浅水阻力解析ppt课件

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第八章 船在限制航道中的阻力,第八章 船在限制航道中的阻力,1,8-1 浅水对阻力的影响,一、浅水对流场及粘性阻力的影响,粘性阻力主要是由船体周围的流场决定的。浅水所引起的流场变化，主要反映在船体周围，特别是船底的流速增大，致使粘性阻力增大；同时由流场变化导致船的航态变化使粘性阻力进一步增大。,8-1 浅水对阻力的影响 一、浅水对流场及粘性阻力,2,1回流速度增大,由于浅水对流场影响使回流速度增大的现象称为浅水阻塞效应。,作用参数有:,h,/,d,或 /,h,图 8-1 浅水中的流动状态比较,(,a,),深水理想流体情况；,(,b,),浅水理想流体情况；,(,c,),浅水中实际的流体情况。,1回流速度增大 由于浅水对流场影响使回流速度增大的,3,2航态变化,(1)由于船底流速增加，压力降低，从而,使船体下沉，吃水增加；,(2)由于船底和河床边界层厚度均自船首,向船尾逐渐增加，因而船尾与河床的,间隙较船首处为小，流速增加更大，,压力下降更甚，船尾下沉较船首大，,因而产生尾倾现象。,2航态变化(1)由于船底流速增加，压力降低，从而,4,3对粘性阻力的影响,首先,由于浅水船周围的流速比深水船为大，且其舷侧湿面积因船体下沉而有所增加，所以必然使,摩擦阻力增大,。,其次,，因浅水中回流增加，即水流与船体的相对速度有明显的增大，压力下降亦大，所以压力梯度增大；同时船尾与河床的间隙小，易于产生旋涡，,粘压阻力随之增加,。,3对粘性阻力的影响 首先由于浅水船周围的流速比深,5,二、浅水对兴波及兴波阻力的影响,浅水中的兴波情况不但取决于水深参数,L,/,h,，而且与速度参数,Fr,有关。,=,Fr,1浅水引起波浪参数的改变,首先，,浅水中波浪的,波高,比深水波要大,。,二、浅水对兴波及兴波阻力的影响 浅水中的兴波情况,6,其次，浅水波的,波速,将随着,水深,h,而变化。,浅水波理论，又称为椭圆坦谷波理论，由该理论可知，浅水中的波速是：,浅水中的,波速,与深水中波长,相同的波速的差别仅取决于,双曲函数,的数值。,其次，浅水波的波速将随着水深h而变化。浅水波理,7,函数的名称,函数的表达式,函数的图形,函数的性质,双曲正弦,a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：在定义域内是单调增；,双曲余弦,a)：其定义域为:(-,+)；b)：是偶函数；c)：其图像过点(0,1)；,双曲正切,a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：其图形夹在水平直线,y=1及y=-1之间；,在定域内单调增；,a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：,8,该双曲函数曲线如图8-3所示。根据该曲线性质，讨论以下不同情况：,图8-3 正切双曲函数曲线,该双曲函数曲线如图8-3所示。根据该曲线性质，讨论以下不,9,(,1,),深水情况：,即,h,很大时，即 1.0，则,(,8-1,),式可写作：,根据正切双曲函数值知，当,h,/2 时，则,C,h,0.998,C,。因而当水深满足,h,/2 时，可以深水情况处理。,(,2,),一般浅水情况：,即,h,为有限值时：1.0。则有,C,h,C,(1)深水情况：,10,波速损失,C,应该为,：,C,=,C,-,C,h,或者写成,另作分析如下,：,同一船在浅水中航行时，船速将下降,C,。兴波阻力较大。,两者保持相同航速，则浅水中的波长,h,必定较深水中的波长,为大。