船舶阻力第三章

3-1船行波的形成與特征一、平面行進波的特征

復(fù)雜的波系可視為由無數(shù)簡單的平面行進波（或基元波）疊加而成3-1船行波的形成與特征1、波形波形方程：

2、波幅與波高波幅：A

波高：H=2A

水質(zhì)點以

作軌圓運動3-1

船行波的形成與特征3、波長

λλ=2π/k

k—波數(shù)4、波浪周期前進一個波長距離所需的時間

T=2π/ω

自由表面：Z=0，r=A

自由表面以下為次波面，波幅隨水深迅速衰減

當(dāng)水深為一個波長時3-1

船行波的形成與特征5、波速C

波峰：

波谷：

在波峰和波谷處列出柏努利方程同時有

3-1

船行波的形成與特征波長越大，周期越大，速度越快；波速越快，周期越大，則波長越大波速可表達為：

波浪周期：船行波:

C=Vs,Vs大波長越長。波長與船速成平方關(guān)系3-1

船行波的形成與特征

為θ方向的位置做座標(biāo)

C(θ)余弦波波幅函數(shù)

S(θ)正弦波波幅函數(shù)

k(θ)基元波波數(shù)6、波能

單位自由表面波能

對波長λ，波寬b的波的波能為波能與水深無關(guān)7、船行自由波

基元波

θ-傳播方向3-1

船行波的形成與特征沿x方向傳播的,波速等于船速的波數(shù)-基本波數(shù)將不同傳播方向上的基元波疊加之船行自由波表達式:式中:稱為相位函數(shù)3-1

船行波的形成與特征二、船行波的形成(a)實際形成的船波(b)深水壓力分布(c)船形物體速度分布(d)船形物體周圍流動情況駐點流速A點波面升高B點波面升高C點波面升高船行波的實際情況3-1

船行波的形成與特征2、慣性作用下最高水位滯后，首波峰在艏柱稍后，尾波峰位于艉柱之后，艉柱前總為一波谷；3、水質(zhì)點受擾動后，震蕩，形成波浪（重力+慣性力）。1、實際水面抬高小于

(A和C并非真正駐點)三、船行波圖形及組成3-1

船行波的形成與特征1、單個壓力點的興波圖形散波系橫波系凱爾文角190

28′

3-1

船行波的形成與特征船首壓力興波：船首波系—艏橫波、艏散波船尾壓力興波：船尾波系—尾橫波、尾散波

艏橫波、艉橫波在船尾混合，組成合成橫波艉散波、艏散波不混合3-1

船行波的形成與特征2、船行波的組成與特征興波圖1破波圖1破波圖2實際成本或費用：概述與預(yù)算相關(guān)的實際工作情況列出與目標(biāo)和限制沖突的工作情形整個波系有兩大波系組成：首波系和尾波系，每個波系都由橫波和散波組成；首橫波恒從艏柱稍后處的波峰開始，尾橫波恒從艉柱稍前處的波谷開始；同一波系各散波段中點之連線基本為一直線，且此直線與船中線面之夾角在180

~200。各波系橫波均集中在自身波系的相應(yīng)散波內(nèi)，且隨扇形寬度的擴展，橫波寬度也相應(yīng)增大，但波幅變小；整個波系各散播之間及散波與橫波之間互不干擾，但在尾波系扇形面內(nèi)，首尾波系發(fā)生興波干擾；整個波系隨船一起運動，波速為船速。3-2

船的首尾波系及其干擾一、船行波的主要特性3-2

船的首尾波系及其干擾二、首尾橫波干擾

首尾橫波系在船尾相遇疊加稱：興波干擾1、有利干擾與不利干擾

2、影響干擾結(jié)果的因素

—取決于首尾橫波相對位置由興波長度

mL和波長λ決定mL=（n+q）λ1）q=0，相位差為零，不利干擾

2）q=0.5

相位差為π，有利干擾3）q為任意分?jǐn)?shù)時，出現(xiàn)一般干擾3-2

船的首尾波系及其干擾波長與波速(船速)平方成正比興波圖3興波圖43-3

興波阻力特性一、興波阻力與波浪參數(shù)的關(guān)系

假定船波是平面進行波，則其一個波長內(nèi)的波能為根據(jù)能量守恒，船體所提供給波浪的能量等于興波阻力所作的功，也即行進兩個波長內(nèi)所作的功上式并不能用于計算實際船舶的興波阻力，但卻給出明顯的物理啟示，即興波阻力與波高平方和波寬成正比關(guān)系。當(dāng)船波的波高增大時，興波阻力必然急劇增大。

3-3

興波阻力特性二、船體興波阻力表達式

船體興波阻力必須計及以下三方面產(chǎn)生的波阻：

(1)船橫波中未受干擾部分的波阻；

(2)船首尾橫波干擾后，合成波的阻；

(3)船首尾波系中散波的波阻。整個船體波系的總能量應(yīng)該是首尾橫波系和散波系的能量之和，即1．確定各部分波浪的參數(shù)及其波能3-3

興波阻力特性二、船體興波阻力表達式2．整個船體興波阻力或通過積分得

三、船體興波阻力特性3-3興波阻力特性1、一般規(guī)律

Rw∝v6

Rw∝Fr4

v增加，則Rw迅速增加低速船，Rw比例小；高速船，Rw占比例很大自然興波阻力部分干擾后興波阻力“峰”和“谷”

