Волновое сопротивление - это форма сопротивления, которая воздействует на надводные плавсредства, такие как лодки и корабли, и отражает энергию, необходимую для отталкивания воды от корпуса. Эта энергия идет на создание волны.
Физика [ править ]
Для корпусов небольшого водоизмещения , таких как парусные или гребные лодки, сопротивление созданию волн является основным источником сопротивления морского судна .
Важное свойство водных волн - дисперсность; т. е. чем длиннее волна, тем быстрее она движется. На волны, генерируемые кораблем, влияют его геометрия и скорость, и большая часть энергии, выделяемой кораблем для создания волн, передается воде через носовую и кормовую части. Проще говоря, эти две волновые системы, т. Е. Носовая и кормовая волны, взаимодействуют друг с другом, и возникающие в результате волны несут ответственность за сопротивление.
Фазовая скорость глубоководных волн пропорциональна квадратному корню из длины волны генерируемых волн, а длина судна вызывает разницу фаз волн, генерируемых носовой и кормовой частями. Таким образом, существует прямая зависимость между длиной ватерлинии и величиной волнового сопротивления. Скорость распространения волны, которая означает то же самое, что и фазовая скорость глубоководной волны, не зависит от длины корпуса, вызывающего волну, но зависит от скорости корпуса.
Простой способ учесть волновое сопротивление - посмотреть на корпус по отношению к носовой и кормовой волнам. Если длина корабля равна половине длины генерируемых волн, результирующая волна будет очень маленькой из-за подавления, а если длина такая же, как длина волны, волна будет большой из-за усиления.
Фазовая скорость волн определяется следующей формулой:
где - длина волны и ускорение свободного падения. Подстановка соответствующего значения для дает уравнение:
или в метрических единицах:
Эти значения, 1,34, 2,5 и очень простой 6, часто используются в практическом правиле скорости корпуса, используемом для сравнения потенциальных скоростей водоизмещающих корпусов, и это соотношение также является фундаментальным для числа Фруда , используемого при сравнении судов различных масштабов. .
Когда судно превышает «отношение скорости к длине » (скорость в узлах, деленная на квадратный корень из длины в футах), равное 0,94, оно начинает опережать большую часть своей носовой волны., корпус фактически немного оседает в воде, поскольку теперь он поддерживается только двумя пиками волн. Поскольку отношение скорости к длине судна превышает 1,34, длина волны теперь больше, чем у корпуса, и корма больше не поддерживается следом, в результате чего корма приседает, а носовая часть поднимается. Корпус теперь начинает набирать высоту собственной носовой волны, и сопротивление начинает расти с очень высокой скоростью. Хотя возможно управлять водоизмещающим корпусом быстрее, чем отношение скорости к длине 1,34, это непомерно дорого. Большинство крупных судов работают с соотношением скорость-длина намного ниже этого уровня, с соотношением скорость-длина менее 1,0.
Способы уменьшения волнового сопротивления [ править ]
Поскольку волновое сопротивление основано на энергии, необходимой для отталкивания воды от корпуса, существует несколько способов минимизировать это.
Уменьшенное смещение [ править ]
Уменьшение смещения аппарата за счет устранения лишнего веса - самый простой способ уменьшить волновое сопротивление. Другой способ - придать корпусу такую форму, чтобы он создавал подъемную силу при движении в воде. Это делают полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса, они способны преодолевать скоростной барьер корпуса и переходить в область, где сопротивление увеличивается гораздо медленнее. Недостатком этого является то, что глиссирование практично только на небольших судах с высоким соотношением мощности к весу, таких как моторные лодки. Это непрактичное решение для большого судна, такого как супертанкер .
