РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ НА ХОДКОСТЬ СУДНА

Ходкость судна определяется его способностью достичь определенной скорости по направлению движения во время плавания при воздействии на него движущей силы. Для оценки ходкости необходимы данные о сопротивлении воды и воздуха при движении судна, а также о характеристиках двигателей, обеспечивающих движущую силу. Практические методы - это способы расчета, которые позволяют определить сопротивление воды и полезную тягу с удовлетворительной точностью и в разумные сроки, предназначенные для использования в программных средствах для оценки экономичности движения судов.

Большинство практических методов расчёта сопротивления исходят из следующей формулы:

R = 0,5 r W x(Fr, Re) v2;                                                                                       (1)

где v - скорость судна, W - площадь смоченной поверхности корпуса, r - плотность воды, Fr и Re числа Фруда и Рейнольдса соответственно, определяемые как

L= n*gR                                                                                                    (2)

где L - длина судна, n - кинематическая вязкость воды, g - ускорение свободного падения.

Таким образом, основная задача заключается в определении безразмерного коэффициента сопротивления, который зависит от чисел Fr и Re, а также от геометрии корпуса. Исходя из экспериментальных данных и теоретических оснований, сопротивление движению в воде разделяется на три типа: трение, форму и волновое.

Сопротивление трения определяется касательными напряжениями вдоль поверхности корпуса и зависит от числа Re. Сопротивление формы объясняется вязкостью жидкости и распределением давления по поверхности, также зависит от числа Re. Волновое сопротивление характеризуется силой давления жидкости на поверхность и зависит от числа Fr. Часто эти виды сопротивления объединяют в группы в зависимости от причин их возникновения.

• остаточное сопротивление = сопр. формы + волновое сопр.;

• вязкостное сопротивление = сопр. трения + сопр. формы.

В соответствии с данным разделением рассматриваются одноимённые коэффициенты сопротивления.

Коэффициент сопротивления трения может быть определён из выражения:

xf  =  0,455 (lg Re) -2,58.                                                                                     (3)

Формула (3) - это известная формула Прандтля-Шлихтинга. Она получена на основании приближённых моделей пограничного слоя. Существуют и другие формулы, однако, можно сказать, что существенной разницы для решения задач экономичности движения между этими формулами нет.

Способ расчёта других коэффициентов сопротивления будет зависеть от метода. Все приближённые методы расчёта различаются между собой способом вычисления коэффициента сопротивления формы и волнового коэффициента.

В методе Карпова рассчитывается коэффициент остаточного сопротивления, причём структура формулы для вычисления остаточного сопротивления принимается иной, чем в (1):

Rост = k(Fr,d,B/T) gDFr3;                                                                                      (5)

где D - масса судна. Для коэффициента k приводится серия графиков, полученных в результате испытаний.

Метод пересчёта по прототипу требует наличия кривой зависимости коэффициента остаточного сопротивления от числа Fr для судна, имеющего подобную форму обводов - прототипа. Степень близости обводов прототипа может оцениваться по разному, например по близости соотношений L/B, B/T и d. Исходя из этих трёх величин, выбирается наиболее подходящий прототип, а кривая коэффициента остаточного сопротивления корректируется согласно эмпирическим графикам, зависящим от L/B, B/T,  и Fr. Этот метод не является физически обоснованным, но в литературе считается, что при наличии близкого прототипа метод даёт очень хорошие результаты.

Как видно из данных, разница в сопротивлении составляет 11%. Это означает, что использование этих методов в моделях пропульсивного комплекса возможно только после проведения натурных испытаний, которые позволят минимизировать ошибку. Основная цель этих методов расчета заключается в правильном описании гидродинамических процессов. Более точная оценка погрешности расчета сопротивления воды определенным методом на основе фактических данных выходит за рамки данного обзора и нашей компетенции

Из существующих методов расчёта гребных винтов (ГВ) наиболее подходящим для решения задач экономичности движения судов является известный метод Папмеля,  согласно которому упор ГВ P и момент на винте M представляются в виде:

P = rK1D4w2;

M = rK2D5w2;                                                                                                (6)

где D - диаметр ГВ, w - частота вращения ГВ. Для вычисления коэффициентов  K1 и  K2 используются специальные диаграммы Папмеля, полученные на основе испытаний.

Для определения полезной тяги движителей и момента на винте необходимо также определение коэффициентов взаимодействия с корпусом, для чего используются различные эмпирические формулы.

Список литературы:

1. Анфимов В.Н., Ваганов Г.И., Павленко В.Г. Судовые тяговые расчёты. – М.: Транспорт, 1978. – 216 с.
2. Басин А.М., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна. - Л.: Речной транспорт, 1961. – 684 с.
3. Басин А.М., Веледницкий И.О., Ляховицкий А.Г. Гидродинамика судов на мелководье. – Л., Судостроение, 1976. – 320 с.
4. Басин А.М., Миниович И.Я. Теория и расчёт гребных винтов. – Л.: Судпромгиз, 1963. – 760 с.
5. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. - М.: Транспорт, 1977. – 456 с.
6. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов. – Л.: Судостроение, 1982. – 288 с.
7. Капитонов И.В. Определение на ЭЦВМ ходовых характеристик судов. М.: Транспорт, 1982. – 199 с.