2、興波阻力組成與興波阻力曲線特點

不利干擾出現(xiàn)“峰”

有利干擾，出現(xiàn)“谷”3-3

興波阻力特性3、不同船型的興波阻力差異3-3興波阻力特性（1）Fr<0.15時,Cw小——低速船，興波阻力成分很?。?）相同F(xiàn)r數(shù)，豐滿船型Cw比瘦削船型大，F(xiàn)r大時更明顯（3）豐滿船型Cw有峰谷現(xiàn)象；瘦削船型在Fr=0.5附近存在峰值區(qū)；Fr＞0.5后，Cw下降3-4興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測一、船型對興波阻力的影響(1)自然興波阻力部分，主要受首尾端部形狀的影響，而首部形狀的影響尤為突出。(2)相同F(xiàn)r數(shù)，豐滿船型Cw比瘦削船型大，F(xiàn)r大時更明顯,且曲線有明顯的峰谷現(xiàn)象。(3)興波阻力第二項值的大小則取決于興波長度mL與波長λ之比，即mL/λ。而興波長度mL與船長、船速、以及船體的肥瘦程度有關(guān)；波長僅與船速有關(guān)。(4)船體形狀，特別是表征船體首尾肥瘦程度的棱形系數(shù)Cp不但直接影響興波的大小，而且對兩橫波的干擾作用有較大的影響。二、?

理論預(yù)測興波干擾3-4興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測V一定（即λ一定）、mL決定首尾橫波相對位置實驗資料表明：當(dāng)q=0.5時，CpL/λ=n－1/4

有利干擾3-4興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測當(dāng)q=0時，CpL/λ=n－3/4不利干擾定義?為船速υ與波長為CpL的波速之比，即?波阻谷點：?波阻峰點：?3-4興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測?理論圖譜?圖中空白部分代表“有利干擾”區(qū)，而陰影部分代表“不利干擾”區(qū)，此圖僅適用于?=1.15以下的情況。

三、應(yīng)用Fr預(yù)測波阻峰點和谷

3-4興波阻力與船型關(guān)系及干擾預(yù)測注意：避免前肩波系與首波系干擾原理：L、Vs確定Fr確定Cp根據(jù)Fr選定設(shè)計時應(yīng)避開波阻峰點，實在無法避開則可采用球鼻首等措施3-5確定興波阻力的方法一、模型實驗二、理論計算方法

線性興波阻力理論三、波形分析法1、Ctm、Cvm—船模實驗+對疊船模實驗2、3-6

減小興波阻力的方法一、減小常規(guī)船興波阻力的方法1.選擇合理的船型參數(shù)2.優(yōu)化船體型線L，Cp，Le3-6

減小興波阻力的方法3.造成有利的波系干擾

4.其他

壓浪板等球鼻首、消波水翼等二、應(yīng)用不同設(shè)計概念減小興波阻力3-6

減小興波阻力的方法1、雙體和多體船二、應(yīng)用不同設(shè)計概念減小興波阻力3-6

減小興波阻力的方法2、使船體抬出水面設(shè)計概念滑行艇、水翼艇、氣墊船二、應(yīng)用不同設(shè)計概念減小興波阻力3-6

減小興波阻力的方法3、船體下潛設(shè)計概念二、應(yīng)用不同設(shè)計概念減小興波阻力3-6

減小興波阻力的方法4、復(fù)合設(shè)計概念3-7破波阻力

瘦削船型肥大型船：

—破波阻力

一、破波的成因3-6

破波阻力1、破波（碎波）

肥大型船在航行中除產(chǎn)生船行波外，在其首部常存在興起后很快破碎的波浪。2、成因：（1）乾崇夫解釋要點：波形：線性波系+非線性波系（凱爾文波系）（水表面沖擊系）

Rw=Rwp+Rwb

水表面沖擊波不穩(wěn)定—破波（2）馬場解釋要點：

3-6

破波阻力運動物體前端自由表面下方存在一層剪切流；該剪切流沿水線引起旋渦（感生渦）；剪切流和感生渦強與吃水、半進角、首端有關(guān)；感生渦強隨速度的增強而增大，肥大型船破波與該渦強有關(guān)。（3）破波阻力3-6

破波阻力破波與波的非線性有關(guān)；破波對于瘦削船型可以忽略，而主要出現(xiàn)在豐滿船型；豐滿船首阻塞作用明顯，首部高壓區(qū)形成陡峭船首波破波的產(chǎn)生和破波引起的阻力稱破波阻力或碎波阻力。

二.破波阻力測定3-6

破波阻力1、尾流測量法測定破波阻力低速：瘦削船型尾流壓力與肥大船型尾流壓力相似

高速：肥大船型尾流壓力變化超出船寬3-6

破波阻力存在兩個尾流區(qū)；主尾流區(qū)—船寬范圍次尾流區(qū)—船寬以外

2、尾流阻力3-6

破波阻力粘性總阻力由粘性引起的耗散在主尾流區(qū)的能量而產(chǎn)生的阻力—船體粘性阻力波浪破碎耗散在次尾流區(qū)的能量而產(chǎn)生的阻力—破波阻力為與船