Хорошая запись [ править ]
Корпус с тупым носом должен очень быстро отталкивать воду, чтобы пройти сквозь нее, а такое высокое ускорение требует большого количества энергии. При использовании тонкого лука с более острым углом, который более плавно отталкивает воду, количество энергии, необходимое для вытеснения воды, будет меньше. Современная вариация - это волновая конструкция. Общее количество воды, которое вытесняется движущимся корпусом и, таким образом, вызывает волновое сопротивление, представляет собой площадь поперечного сечения корпуса, умноженную на расстояние, которое проходит корпус, и не останется прежним, когда призматический коэффициент увеличивается для тех же значений lwl и такое же смещение и та же скорость.
Луковичный лук [ править ]
Особый тип лука, называемый луковицей , часто используется на крупных моторных судах для уменьшения волнового сопротивления. Колба изменяет волны, создаваемые корпусом, изменяя распределение давления перед носом. Из-за природы его деструктивного взаимодействия с носовой волной существует ограниченный диапазон скоростей судна, при котором он эффективен. Выпуклая носовая часть должна быть правильно спроектирована, чтобы уменьшить волнообразное сопротивление конкретного корпуса в определенном диапазоне скоростей. Лампа, которая работает для одной формы корпуса и одного диапазона скоростей, может нанести ущерб другой форме корпуса или другому диапазону скоростей. Поэтому при проектировании луковичной носовой части необходимы надлежащая конструкция и знание предполагаемых рабочих скоростей и условий эксплуатации судна.
Фильтрация формы корпуса [ править ]
Если корпус спроектирован для работы на скоростях, существенно меньших, чем скорость корпуса, то можно улучшить форму корпуса по его длине, чтобы уменьшить волновое сопротивление на одной скорости. Это практично только там, где коэффициент блочности корпуса не является существенной проблемой.
Полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса [ править ]
Так как корпуса с полувмещением и глиссированием создают значительную подъемную силу во время работы, они способны преодолевать барьер скорости распространения волн и работать в областях гораздо меньшего сопротивления, но для этого они должны быть способны сначала преодолеть это скорость, требующая значительной мощности. Эта стадия называется переходной, и на ней уровень волнового сопротивления самый высокий. Как только корпус преодолевает выступ носовой волны, скорость увеличения волнового сопротивления начнет значительно снижаться. [1] Корпус глиссирующего судна поднимется, освобождая корму от воды, и его дифферент будет высоким. Подводная часть глиссирующего корпуса будет небольшой в режиме глиссирования. [2]
Качественная интерпретация графика волнового сопротивления заключается в том, что водоизмещающий корпус резонирует с волной, имеющей гребень около носа и впадину около кормы, потому что вода отталкивается на носу и отводится назад на корме. Глиссирующий корпус просто толкается на воду под ним, так что он резонирует с волной, имеющей желоб под собой. Если его длина примерно вдвое больше, значит, он будет иметь только квадратный корень (2) или в 1,4 раза больше скорости. На практике большинство глиссирующих корпусов обычно движутся намного быстрее. При четырехкратной скорости корпуса длина волны уже в 16 раз длиннее корпуса.
См. Также [ править ]
- Сопротивление корабля и движение
- Корпус (плавсредство) # Категория
- Скорость корпуса
Ссылки [ править ]
- ^ Сквайр, H. B (1957). «Движение простого клина по поверхности воды». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 243 (1232): 48–64. Bibcode : 1957RSPSA.243 ... 48S . DOI : 10.1098 / rspa.1957.0202 . JSTOR 100279 .
- ^ Sukas, Омер Фарук; Киначи, Омер Кемаль; Чакичи, Ферди; Гекче, Метин Кемаль (2017-04-01). «Гидродинамическая оценка глиссирования корпусов с использованием выносных решеток». Прикладные исследования океана . 65 : 35–46. DOI : 10.1016 / j.apor.2017.03.015 . ISSN 0141-1187 .
- По теме высокоскоростных однокорпусных судов Дэниел Савицкий, заслуженный профессор лаборатории Дэвидсона, Технологический институт Стивенса.
