Сопротивление воды движению судна и его составляющие Текст научной статьи по специальности «Физика»

Список литературы

[1] Федяевский К. К., Соболев Г. В. Управляемость корабля. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 376 с.

[2] Соболев Г. В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. - Л.: Судостроение, 1976.-478 с.

[3] Ходкость и управляемость судов. Учебник для вузов / В. Ф. Бавин, В. И. Зайков, В. Г. Павленко. Л. Б. Саддлер. Под ред. В. Г. Павленко. - М.: Транспорт, 1991. - 397 с.

[4] Павленко В. Г. Основы механики жидкости. - Л.: Судостроение, 1988. - 240 с.

[5] Атлас гидродинамических характеристик судовых рулей. — Тр. | НИИВТ, 1972, вып. 72, 88 с.

HULL FLOW NATURE WITH LIQUID STREAM

V. I. Tikhonov

On the basis of flow nature around stub and extreme stub wings, the model of flow around hull is suggested.

УДК 656.62.052.4:[629.12:532.5]

В. И. Тихонов, к. т. н., доцент.

М. В. Небасов, аспирант, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ

В статье приведён краткий анализ сопротивления воды движению судна и предложены структурные формулы для его продольной и поперечной составляющих.

Одним из важнейших мореходных качеств судна является ходкость, под которой понимается его способность развивать заданную скорость прямолинейного движения в определённых условиях плавания при эффективном использовании мощности главной энергетической установки. Ходкость зависит от размеров, формы обводов и состояния наружной поверхности обшивки погруженной части корпуса, мощности главных двигателей, типа движителей, а также от условий, в которых происходит движение судна.

Для оценки ходкости необходимо располагать данными о силе сопротивления окружающей среды (воды и воздуха) движению судна, а также характеристиками движителей, которые создают силу тяги, приводящую судно в движение.

Работа любого типа движителя в той или иной степени влияет на структуру потока, обтекающего корпус судна, и изменяет сопротивление жидкости его движению. Однако обычно сопротивление воды движению корпуса рассматривают без учёта влияния на него работающего движителя, а дополнительную силу, вызванную этим влиянием, как и сопротивление жидкости перемещению в ней самого движителя, учитывают отдельно при расчёте эффективности движителя.

При установившемся движении судна с некоторой скоростью V вдоль всей смоченной поверхности £ его корпуса в результате взаимодействия с жидкостью возникают непрерывно распределённые поверхностные силы. В каждой точке поверхности они характеризуются вектором напряжений поверхностных сил р3 . Система гидродинамических сил, действующих со стороны воды на погруженную часть корпуса судна, представ-

ляет собой сумму распределённых по его поверхности элементарных сил, которую можно привести к главному веетору Я и главному моменту М по формулам [1]:

Я — ^

5

М= Дг

гхрз^Я, (2)

где г - радиус-вектор данной точки поверхности корпуса относительно начала координат.

Проекция вектора р3 на направление внутренней нормали пх к поверхности корпуса в какой-либо её точке представляет собой гидродинамическое давление р , а его проекция на направление линии тока в этой точке - касательное напряжение т , обусловленное вязкостью жидкости. Следовательно [2],

р3=рп + т. (3)

Подставив равенство (3) в формулу (1), получим:

Я = ^рМБ + ^

Выражение (4) позволяет разделить гидродинамическую силу Я , представляющую собой общее сопротивление воды движению в ней корпуса судна, на две составляющие: сопротивление давлений Яр И вязкостное сопротивление К у , то есть

Я = Яр + Ну . (5)

При этом первая составляющая

Яр = \pndS (6)

представляет собой суммарный вектор сил, создаваемых гидродинамическими давлениями, распределёнными по смоченной поверхности 5 корпуса судна. Вторая составляющая

Я у = \zclS

(7)

представляет собой равнодействующую касательных напряжений, распределённых по наружной поверхности обшивки погруженной части корпуса.

Судно, двигаясь в жидкости, создаёт на её свободной поверхности систему волн, вызванных колебаниями частиц воды, которые выведены из состояния равновесия. Процесс образования волн приводит к изменению поля скоростей и давлений на свободной поверхности, в том числе и вдоль обшивки самого корпуса. В итоге возникает результирующая сила давлений, обусловленных весомостью жидкости, которую называют волновым сопротивлением [1,2]. Поэтому суммарную силу давлений Яр также разделяют на две составляющие -

Я. = ЯР!? + Яцг ■ (8)

Составляющая Крр представляет собой часть общего сопротивления давлений,

которую принято называть вязкостным сопротивлением давления [2], или сопротивлением формы [1,2].

