Часть 1. Расчет сопротивления воды движению судна

И БУКСИРОВОЧНОЙ МОЩНОСТИ

Санкт-Петербург

2010

Настоящее учебно-методическое пособие “Расчет сопротивления воды движению судна и буксировочной мощности”

является руководством по выполнению первой части курсовой работы «Проектирование гребной электрической установки» по курсу “ГЭУ”, выполняемого студентами ФЭА.

Введение

При решении разнообразных эксплуатационных задач возникает необходимость в расчетной оценке значения сопротивления среды движению судов. Поэтому подобныe расчеты являются составной частью курсовых и дипломных пpoeктoв, выполняемых студентами различных факультетов. При реальном проектирова­нии судов и, как правило, во всех случаях решения практических эксплуатационных задач расчеты производятся по данным систематических серийных испытаний моделей судов, проведенных в опытовом бассейне.

Общеизвестно, чем ближе сxодство мoделей выбpанной серии по типу судна, исходной форме обводов по теоретическому чертежу соответственно носовых и кормовых образований , положению центра величины судна и другим факторам влияния особенностей рассчитываемого судна, тем точнее результаты расчетов соотносятся с данными натуры. В нас­тоящих методических указаниях представлены данные результатов систематических испытаний моделей судов различных типов с большим разнообразием обводов носовой и кормовой оконечности , с варьируемыми в широком диапазоне соотношениями главных размерений и коэффициентов полноты.

В работе использованы материалы , рекомендованные бывшим отраслевым стандартом ОСТ 5.0181-75, и результаты модельных испытаний отдельных современных судов, которые могут быть рекомендованы в качестве прототипов. Методические указания охватывают все основные типы транспортных судов, включая универсальные и специализированные , навалочные и наливные , пассажирские и транспортные суда флота рыбной промышленности ,судов ледового плавания. и . др.

В тех случаях, когда курсант располагает результатами модельных испытаний судна, близкого пo форме теоретического чертежа, но отличающегося от рассчитываемого судна соотношениями главных размерений и коэффициентами полноты, можно воспользоваться методом расчета сопротивления воды движению судна по прототипу.

Наряду с необходимыми данными для производства расчетов сопротивления воды движению судов и буксировочной мощности в работе содержится классическая схема расчета сопротивления, а для каждой серии приведены конкретные методики ее использования.

Методические указания не распространяются на ледоколы, буксиры, подводные и полупогрyжные суда. Не содержат рекомен-даций и исходных материалов для расчета сопротивления среды движению судна в нештатных условиях эксплуатации, т.е. при ограничениях по глубине и ширине акватории, при ветре, при волнении и т.п.

- сопротивление эквивалентной гладкой пластины, Н - сопротивление воздуха, Н - сопротивление формы, H - вязкостное сопротивление, H - волновое сопротивление, H - остаточное трение, H - сопротивление выступающих частей, H коэффициент полного сопротивления - коэффициенты сопротивления трения ,формы, волнового и остаточного сопротивления - коэффициент вязкостного сопротивления k коэффициент влияния формы корпуса на - корреляционный коэффициент /надбавка на шероховатость - коэффициент сопротивления выступающих частей − буксировочная мощность, Вт - мощность, подводимая к гребному винту, Вт - коэффициент воздушного сопротивления.

Условные обозначения

длина судна по ГВЛ, м

длина судна между перпендикулярами, м

B- ширина судна, м

T - осадка судна, м

-

-то же в процентах от ,

смоченная поверхность корпуса судна,

- объемное водоизмещение судна,

- отношение длины к ширине судна

- отношение ширины к осадке судна

- коэффициент общей полноты

коэффициент полноты площади мидель-шпангоута

коэффициент полноты площади грузвой ватерлинии

- коэффициент продольной полноты

- относительная длина судна

массовая плотность воды,

кинематический коэффициент вязкости,

ускорение силы тяжести,

- скорость хода судна, уз

- скорость хода судна, м/с

- число Фруда

= - число Рейнольдса

- полезная тяга гребного винта, Н

- полное сопротивление движению судна, H

1.Основные понятия о ходкости судна и основы теории сопротивления движению судна.

Ходкость судна - это способность судна перемещаться с заданной скоростью при наиболее эффективном использовании мощности судовой энергетической установки /СЭУ/.

Ходкость является одним из важнейших мореходных качеств судна. При потере ходкости судно оказывается неспособным выполнять те задачи, которые были определены ему как транспортному средству. Ходкость оказывает сильное влияние на экономические показатели каждого судна и тем самым на экономику моpcкoгo флота в целом.

Для обеспечении ходкости судно оборудуется энергетической уста­новкой и движителями , создающими силу, преодолевающую сопротивление среды движению судна. Ходкость зависит от размеров и формы обводов корпуса судна, состояния его наружной обшивки, типа движителей и мощности главных двигателей, а также от скорости и условий движения судна. Для оценки ходкости в различных условиях необходимо располагать данными о сопротивлении среды движению судна, а также характеристиками движителей ,создающих силу упора, приводящую судно в движение.

