ДИНАМИКА КОРАБЛЯ

Ходкость

Ходкость

•Ходкость - это способность судна перемещаться по воде с заданной скоростью, которую для морских судов принято измерять в узлах. 1 узел = 1 морская миля (1852 м) в час, причем морская миля равна длине дуги меридиана в 1 угловую минуту. В единицах СИ 1 узел = 0,5144 м/с. Подразумевается, что мощность главных механизмов будет минимально необходимой. От данного мореходного качества очень сильно зависит экономичность эксплуатации судна, которая во многом определяется расходом топлива.

•На судно, которое движется с постоянной скоростью по поверхности воды, действуют две равные по величине, но противоположные по направлению силы: сопротивление движению (преимущественно сопротивление воды, воздушное сопротивление в десятки раз меньше) и тяга движителя (чаще всего - гребного винта). У несамоходных судов движущая сила может создаваться натяжением буксирного троса и другими способами. Сопротивление движению зависит от размеров, формы судна и его скорости.

Ходкость

• Силу сопротивления воды представляют в виде суммы трех основных составляющих, которые считаются независимыми друг от друга: сопротивления трения, сопротивления формы и волнового сопротивления. Могут существовать и другие составляющие сопротивления, которые мы не рассматриваем. Разделение полного сопротивления на составляющие позволяет определять его более просто и точно. При практических расчетах полное сопротивление обычно делят на две части: сопротивление трения и остаточное (схема I) или сопротивление вязкостное и волновое (схема II). Для расчета используется общая формула, которая получается из теории подобия и имеет вид:

R C v2 , 2

где R- сопротивление (или его составляющая), кН; C- безразмерный коэффициент сопротивления;

- массовая плотность воды, для морской воды = 1,025 т/м3; v- скорость движения судна, м/с;

- площадь его смоченной поверхности, м2. Ее можно рассчи- тать по теоретическому чертежу или по приближенным формулам.

Ходкость

• Сопротивление трения обусловлено трением воды, обладающей некоторой вязкостью, об обшивку судна. Свойство вязкости заключается в том, что жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению их слоев относительно друг друга. Коэффициент сопротивления трения зависит от безразмерного параметра, который называется числом Рейнольдса и определяется по формуле:

vL

Re ,

где - кинематическийкоэффициент вязкости; дляморскойвод обычнопринимают =1,61*10-6 м2/с.

Сростомскорости(числаРейнольдса)коэффициентсопротивле

ниятрениямедленнопадает.

Ходкость

•	Вязкость воды приводит не только к появлению сил
	внутреннего трения, но и к изменению давлений по длине судна.
	В корме давление оказывается меньше, чем в носу. В результате
	образующегося перепада давлений возникает сопротивление,
	называемое сопротивлением формы. Оно очень сильно зависит от
	формы тела (судна) и у плохо обтекаемых тел может возрастать в
	десятки и даже в сотни раз. Сопротивление формы трудно
	поддается определению как экспериментальным, так и расчетным
	путем.

	Ходкость
•	Волновое сопротивление возникает при движении тел по
	поверхности или вблизи поверхности воды. Оно связано не с
	вязкостью, а с весомостью воды: при движении судна изменяются
	давления вблизи его обшивки, поверхность воды выходит из
	равновесия, искривляется, после чего под действием сил тяжести
	и инерции происходят колебательные движения. Волны обладают
	определенной энергией, которую они получают от движущегося
	судна. В свою очередь, судно, образуя при движении систему
	волн, испытывает сопротивление от них. С ростом скорости
	волновое сопротивление растет быстрее, чем другие
	составляющие, причем зависимость его от скорости имеет
	сложный вид. Ориентировочно считают, что оно в среднем
	пропорционально скорости в четвертой степени. Вот почему так
	медленно растут скорости судов.

