Воздушное сопротивление

При обтекании потоком воздуха надводной части судна возникает аэродинамическая сила R_а. Проекция этой силы на направление движения судна представляет собой воздушное сопротивление R_возд (рис.97), которое определяется по формуле:

R_возд = 0,5 ζ_возд ρ_в v_в²S ,

где ζ_возд - коэффициент воздушного сопротивления; ρ_в - плотность воздуха; S - площадь проекции надводной части судна на плоскость мидель-шпангоута; v_в- скорость обтекания воздухом надводной части судна.

 

 

В случае движения судна при ветре скорость подсчитывается по формуле:

v_в = ,

в которой: - скорость ветра, определяемая по шкале Бофорта - скорость судна; - угол между направлением ветра и диаметральной плоскостью судна.

Коэффициент воздушного сопротивления, определяемый по результатам продувки моделей судов в аэродинамических трубах, практически не зависит от скорости воздушного потока. Основное влияние на него оказывают форма надводной части судна, расположение надстроек, рубок, судовых устройств и палубного оборудования.

Рис.97.Воздушное сопротивление: а - схема действия сил; б – зависимость ζ_возд от

 

Существенное влияние на коэффициент воздушного сопротивления при движении оказывает направление потока воздуха относительно диаметральной плоскости, определяемое углом который можно найти по формуле:

.

На рис.97,б приведена зависимость ζ_возд от , позволяющая сделать вывод о том, что наибольшее значение коэффициент воздушного сопротивления имеет при = 25 30⁰. Объясняется это невыгодным расположением надстроек и рубок с точки зрения их обтекания потоком воздуха. При , близких к нулю, надстройки и рубки экранируют друг друга, в результате чего воздушное сопротивление

 

несколько снижается. Коэффициент воздушного сопротивления при углах более 90⁰ принимает отрицательное значение, т.е. R_возд совпадает с направлением движения судна. Однако даже при попутном ветре (свыше 5 6 баллов) скорость судна снижается из-за возрастания сопротивления на волнении, которое происходит вследствие ухудшения обтекаемости корпуса судна при качке, отражения волн от корпуса и взаимодействия набегающих волн и создаваемых судном. При встречном ветре коэффициент воздушного сопротивления промысловых судов ζ_возд = 0,7 1,1.

В сравнительно тихую погоду воздушное сопротивление составляет 1,5 3,0% полного, при ветре в 4 5 баллов оно может достигать 10 15%, а при сильном шторме - 30 40%.

Влияние эксплуатационных факторов на

Ходкость судна

10.8.1 Посадка судна.В процессе эксплуатации промысловым судам приходится плавать при различных средних осадках, поэтому их влияние на ходкость представляет определенный интерес. Если средние осадки судна в рассматриваемом и известном вариантах отличаются незначительно (не более чем на 10%), то буксировочное сопротивление, буксировочную мощность и потребную мощность двигателей можно определить из условия постоянства адмиралтейских коэффициентов (С_б ,С_е ) по формулам: R₂ = R₁ ; N_б2 = N_б1; N_е2 = N_е1, где = (Δ₂/Δ₁)^2/3. Водоизмещение судна к известному Δ₁ и рассматриваемому Δ₂ варианту определяется по известным средним осадкам d₁ и d₂. Учитывая, что приведенные формулы являются приближенными, при подсчете коэффициента отношение водоизмещений Δ₂/Δ₁ можно заменить отношением соответствующих осадок d₂/d₁.

При изменении осадки более чем на 10%, у судов с коэффициентом полноты δ < 0,7, расчет буксировочного сопротивления по приведенной методике может дать значительную погрешность.

Влияние дифферента на ходкость судна зависит от формы корпуса. У больших рыболовных траулеров без носового бульба при дифференте на корму остаточное сопротивление практически не изменяется, а сопротивление трения вследствие увеличения смоченной поверхности возрастает на несколько процентов. Дифферент на корму траулеров с носовым бульбом приводит к увеличению остаточно-

 

го сопротивления по сравнению с посадкой на ровный киль, так как в этом случае теряется положительный эффект воздействия бульба на буксировочное сопротивление. Для приемно-транспортных судов при дифференте на корму из-за выхода из воды более полных носовых участков корпуса следует ожидать некоторого уменьшения остаточного сопротивления, а при дифференте не нос - его увеличения. Для каждого судна величина наивыгоднейшего дифферента может быть определена в процессе эксплуатации судна опытным путем.

10.8.2 Обрастание корпуса.Подводная часть корпуса судов обрастает различными морскими организмами. Обрастание происходит, главным образом, во время стоянки и движении судна с небольшой скоростью. Интенсивность обрастания зависит от температуры и солености воды. В тропиках обрастание происходит более быстро, чем в средних и высоких широтах. В пресной воде процесс обрастания судна по сравнению с соленой водой замедляется. Большое влияние на скорость обрастания оказывает освещенность воды: чем меньше освещенность тем выше интенсивность обрастания.