При поступательном движении судна с постоянной скоростью возникает сила сопротивления среды движения судна 𝑅, направленная в сторону, противоположную его движению. Равномерное и прямолинейное движение судна с заданной скоростью 𝓋=const возможно лишь при условии, если к судну будет приложена некоторая движущая сила , направленная в сторону его движения и равная силе сопротивления 𝑅.

Движущая сила , называемая полезной тягой, является частью силы упора, которая создается судовым движителем путем преобразования механической энергии главной судовой силовой установки в энергию поступательного движения судна.

Полезная мощность, которая затрачивается на движение судна, называется буксировочной мощностью и определяется как произведение силы тяги на скорость движения судна:

EPS = 𝑅𝓋 = 𝓋

Для обеспечения этой мощности необходимо к движителю подвести мощность , развиваемую главным двигателем, с учетом потерь от фланца двигателя до движителя.

Таким образом, любая эксплуатационная или проектная задача, связанная с оценкой параметров пропульсивного комплекса, т.е. с определением скорости хода судна, элементов движителя, мощности двигателя и др., требует для своего решения определения сопротивления среды движения судна.

Известно,что при движении судна в жидкости все участки его поверхности испытывают силовое воздействие со стороны окружающей среды. Поверхностные силы,возникающие в результате этого воздействия в каждой точке подводной части корпуса судна,могут быть охарактеризованы гидродинамическим давлением p, приложенным к поверхности судна по направлению внешней нормали, и напряжением силы

трения τ, направленной по касательной к поверхности. Эти силы,распределенные непрерывно по поверхности, могут быть приведены к главному вектору и главному моменту гидродинамических сил.

Проекия главного вектора на направление движения называется силой сопротивления воды движению судна R, или просто сопротивлением.

Силу сопротивления воды движению судна R можно представить в виде двух составляющих:

R = ,

где - сопротивление давления;

- сопротивления трения.

Сопротивление давления ,в свою очередь,может быть представленно в виде суммы двух оставляющих - волнового сопротивления , обусловленного силами гравитации, и сопротивления формы(сопротивления давления вязкостной природы :

.

Вследствие eдинства вязкостной природы сопротивления трнеия и сопротивления формы иногда объединяют в единое вязкостное сопротивление :

=

Для расчета сопротивления трения используют представление, предложенное Фрудом, об эквивалентной технически гладкой пластине, под которой понимается гипотетическая абсолютно плоская, неводоизмещающая пластина, при буксировке которой можно исключить из рассмотрения силы давления , оставив только силы трения. Таким образом, по определению эквивалентная пластина представляет собой такую пластину, ,длина которой равна длине судна, смоченная поверхность - смоченной поверхности судна, скорость движения - скорости движения судна, а режим обтекания соответствует режиму обтекания корпуса судна.

Коэффициент трения эквивалентной пластины рассчитывается в функции логарифма числа Рейнольдса по экстраполяторам трения (12).

Отличие реальной шероховатости наружной обшивки корпуса от идеально гладкой поверхности эквивалентной пластины учитывается в расчетах введением условной надбавки на шероховатость (см. табл.1).

Расчет остальных составляющих сопротивления воды движению судна осуществляется на основе так называемой гипотезы Фруда о разделении полного сопротивления воды на сопротивление трения и на остаточное сопротивление.

Неукоснительное условие теории подобия о равенстве коэффициентов полного сопротивления движению судна модели и судна только при

одновременном равенстве чисел Рейнольдса и чисел Фруда для модели и судна вынудили Фруда выдвинуть гипотезу о том, что полное сопротивление воды движению судна слагается из сопротивления трения, рассчитываемого без использования модельного эксперимента, и остаточного сопротивления, зависящего от числа Фруда,

𝑅 = +

В этом случае в результате модельного эксперимента определяется коэффициент остаточного сопротивления для судна и его модели

=

К упомянутым выше основным составляющим сопротивления необходимо добавить воздушное сопротивление надводной части судна и сопротивление выступающих частей судна , к которым относятся скуловые кили, рули, выкружки и кронштейны гребных винтов и т.п.

В соответствии с теорией подобия любая составляющая сопротивления, в том числе и полное сопротивление, может быть выражена следующим образом:

𝑅 = 𝜁 , (1)

где 𝜁 - коэффициент полного сопротивления;

- плотность жидкости, кг/ ,

- скорость судна, м/с,

- смоченная поверхность корпуса, .

Коэффициент полного сопротивления определяется как сумма коэффициентов всех составляющих сопротивления:

𝜁 = (2)

где - коэффициент трения эквивалентной пластины;

- “надбавка на шероховатость”,

- коэффициент сопротивления выступающих частей,

- коэффициент воздушного сопротивления,

- коэффициент остаточного сопротивления.