2015-船舶阻力-兴波阻力

船舶阻力（3）——兴波阻力船舶与海洋工程专业课程主要内容兴波阻力的来源船行波破波船行波与船一起运动的波从船上视角来看，波是定常的在绝对坐标系下，是不断向外传播的船行波波浪基本理论波面方程随着时间推移，波峰向x增大的方向移动即波向x增大的方向传播波幅：A；波高：H=2A波数：k（kλ=2π）角频率：ω（ωT=2π）)cos(tkxA船行波波浪基本理论色散关系推导得波速、波长、周期已知周期T，求波速、波长已知波长λ，求波速、周期已知波速U，求波长、周期kg2船行波波浪基本理论已知波浪水池中需造波波长10米，则造波器的运动周期T需要多少？水足够深船行波波浪基本理论海洋观测中发现，浮标的振动周期约为5.5s，则该海域波浪波长和波速分别是多少？船行波波浪基本理论已知某货船船长150米，航行速度25Kn，则它形成的船行波的波长多少？用船行波波长和船长表示的Fr是多少？船行波波浪基本理论势函数速度分量)sin(tkxeAgkz)cos(tkxeAxvkzx)sin(tkxeAzvkzz船行波波浪基本理论压力分布拉格朗日积分忽略速度（高阶小量）022pgzvt][])cos([)(zegztkxAeggztpkzkz船行波波浪基本理论波浪能一个波长内的动能（宽度b）dzdxvbEk0221dxdzeAbkz220)(21bgA241船行波波浪基本理论波浪能一个波长内的势能（宽度b）动能+势能dzdxgzbEp000221dxgbbgA241bgA221船行波波浪基本理论波浪能传播速度（平均速度）一个周期内通过某截面的波浪能占一个波长内总波能的比例即波浪能传播速度与波速之比一个周期内压力对通过该截面的流体做功船行波波浪基本理论波浪能传播速度（平均速度）][zegpkz)cos(tkxeAxvkzxdtbdzpvWTx0船行波波浪基本理论波浪能传播速度（平均速度）dtbdzpvWTx0dtbdztkxzedtbdztkxAegATkzTkz0022)cos()(cosTkzTkzbdzzedttkxbdzedttkxAgA0022)cos()(cosbgA241船行波船行波的形成原理假想船静止，水流以速度V流向船舶在船的前方形成一个前驻点根据伯努利方程，速度降低，势能增加但并非完全静止，有向上运动的趋势动能没有完全转化为势能gVZA22船行波船行波的形成原理惯性作用下，继续抬升此时已经超过前驻点A因而最高点总在首柱之后船行波船行波的形成原理在重力作用下，抬升的水位还会跌落如此往复运动，形成波浪船行波是重力波船行波船行波的形成原理Kelvin（凯尔文）波单压力点在水面匀速直线运动的波形包含了横波与散波凯尔文角19°28‘船行波船行波的形成原理船行波是一系列波的合集主要有船首压力兴波和船尾压力兴波两个压力兴波都是减速引起的减速后，压力必然升高船尾压力为什么会升高？船行波船行波的形成原理首尾波系的干扰组分：船首横波，船首散波船尾横波，船尾散波主要是首尾横波的干扰有利干扰不利干扰船行波船行波的形成原理首尾波系的干扰首尾波峰间距不一定与船长相等为什么首尾横波波长相等？q影响干扰的效果如果波系加强，则为不利干扰如果抵消，则为有利干扰qnmL船行波船行波的形成原理首尾波系的干扰与Fr数的关系qnmLgvqnmL22)(qnFrm22船行波船行波的形成原理首尾波系的干扰（傅汝德实验）随着船长增大，兴波阻力呈波动随着船长增大，兴波阻力的波动峰值减小这是因为船首横波向后传递的过程中衰减兴波阻力分析兴波阻力与波能的关系兴波阻力做功提供波能也可以说：兴波阻力做功提供新增波的能量新增波波能从哪里来的？在船行前方无波随着船的航行，新的波出现新增波波能来自于一方面是船体克服兴波阻力做功一方面是后方传递过来的波能兴波阻力分析兴波阻力与波能的关系以平面行进波为例假设船体行进了两个波长波能传递了两个波长所含波能的一半即船克服兴波阻力做功为另一半即：兴波阻力做功=1个波长所含波能bgARw24122兴波阻力分析兴波阻力与波能的关系兴波阻力正比于波高平方兴波阻力正比于波宽bgARw241兴波阻力分析兴波阻力的表达组成看B-B截面首横波未干扰部分首尾横波干扰部分首尾散波部分A-A截面截取首波的宽度与B-B截面截取的尾波宽度相同兴波阻力分析兴波阻力的表达设A-A截面首横波波高H1B-B截面尾横波波高H2散波波高H3bb'散波系数Kd首尾波相位差2πq兴波阻力分析兴波阻力的表达首波在B-B截面根据能量守恒干扰部分bHbH2121'')2cos()cos('21qtkxHtkxHH)cos(cos'21HHsinsincoscoscos'221HHHsin)sin(cos)cos'(221HHH兴波阻力分析兴波阻力的表达首波在B-B截面干扰部分sin)sin(cos)cos'(221HHHH222212)sin()cos'(HHHHqHHHH2cos'2'212221qHKHHHK2cos22122212bbK'2兴波阻力分析兴波阻力的表达首波在B-B截面首波未干扰部分宽度b'-b横波总能)'('81)]2cos(2[81212122212bbgHbqHKHHHKgEbqHKHHHg)]2cos(2[81212221兴波阻力分析兴波阻力的表达散波在B-B截面散波部分未知宽度，以系数Kd表示bHgKbqHKHHHgEd2321222181)]2cos(2[81bqHKHHKHHgd)]2cos(2[8121232221兴波阻力分析兴波阻力的表达阻力在2个波长内做的功=新增波能bqHKHHKHHgEd)]2cos(2[8121232221)]2cos(2[21232221qHKHHKHHbRdw兴波阻力分析兴波阻力的表达几个假设波宽b与波长λ成正比（？）推断波长与波速的平方成正比，为什么？波高与波速的平方成正比，为什么？bqHKHHKHHgEd)]2cos(2[81212322216)2cos(vqBARw兴波阻力分析兴波阻力的表达带入船长与波长的关系求阻力系数6)2cos(vmLBARwqnmL6)2cos(vqBARw442)2cos()2cos(21FrmLDCgLvmLDCSvRCww兴波阻力分析兴波阻力的特性阻力系数与Fr数四次方成正比第二项随船长波动即阻力系数曲线会出现波动阻力曲线存在一个大峰值当船长小于波长以后4)2cos(FrmLDCCw兴波阻力分析兴波阻力的特性5432101.02.03.04.05.06.07.0Fr8.0310wC兴波阻力分析船型对兴波阻力的影响讨论船长的影响影响首尾横波的叠加效果棱形系数Cp的影响影响了兴波的效果，兴波会造成更大的力船艏船艉形状的影响影响兴波大小，为什么？兴波阻力分析P理论大量的实验发现自船首横波第一波节点至尾横波第一个波谷之间的距离可以表示为LCp43LCmLp兴波阻力分析P理论有利干扰时，各参数之间的关系如何？43LCmLpqnmL43qnLCp兴波阻力分析P理论构造P函数LCLgCgLgCvPppp222兴波阻力分析P理论波阻峰点，q=0.5波阻谷点，q=0134,94,54,4431nP154,114,74,34411nP兴波阻力分析P理论与傅汝德不同平行中体实验结果一致兴波阻力分析Fr数预测艾亚根据民船船模实验及实船实验得出的主要应用于低速船Fr0.200.2140.2320.2560.2830.3420.6730.7200.7800.8600.9501.15峰/谷峰点谷点峰点谷点峰点谷点Lvs兴波阻力分析关于前肩波对于丰满型的船，船的前肩处将产生前肩波可能是压力突变引起的与首横波发生不利干扰本身也增加了损耗不利干扰航速（有意义吗？）esLv974.1兴波阻力分析计算方法基于实验的在船模阻力实验一章详细讲解基于理论计算的可参照《船舶在波浪中运动的势流理论》基于波形分析无兴波阻力分析减小兴波阻力的方法船长、船艏、棱形系数球鼻艏改变兴波长度、减小破波消波水翼翼后形成波穴双体船尽管湿面积增大但每个片体薄，减小兴波阻力兴波阻力分析减小兴波阻力的方法多体船使片体变窄的同时，产生有利干扰减小排水体积滑行艇、水翼艇通过升力减小排水体积小水线面兴波阻力在水面产生，小水线面可减小兴波阻力，如半潜船，半潜双体船兴波阻力分析破波阻力（wavebreak）多产生于肥大型的船（堵塞效应严重）形成非线性波波峰破碎，出现能量亏损能量的亏损以湍流的形式向外扩散在船后形成动量亏损的尾流兴波阻力分析破波阻力形式1：翻卷兴波阻力分析破波阻力形式2：旋涡兴波阻力分析破波阻力实验证明破波形成的动量亏损向船后传递破波阻力遵循傅汝德定律破波阻力主要与吃水Fr数相关吃水Fr数越高，破波阻力越大即吃水越小的船，破波阻力越大gTvFrT兴波阻力分析破波阻力的测量瘦削船型肥大型船兴波阻力分析破波阻力的测量肥大型船兴波阻力分析破波阻力的测量肥大型船在较高Fr数下，出现超出船宽区域的动量亏损主尾流区次尾流区宽度与Fr数相关兴波阻力分析破波阻力的测量破波尾流的典型形状012dyDGdyDGRr10002vpfRRwbR兴波阻力分析降低破波阻力的措施减小B/T也就是中横剖面看起来尽量瘦一些增加进流道长度绕流平缓，不会产生压力突变，减少破波的出现前伸薄球艏缓慢的生成兴波，减少波陡阻力的分离tR0vRwRwbRwpRvpRfRvRwpRpRfRfRplate:fkR