舭渦，在船尾產(chǎn)生內(nèi)旋的舭渦，首舭渦使船首底部形成低，在船尾產(chǎn)生內(nèi)旋的舭渦，首舭渦使船首底部形成低4/7壓區(qū)，不但使粘壓壓區(qū)，不但使粘壓阻力增加，而且造阻力增加，而且造成航行中成航行中埋首埋首，又，又會(huì)增加阻力。會(huì)增加阻力。球鼻首影響球鼻

56、首影響 試驗(yàn)指出，采用球鼻首，首部水流明顯沿水平方向流試驗(yàn)指出，采用球鼻首，首部水流明顯沿水平方向流動(dòng)，阻力性能明顯改善。如圖所示，采用球鼻首后，減小動(dòng)，阻力性能明顯改善。如圖所示，采用球鼻首后，減小或消除了或消除了船首底部的旋渦船首底部的旋渦，無(wú)論是滿載還是輕載，其剩余，無(wú)論是滿載還是輕載，其剩余阻力系數(shù)均明顯減小。由于豐滿船型的速度較低，興波阻阻力系數(shù)均明顯減小。由于豐滿船型的速度較低，興波阻力小，粘壓阻力是剩余阻力的主要成分。力小，粘壓阻力是剩余阻力的主要成分。5/7 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用試驗(yàn)結(jié)果表明，采用球鼻型首船模的球鼻型首船模的埋首埋首和和平平行下沉行下沉較普通船首明顯減較普通船首明

57、顯減小。小。3.3.界層內(nèi)流態(tài)對(duì)粘壓阻力的影響界層內(nèi)流態(tài)對(duì)粘壓阻力的影響 界層內(nèi)為界層內(nèi)為層流層流，其法向流速分布較瘦削，流體動(dòng)能，其法向流速分布較瘦削，流體動(dòng)能小于紊流，故層流界層較紊流小于紊流，故層流界層較紊流容易分離容易分離，分離點(diǎn)也較靠，分離點(diǎn)也較靠前，前，分離區(qū)較大分離區(qū)較大，因而粘壓阻力較紊流大，如圖所示。，因而粘壓阻力較紊流大，如圖所示。 圖中表明，流態(tài)不變，粘壓阻力系數(shù)圖中表明，流態(tài)不變，粘壓阻力系數(shù)Cvp基本上與基本上與Re無(wú)關(guān)，主要取決于物體形狀。無(wú)關(guān)，主要取決于物體形狀。 特別特別Re超過(guò)臨界雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)后，粘壓阻力系數(shù)后，粘壓阻力系數(shù)Cvp幾乎幾乎是常數(shù)，即粘壓

58、阻力近似與速度的平方成比例。這意味是常數(shù)，即粘壓阻力近似與速度的平方成比例。這意味6/7著，在超臨界雷諾數(shù)范著，在超臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)，圍內(nèi)，實(shí)船和模型實(shí)船和模型盡管盡管雷諾數(shù)不同，但雷諾數(shù)不同，但粘壓阻粘壓阻力系數(shù)卻相等力系數(shù)卻相等。流線型體的粘壓阻力流線型體的粘壓阻力 流線型物體，無(wú)界層分離，在流態(tài)不變情況下，流線型物體，無(wú)界層分離，在流態(tài)不變情況下，Re增增大時(shí)大時(shí)(v增大增大)，界層厚度變薄，界層厚度變薄，Cpv略有下降。略有下降。7/7三、降低粘壓阻力的船型要求三、降低粘壓阻力的船型要求 船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意選取船型參數(shù)：船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意選取船型參數(shù)：1.船體船體去流段長(zhǎng)度去流段長(zhǎng)度滿

59、足滿足Lr4.08Am；對(duì)于低速肥大船型；對(duì)于低速肥大船型可滿足可滿足Lr2.5 Am。同時(shí)。同時(shí)后體收縮后體收縮緩和，船尾水線與中線緩和，船尾水線與中線間的夾角可考慮貝克提出的要求。間的夾角可考慮貝克提出的要求。2.避免避免船體曲率變化船體曲率變化過(guò)大。在橫剖面面積曲線上，前肩過(guò)大。在橫剖面面積曲線上，前肩切勿過(guò)于隆起，后肩切勿過(guò)于內(nèi)凹，否則兩肩部容易產(chǎn)切勿過(guò)于隆起，后肩切勿過(guò)于內(nèi)凹，否則兩肩部容易產(chǎn)生旋渦，增加粘壓阻力。生旋渦，增加粘壓阻力。1/2降低粘壓阻力的船型要求降低粘壓阻力的船型要求3.前體線型應(yīng)予注意。特別是低速肥大船，其舭渦阻力前體線型應(yīng)予注意。特別是低速肥大船，其舭渦阻力是粘

60、壓阻力的重要組成部分，是粘壓阻力的重要組成部分，采用球鼻首采用球鼻首有可能減小這部有可能減小這部分阻力。分阻力。4.據(jù)統(tǒng)計(jì)，粘壓阻力系數(shù)隨據(jù)統(tǒng)計(jì)，粘壓阻力系數(shù)隨方形系數(shù)方形系數(shù)Cb而增大，特別是而增大，特別是Cb0.80的肥大船，船模試驗(yàn)表明：分離幾乎不可避免，的肥大船，船模試驗(yàn)表明：分離幾乎不可避免，而分離區(qū)的大小與而分離區(qū)的大小與后體棱形系數(shù)后體棱形系數(shù)關(guān)系甚密，為此對(duì)尾部線關(guān)系甚密，為此對(duì)尾部線型需要特別注意。型需要特別注意。2/2四、船體粘壓阻力處理方法四、船體粘壓阻力處理方法 目前有兩種處理粘壓阻力的方法：目前有兩種處理粘壓阻力的方法：19世紀(jì)世紀(jì)60年代傅汝德提出，將粘壓阻力歸并入