Часть 1. Сопротивление воды движению судна

§ 43. Общее представление о сопротивлении воды движению судна

Сила сопротивления включает в себя сопротивление воды и воздуха. Сопротивле-нием воздуха из-за его небольшой по сравнению с сопротивлением воды значением в практических расчетах можно пренебречь. Но в случае, когда судно движется с большой скоростью хода, а особенно, если судно имеет развитые надстройки, воздушное сопротив-ление необходимо учитывать, так как оно может составить 5-7 % всей силы сопротивле-ния.

Величина силы сопротивления воды движению судна зависит от его размеров и формы корпуса судна, скорости хода судна, глубины фарватера и др. судить о силе сопро-тивления воды движению судна можно по графикам зависимости сопротивления от ско-рости хода. Как видно из рисунка 65, с увеличением глубины фарватера сила сопротивления воды движению судна для одной и той же скорости уменьшается. И еще, характер зависимости между сопротивлением воды и скоростью таков, что при определенных скоростях небольшое увеличение скорости хода судна требует значительного увеличения затрат на преодоление сопротивления воды движению судна, а это экономически не выгодно. Это обстоятельство и не позволяет судам двигаться с большой скоростью.

Сопротивлением воды движению судна называют равнодействующую гидродина-мических давлений и касательных напряжений трения на направление движения.

Что же такое – сопротивление воды? А это энергия, которую затрачивает движу-щееся в воде тело на приведение в движение масс воды. Сила сопротивления воды состо-ит из сопротивления давления и сопротивления трения. В свою очередь сопротивление давления можно разделить на две составляющие: сопротивление формы и волновое со-противление.

Полное сопротивление воды движению судна определяется, как сумма нескольких составляющих

R = Rтр + Rф + Rв , (172)

где Rтр, Rф и Rв – сопротивление трения, формы и волновое соответственно.

Все три составляющие взаимно влияют друг на друга, но при вычислении эти влиянием пренебрегают. И определяют каждую составляющую отдельно.

Сопротивление трения Rтр определяется вязкостными свойствами воды. Частицы воды, находящиеся непосредственно у корпуса судна, движутся вместе с ним, приводя при этом в движение соседние слои воды, которые движутся уже медленнее, а те, в свою очередь – следующие, и так далее. На некотором расстоянии от корпуса частицы воды ос-таются в покое.

Сопротивление трения зависит от скорости судна, величины его смоченной по-верхности, от состояния этой поверхности – от шероховатости. Его можно определить о формуле

(173)

где kтр – коэффициент трения;

ρ – массовая плотность воды в ;

Ω – площадь смоченной поверхности судна в м²;

v – скорость судна в м/сек.

Массовая плотность пресной воды равна 102 кг сек² м , плотность соленой во-ды – 104 кг сек² м .

Есть множество формул, позволяющих приближенно определить площадь смо-ченной поверхности судна. В их основе лежит возможность рассчитать площадь смочен-ной поверхности судна при помощи главных размерений судна и коэффициентов полно-ты. Например, для большинства транспортных судов может быть использована формула Мумфорда

Ω = L ( δ B + 1.7 T ) (174)

где L, B, T – главные размерения судна в м;

δ – коэффициент общей полноты водоизмещения судна.

Коэффициент трения kтр может быть определен, как коэффициент трения гладкой пластины, имеющей площадь смоченной поверхности, равную площади смоченной по-верхности судна kт.п. (ее можно определить расчетом или по таблице), и надбавки на ше-роховатость kш , учитывающей состояние поверхности корпуса,

kтр = kт.п. + kш (175)

Так как все величины, входящие в формулу (173) можно определить, то и сопро-тивление трения можно рассчитать для любого судна. Что касается сопротивления давле-ния, то его рассчитать по формулам не представляется возможным, так как его величина зависит от формы корпуса судна. Прежде чем обратиться к методу расчета сопротивления давления, рассмотрим, что представляют собой его составляющие.

Сопротивление формы Rф возникает вследствие влияния вязкости жидкости на распределение давлений по поверхности судна. По мере приближения от носа судна к корме давление воды уменьшается, а скорость движения частиц увеличивается, что при-водит к образованию завихрений. Завихрения образуются также при обтекании выступов на шероховатой поверхности. На образование этих завихрений расходуется часть энергии. Величина этого сопротивления зависит от скорости хода судна и от формы его корпуса.

Волновым сопротивлением Rв называется составляющая, учитывающая энергию, которую расходует судно на образование так называемой носовой волны. При движении судна давление воды в оконечностях судна больше, чем в середине, поэтому в носу и в корме уровень воды повышается, а в середине – понижается, что приводит к образованию волн.

Волновое сопротивление зависит от скорости хода судна, формы его корпуса и глубины и ширины фарватера. Характеристикой волнового сопротивления является число Фруда – безразмерный коэффициент, определяемый отношением скорости к длине судна:

(176)

Так как и сопротивление формы, и сопротивление волновое появляется в результа-те неравномерного распределения давления по корпусу судна, то их сумму и называют - сопротивление давления или остаточным сопротивлением.

Rост = Rф + Rв , (177)

Остаточное сопротивление рассчитать довольно трудно, так как оно зависит от формы корпуса судна, скорости хода. Поэтому его определяют по результатам так назы-ваемых модельных испытаний.