,波速损失 C 应该为：C=C-Ch,11,当,Fr,h,0.5时，,C,0，说明浅水对兴波影响极小；反之，,Fr,h,越大，则,C,值越大，浅水对兴波的影响越显著。,(,3,)水深极浅的情况,则(8-1)式成为：,所以 表示在水深,h,极小时的浅水波传播速度。该速度为水深,h,时的,极限波速,。,船速分为三个区段：,当Frh0.5时，C0，说明浅水对兴波影响极小；,12,亚临界速度区：当,s,，即,Fr,h,1.0,临界速度区：当,s,，亦,Fr,h,1.0,超临界速度区：当,s,，表示,Fr,h,1.0,由上可进一步看出,：,Fr,h,实际上表示了船速与极限波速的相对大小，以及船舶所处的航速区。在不同的航速区内，不仅船舶的运动情况不同，而且兴波阻力、兴波图形都有明显的变化。,亚临界速度区：当s ，即Frh1.0,13,2浅水引起波浪图形的变化,图8-4 不同,Fr,h,时浅水对兴波图形的影响,(,a,),Fr,h,0,(,h,),和,Fr,h,1.0；,(,b,),Fr,h,1.0；,(,c,),F,r,h,1.0。,2浅水引起波浪图形的变化 图8-4 不同Frh时浅水对兴,14,浅水阻力解析ppt课件,15,(,1,),亚临界速度区（,Fr,h,1.0）：,当,Fr,h,0.5时，波速损失,C,0，因此兴波变化极小，所以,角变化甚微，如图8-4,(,a,),左侧兴波图形。,当0.5,Fr,h,1.0时，波长将大于深水中波长。同时,角，即兴波的扇形面随,Fr,h的增大而变大，如图8-4,(,a,),右侧所示的兴波。,(1)亚临界速度区（Frh1.0）：当Frh0.5时,16,(,2,),临界速度区：,当,Fr,h,1.0时,，,角增大至90,，,船的横波和散波合并，在船首处形成一个很大的波峰，此即为孤独波；船尾是一大波谷，它们随船一起前进，此时尾倾最大，如图,8-4,(,b,),所示，兴波阻力剧增。,(2)临界速度区：,17,(,3,),超临界速度区,当,Fr,h,1.0,，,即,s,时，说明船速已超过水波的极限移动速度，因此横波消失，孤独波亦不存在，仅剩有散波，且其宽度随航速增大而减小。这是因为浅水中波浪在垂直于波阵面方向的传播速度不能超过极限速度，则有：,(3)超临界速度区 当Frh1.0，即s时，说,18,显然，当航速越高，,越小，即波浪扇形面的范围变小，如图8-4(,c,)所示。由于横波消失，散波宽度随,Fr,h,增大而减小，因而,兴波阻力急剧减小,。达到某航速后，浅水中的总阻力较深水中的阻力还要低。,显然，当航速越高，越小，即波浪扇形面的范围变小，如图,19,三、浅水阻力曲线的特点,图8-7 浅水和深水中阻力曲线比较,三、浅水阻力曲线的特点 图8-7 浅水和深水中阻力曲线,20,(,1,),当,Fr,h,0.5，即,s,0.5 时，船在浅水中的阻力值没有明显增加。,(,2,),当0.5,Fr,h,1.0，即0.5 ,s,时，浅水情况的阻力较深水时有显著增加。,(,3,),当,Fr,h,1.0，即,s,时，较深水中的阻力值有很大增加。,(,4,),当,Fr,h,1.0，即,s,时，船速已超过波浪传播的极限速度。横波消失，散波的覆盖面减少，由于高速时的兴波阻力下降较多，所以此时船的总阻力甚至较深水阻力还要低。,(1)当Frh0.5，即s0.5 时,21,四、浅水影响的衡准,l.从航速来看,一般认为在,Fr,h,0.5时，可以不计浅水影响。,2从船型来看,(,1,),泰洛给出的最小水深：,对于,C,b,0.65的船为：,当,Fr,0.27时：,h,min,33.6,Fr d,当,Fr,0.27时：,h,min,41.7,(,Fr,-0.06,),d,其中,d,为吃水，,Fr,s,/；,四、浅水影响的衡准 l.