Сопротивление воды движению плавающих средств

Сопротивление воды движению плавающих средств

9.2.1. Составляющие силы полного сопротивления

Как показывают наблюдения, при движении судна в окружающей его воде можно различить три характерные области, в которых создается главным образом сила сопротивления движению судна (рис 8.1).

Область I – находится в непосредственной близости к смоченной поверхности судна, в которой наиболее сильно сказывается действие сил трения. Называется пограничным слоем. Вихревая область II, образуется за кормой судна. Область III – характеризуется тем, что в ее пределах на свободной поверхности воды образуются различные группы гравитационных, корабельных волн. Эта область называется внешним потоком.

Рис. 9.2

В соответствии с этим сопротивление движению судна считают слагающимся из следующих сил:

Рекомендуемые материалы

- сопротивление трения – R_тр,

- вихревое сопротивление - R_вихр,

- волновое сопротивление – R_волн,

R_х= R_тр+ R_вихр+ R_волн

Кроме этих сопротивлений, являющихся основными, учитывается дополнительное сопротивление от имеющихся на корпусе подводных выступающих частей и дополнительное воздушное сопротивление надводной части судна: R_выст.ч. и R_возд.

Т.о., полное сопротивление воды движению судна выражается формулой:

R_х= R_тр+ R_вихр+ R_волн+ R_выст.ч + R_возд.

9.2.2. Физическая сущность сопротивления

Сопротивление трения R_тр является проявлением сил вязкости жидкости и представляет результирующую всех касательных сил, действующих на смоченную поверхность тела.

На величину сопротивления трения оказывает влияние шероховатость поверхности судна и в очень слабой степени кривизна судовой обшивки.

Сопротивление трения выражается формулой:

,

где  - смоченная поверхность судна.

В отдельных случаях значение сопротивления трения настолько незначительно, что им пренебрегают.

Вихревым сопротивлением R_вихр называется разность давления в носовой и кормовой частях судна, и являющаяся следствием вихреобразования за кормой и зависящего от изменения давления вдоль поверхности судна.

R_вихр зависит от формы обтекаемого тела и, главным образом_, от очертания кормовой его части, поэтому его называют также сопротивлением формы (рис.5).

.

Различают два вида обтекания:

- безотрывочное,

- отрывочное обтекание

>R_{вихр. безотр.}

R_вихр составляет  20-25℅ от общего сопротивления воды движению твердого тела.

Волновое сопротивление R_волн возникает вследствие затраты энергии на создание и поддержание системы волн, образующихся в жидкости.

Поскольку судно непроницаемо для жидкости, то оно при своем движении непрерывно вытесняет носовой частью некоторый объем жидкости и одновременно освобождает такой же объем за кормой. Этот объем сразу же заполняется окружающей судно жидкостью.

Вблизи носа уровень жидкости поднимается по отношению к уровню невозмущенной поверхности, вследствие его вытеснения корпуса, а вблизи кормы, наоборот, понижается. получающийся при этом перепад уровней нарушает равновесие жидкости и вызывает образование на поверхности воды гравитационных волн (корабельных волн).

Корабельные волны состоят из расходящихся волн и волн поперечных (поперечные волны появляются при возрастании скорости) (см. рис. 6).

Волны образуются в III области во внешнем потоке, где силы вязкости практически не учитываются (можно применять законы идеальной жидкости).

R_волн=10℅ от полного сопротивления.

Сопротивление выступающих частей R_выст.ч. является дополнительным сопротивлением, увеличивающим в основном вихревое сопротивление. (Такими выступающими частями являются рули, киль, гребные волны, колеса и др.)

Сопротивление воздуха R_возд слагается из сопротивления надводной части корпуса и палубных надстроек набегающему потоку воздуха.

9.2.3. Расчетные зависимости для определения полного сопротивления

В результате многочисленных экспериментов на моделях и в натуре и общих теоретических соображениях соображений установлено сопротивление жидкости движению в ней твердого тела зависит в основном от плотности и вязкости жидкости, размеров, характера поверхности и формы тела, скорости его движения относительно жидкости.

В соответствии с этим общее выражение для силы сопротивления Rх представляется формулой:

R_х=,

где:  - безразмерный коэффициент, носящий название коэффициента сопротивления тела, определяется опытным путем,  - плотность жидкости, V – относительная скорость движения тела и жидкости, Ω – площадь, которая в основном характеризует сопротивление тела (если основными являются силы трения, то за Ω принимают смоченную поверхность судна; если силы трения имеют второстепенное значение, то за Ω принимают наибольшую площадь сечения тела плоскостью, перпендикулярной к направлению движения).

За Ω часто принимают среднюю площадь поперечного сечения судна, определяемую как частное от деления объемного водоизмещения W на длину судна L.

Ещё посмотрите лекцию "Задачи информационного менеджмента" по этой теме.

Следует отметить, что величина коэффициента сопротивления тела _x тесно связана с выбором характерной площади Ω и относится только к выбранной площади. Другими словами, если для одного и того же тела мы будем принимать различные Ω, то для каждой Ω нужно будет определять свой коэффициент _x.

Выражение  можно рассматривать как запас кинетической энергии в единице объема жидкости.

Несмотря на то, что каждое из сопротивлений R_тр, R_вихр, R_волн имеют отличную от других сопротивлений физическую природу и законы изменения можно записать:

где  - коэффициент сопротивления трения;  - коэффициент вихревого сопротивления;  - коэффициент волнового сопротивления.  вычисляют по элепирическим формулам, а  и  объединяют и называют остаточным сопротивлением.