	Ходкость
•	Первую практическую методику расчета сопротивления воды
	движению судов предложил известный английский кораблестроитель
	В. Фруд в 1870 г. В соответствии с ней, сопротивление трения
	рассчитывалось по им же предложенной формуле, основанной на
	результатах обработки многочисленных его опытов по буксировке
	плоских досок; другая часть сопротивления, названная остаточным
	сопротивлением, моделировалась в специальном опытовом бассейне.
	Эта схема (называемая сейчас “схема I”), с доработками,
	основанными на современных представлениях о сопротивлении,
	используется до сих пор. Около 1970 г. была предложена схема II,
	согласно которой, как указано выше, полное сопротивление делится
	на вязкостное и волновое. Принципиальным отличием здесь является
	то, что сопротивление формы присоединяется к сопротивлению
	трения, а не к волновому, что соответствует теории подобия. Как и в
	схеме I, сопротивление трения рассчитывается, другие слагаемые
	моделируются, хотя вычисляются раздельно.

	Ходкость
•	Теоретический расчет сопротивления движению очень сложен.
	Теория волнового сопротивления существует уже несколько
	десятилетий, хотя не всегда дает правильные результаты.
	Сравнительно недавно, в связи с развитием теории сопротивления
	воды и успехами вычислительной техники, появилась возможность
	рассчитывать и вязкостное сопротивление, но при проектировании
	судов, как правило, стремятся провести испытания их моделей с
	последующим пересчетом на судно по одной из вышеназванных
	схем. Теоретической основой расчета сопротивления движению
	является наука “гидродинамика”, описывающая движение жидкостей
	с помощью сложных дифференциальных уравнений. Аналитически
	эти уравнения можно решить только в простейших случаях, для
	более сложных расчетов используют численные методы.

Ходкость

• Модельные испытания проводятся в специальных лабораториях, называемых опытовыми бассейнами. Такой бассейн состоит из канала с водой, длина которого составляет примерно от 30 м до 1 км, и оборудования, обеспечивающего проведение испытаний. Модели приводятся в движение либо силой тяжести падающего груза (в малых бассейнах), либо специальной тележкой, которая катится по рельсам, уложенным по бортам бассейна. Модели обычно делают из парафина на деревянном каркасе, длина их в больших бассейнах принимается равной 6 - 7 м, в отдельных случаях - еще больше, что требуется для выполнения условий динамического подобия.

			Ходкость
•	В начальных стадиях проектирования судна, когда
	приходится отыскивать оптимальный вариант, пользуются
	специальными графиками или приближенными формулами,
	которые позволяют оценить сопротивление и требуемую
	мощность главного двигателя с погрешностью 10 - 15 %. Широко
	известна, в частности, формула адмиралтейских коэффициентов:
	N	D23v3
			s ,
	e		Ca

где Ne - эффективнаямощность главного двигателя; vs - скорость суднав узлах;

Ca - адмиралтейский коэффициент, который или выбирается по данным, полученным для близких судов, или подсчитывается для суд- на-прототипа, характеристики которого близки к характеристикам про- ектируемого судна. Погрешность этой формулы может быть невелика при удачном выборе прототипа, но достигает десятков процентов, если выбор неудачен.

	Ходкость
•	С давних пор кораблестроители стремились совершенствовать формы
	судовых корпусов с целью снижения сопротивления. Долгие годы это было
	искусством, которое передавалось из поколения в поколение, или повторением
	известных (хороших) образцов. В настоящее время поиск наилучших форм
	поставлен на научную основу. Известно, что с ростом быстроходности
	(относительной скорости - безразмерного числа Фруда Fr = v/(gL)^(1/2)) формы
	судов закономерным образом изменяются: до некоторого предела растет
	относительная длина, ЦВ перемещается от носа к корме, меняются обводы.
	Появились многочисленные способы уменьшения сопротивления, в том числе
	довольно экзотические, например, с помощью упругих покрытий типа кожи
	дельфина, подачи в пограничный слой, прилегающий к обшивке, специальных
	жидкостей (“неньютоновских”), обладающих особыми свойствами, воздуха или
	других газов и т.д. Для сравнительно небольших скоростных судов один из
	эффективных способов снижения сопротивления - переход к динамическим
	принципам поддержания, когда судно поддерживается не архимедовой силой
	плавучести, а подъемной силой, создаваемой специальными устройствами. К
	таким судам (СДПП) относятся глиссеры, суда на подводных крыльях (СПК) и
	на воздушной подушке (СВП), экранопланы.