从航速来看,22,(,2,),高速货船：,h,min,/,d,7.0；,(,3,),军舰，如巡洋舰，驱逐舰：,h,min,/,d,712；,(,4,),滑行快艇：,h,min,/,L,0.8或,h,min,/,B,3.0。,其中,L,，,B,为艇长和艇宽。,3ITTC最小水深公式,12届ITTC推荐的实船试验不计浅水影响的最小水深公式为：,h,3,(,8-7a,),h,2.75,s,/g,(,8-7b,),其中,h,为水深，,s,为航速。,分别按式,(,8-7a,),和式,(,8-7b,),计算，并取两者较大值作为试航时的最小水深。由物理意义知前者为考虑浅水对回流的影响；后者则是对兴波的影响。,(2)高速货船：hmin/d 7.0；,23,8-3 狭窄航道对阻力的影响,一、船舶在狭水道和浅水中航行时的主要差别,(,1,),表征参数：,在狭水道情况下，其表征参数有水深吃水比,h,/,d,外，相对宽度,b,/,B,(,或,b,/,L,),或断面系数,F,/,A,m,。,(,2,),回流和兴波情况：,回流情况较浅水时有明显的变化，由于侧壁的存在导致了散波的反射，因而与船体波系相互叠加，使兴波阻力发生变化。,(,3,),阻力曲线的特点：,船在狭水道中的阻力曲线的特点是在,Fr,h,1.0附近存在一个临界区，在这个区域内阻力值有极为明显的增加。,8-3 狭窄航道对阻力的影响一、船舶在狭水道和浅水中,24,二、船舶在狭水道中运动时的特点,图 8-14 狭水道剖面图,二、船舶在狭水道中运动时的特点 图 8-14 狭水道,25,基于假定的基础上则由连续性方程得：,b h,s,=,(,b h,-,A,m,-,b,h,),m,另根据伯努利方程得：,g,h=,(,m,s,),即得到船舶所在区域内的水面下降值：,h,=,(,m,s,),/2g,由式,(,8-9,),和式,(,8-l0,),，最终得：,或,基于假定的基础上则由连续性方程得：b h,26,船在狭水道中航行时，就速度的不同可划分为如下三种不同区域,：,图8-15 狭水道中不同的速度区域,船在狭水道中航行时，就速度的不同可划分为如下三,27,(1)亚临界速度区域：,即在 范围内，其阻力值（,R,v,+,R,w,）较,相应浅水情况要大。,(,2,),临界速度区域：,即,1,/,c,s,/c,2,/c。整个区域的独波随时间而不断增长，而船体由亚临界区的下沉逐渐转为上浮，直至航速达到,2,时，此时不但阻力最大，而且船体上浮亦达最大。,(1)亚临界速度区域：即在 范围内，其阻,28,(,3,),超临界速度区域：,即在,s,/c,2,/c范围内。水与船体相对速度减小，所以水面升高，船体上浮，纵倾角也较临界速度区减小。在该区域内的阻力反而骤然下降。,(3)超临界速度区域：即在s/c2/c范围内,29,图8-16 狭水道中阻力曲线,图8-16 狭水道中阻力曲线,30,三、狭水道阻力的估算,狭水道特殊情况的适当处理：,(1)由于船舶在狭水道中的航速较低，其阻力较深水情况的增加值认为主要是粘性阻力。因此在估算狭水道阻力时，只考虑回流情况较浅水时为大，可以不考虑兴波影响的修正。,三、狭水道阻力的估算 狭水道特殊情况的适当处理：,31,(,2,),考虑到狭水道的表征参数与浅水不同，所以在求取狭水道中的许立汀回流速度值时，用参数 /,r,h,代替浅水问题中的参数,/,h,。其中,r,h,称为水力半径，其数值为：,(,8-12,),其中,G,m,为船中横剖面的湿围长度，显然当,b,趋于无穷大时，,r,h,趋于,h,，就是浅水问题。,(2)考虑到狭水道的表征参数与浅水不同，所以在求取狭水,32,