Попытаемся выяснить, результатом каких давлений является сопротивление формы

£

РГ ■ Прежде всего, отметим, что поле скоростей потока, обтекающего корпус судна, неоднородно. Поэтому скорости движения частиц жидкости вдоль обшивки различных частей корпуса (внешний и внутренний борта, носовая и кормовая оконечности) неодинаковы. Следовательно, имеются давления, обусловленные разностью скоростей обтекания водой поверхности корпуса. Равнодействующая поверхностных усилий, создаваемых этими давлениями, аналогична силе, возникающей на крыле вследствие циркуляции скорости обтекающего его потока и называемой циркуляционной [3].

Кроме того, имеются давления, обусловленные скоростным напором (или разностью скоростных напоров) жидкости на поверхность погруженной части корпуса судна. Равнодействующую распределённых по смоченной поверхности сил, создаваемых скоростными давлениями, принято называть отрывной [3].

Таким образом, сопротивление формы ЯРР представляет собой не что иное, как равнодействующую гидродинамических сил, обусловленных циркуляционноотрывным обтеканием водой погруженной части корпуса судна, то есть

= Кир + Копр- (9)

Последнее выражение позволяет сделать вывод о том, что гипотеза о существовании прямой (аффинной) взаимосвязи между сопротивлением формы и сопротивлением трения не может считаться вполне обоснованной, поскольку природа циркуляци-онно-отрызных и вязкостных усилий существенно различна.

Вязкостное сопротивление Яу зависит от распределения касательных напряжений по смоченной поверхности корпуса. На него влияют продольная и поперечная кривизна обводов корпуса и обусловленные ею перепады напряжений поверхностных сил, состояние наружной поверхности обшивки, различные виды отрыва пограничного слоя, а также волнообразование [2]. Эти факторы приводят к тому, что касательные напряжения на обшивке судового корпуса отличаются от значений, соответствующих обтеканию плоской гладкой пластины при равных числах Яе. Поэтому суммарная сила, обусловленная вязкостью жидкости, всегда оказывается больше силы трения, возникающей на эквивалентной пластине.

Следовательно, «сопротивление формы» можно рассматривать как разность между суммарным вязкостным сопротивлением Яу и силой трения Я^, возникающей на эквивалентной пластине. В этом случае наличие аффинной связи между вязкостным сопротивлением формы Яу/г И сопротивлением трения Лу будет очевидным. Тогда

сила Яу может быть представлена в виде

Яу—Я^ + Яур. (10)

Необходимо заметить, что при определении сопротивления обычно делается допущение об отсутствии крена. Однако крен судна приводит к тому, что площадь смоченной поверхности одного борта увеличивается, а другого - уменьшается, в результате чего на корпусе появляются гидродинамические усилия, равнодействующая ко-

торых Я0 представляет собой дополнительное сопротивление воды, возникающее в случае движения судна с углом крена 9.

Таким образом, суммарное сопротивление жидкости движению в ней корпуса судна может быть представлено следующим образом:

— КР К-птр + Яу + Яц, + Яд ■ (11)

Проекции главного вектора Я на оси д: и у, а главного момента М - на ось г связанной с судном подвижной системы координат

ХГ = Хцир + Хотр +Ху+Х„+Хв\ . (12)

?Г =К«Р +Уотр + ¥у +?№ (13)

мг -Мцир +Мотр +Му +М„ +Мв (14)

называют гидродинамическими характеристиками судна. Продольную составляющую общего сопротивления Хг - Ях называют также силой сопротивления воды движению судна (или, кратко, сопротивлением воды).

Структурные формулы (12) - (14) отражают, по мнению авторов, реальный процесс динамического взаимодействия погруженной части корпуса судна с окружающей жидкостью.

Список литературы

[1] Басин А. М. Ходкость и управляемость судов. - М.: Транспорт, 1977.-456 с.

[2] Войткунский Я. И. Сопротивление движению судов. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.

[3] Соболев Г. В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. - Л.: Судостроение,

1976. - 478 с. . ’

WATER RESISTANCE TO VESSEL’S MOVEMENT AND IT COMPONENTS

V. I. Tikhonov, M. V. Nebasov

In this article, short analysis of water resistance components to vessel's movement is presented and structural formulas for its longitudinal and transverse components are suggested.

УДК 656.62.052.4:[629.12:532.5]

В. И. Тихонов, к. т. н„ доцент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ПОПЕРЕЧНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННО-ОТРЫВНЫХ УСИЛИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ НА КОРПУСЕ СУДНА

В статье излагается метод аналитического определения поперечных составляющих усилий циркуляционного и отрывного происхождения.