Дополнительное сопротивление от обрастания корпуса можно определить по формуле:

R_обр = 0,5 ζ_обр ρv²Ω,

где ζ_обр- коэффициент дополнительного сопротивления от обрастания, который может быть найден в зависимости от числа месяцев n_д прошедших после докования судна по кривой ζ_обр (n_д) на рис.98.

Коэффициент ζ_обр для судов совершающих регулярные рейсы может быть Рис. 98. Зависимость ζ_обр от n_д также определен по приближенной формуле:

ζ_обр = (0,076 n_д + 0,006) n_д²) ·10^-3;

Определение R_обр по приведенной формуле дает средние значения, так как процесс обрастания каждого судна в силу специфики его сугубо индивидуален.

Наблюдения показывают, что при эксплуатации судна в морях умеренного пояса сопротивление трения увеличивается за сутки на 0,2 0,5%, а в тропиках - на 0,5 0,8%. Можно сделать вывод, что по-

 

сле года эксплуатации судна, дополнительное сопротивление от обрастания будет примерно таким же, как и сопротивление трения. Основной способ уменьшения этого неблагоприятного фактора - покрытие корпуса судна специальными противообрастающими красками. Срок действия таких красок зависит от района плавания судна и составляет от 6 до 12 месяцев.

10.8.3 Мелководье и ширина фарватера.При плавании судна на мелководье и в узких мелководных каналах изменяется сопротивление воды его движению, а также наблюдается изменение посадки судна. Под мелководью понимают глубину воды Н 4d + 0,3 v, где d - осадка судна, а v - скорость судна (м/с). Из формулы следует, что для промысловых судов необходимо учитывать мелководье при Н (5 7) d.

 

Рис.99. Влияние мелководья на сопротивление и посадку судна.

I- глубокая вода; II- мелководье; III – узкий канал

 

Во время плавания на мелководье изменяются все составляющие полного сопротивления, однако сильнее всего - волновое сопро-

 

тивление. Для учета влияния мелководья используют безразмерный параметр -число Фруда по глубине Fr_н = v/ , характеризующий относительную скорость судна на ограниченной глубине. Скорость судна v_кр = (0,8 1,05) , при которой Fr_н = 0,8 1,05 называется критической. Она соответствует скорости, при которой на мелководье наиболее интенсивно возрастает сопротивление движению и изменяется посадка судна.

При скорости v = 0,4 , картина волнообразования по сравнению с глубокой водой меняется мало, поэтому сопротивление воды практически также не изменяется (рис. 99.) При более высоких скоростях длины волн (зоны, занятые волнами) на мелководье будут больше, чем на глубокой воде, что приводит к увеличению сопротивления. В зоне критической скорости поперечные и расходящиеся волны сливаются в две поперечные волны - носовую и кормовую, причем высота носовой волны больше кормовой. На образование этих волн затрачивается значительная энергия, и сопротивление при v = v_кр резко возрастает. Дальнейшее увеличение скорости вызывает уменьшение сопротивления, и при v > (1,1 1,3) оно становится даже меньше, чем на глубокой воде. Уменьшение сопротивления объясняется исчезновением поперечных волн и сокращением сектора, занимаемого расходящимися волнами.

При плавании на мелководье наряду с изменением сопротивления меняется посадка судна: увеличивается средняя осадка и дифферент на корму. Увеличение средней осадки происходит вследствие снижения давления под днищем судна из-за повышения скорости обтекания его корпуса. Дифферент на корму судно приобретает за счет образования носовой поперечной волны. На рис.99 представлены кривые изменения относительного погружения δd/d и угла дифферента ψ в функции от Fr_н. Как видно из рисунка, при Fr_н 0,8 средняя осадка судна становится максимальной. Одновременно с увеличением осадки начинает расти дифферент на корму, который имеет наибольшее значение в момент формирования одиночной волны, т.е. при Fr_н 1. Увеличение средней осадки и дифферента на корму может привести к удару судна о дно фарватера, что необходимо учитывать при эксплуатации судов на мелководье. При плавании судна на мелководных узких каналах наблюдается те же явления, что и на мелкой воде, но они проявляются еще заметнее. Возрастание сопротивления

 

 

в докритической области (v < (0,8 1,05) ) и падение сопротивления в закритической области представлены на рис.99. Образованные движущимся судном волны оказывают вредное влияние на ложе канала и его берега. Поэтому скорость движения судов в каналах обычно ограничивают значениям v 0,6 .

 

 

Глава 11 Судовые движители