2015-船舶阻力-粘性阻力

船舶阻力（2）——粘性阻力船舶与海洋工程专业课程主要内容粘性阻力的特征粘性阻力包含摩擦阻力、粘压阻力pvfvRRR粘性阻力的特征摩擦阻力由边界层流动引起的边界层的基本理论由于粘性作用在物体表面形成的薄层薄层内速度小于主流区，一般划定99%U处为边界层的边界线随着发展逐渐变厚粘性阻力的特征摩擦阻力边界层的基本理论边界层的发展与Re数相关随着Re数的增加，逐渐从层流发展为湍流层流过渡湍流（平板）层流过渡湍流（平板）510)0.5~5.3(61034105.35105粘性阻力的特征摩擦阻力边界层的基本理论层流流动稳定，易估算湍流流动不稳定形成许多不同尺度的涡难以计算粘性阻力的特征摩擦阻力工程问题在相当高Re数下边界层理论偏差较大实船与船模Re数对比船模长2米，航速2m/s实船长100米，航速15Kn粘性阻力的特征摩擦阻力工程问题数值计算的结果受限于湍流模型的准确性小型分离加剧自由液面的泡沫飞溅粘性阻力的特征摩擦阻力工程问题尺度的影响十分明显大尺度的实验开展非常困难影响因素过多船模粘性阻力的特征粘压阻力途径1：流动分离途径2：边界层使流场发生变化边界层厚度引起外部势流变化，压力变化例如尾部为扩张流，增压，边界层使扩张效果减弱与船体曲面相互作用，曲率的存在产生压差，导致船体表面压力变化摩擦阻力的计算Re数是主要影响因素以平板摩擦阻力为基础，修正其他影响参数平板摩擦阻力原理根据应力根据动量定理dxbdSRfdyuvubRf0)(边界层内主流摩擦阻力的计算平板摩擦阻力原理根据动量定理动量定理进口流量，通量上方流量，通量出口流量，通量dyuvubRf0)(vuvSdVuFbv2bvdyub0dyub02bvdyub0vm摩擦阻力的计算平板摩擦阻力原理根据应力根据动量定理dxbdSRfdyuvubRf0)(dyuvudx0)(dxdvdyvuvudxdvdyuvudxd2020)1()(动量损失厚度，与边界层厚度相关摩擦阻力的计算平板摩擦阻力原理理论结果XCf2摩擦阻力的计算光滑平板层流摩擦阻力公式Blasius（1908）（布拉修斯）（普拉修斯）（勃拉齐）不适用与湍流基本不适用与船舶与海洋工程212Re328.121SvRCff摩擦阻力的计算光滑平板湍流摩擦阻力速度指数分布速度对数分布Schoenherr（桑海）（1947ATTC）Prandtl-Schlichting（普朗特-许力汀）Hughes（休斯）51Re074.0fC6.2Re)(lg4631.0fC58.2Re)(lg455.0fC2)03.2Re(lg066.0fC摩擦阻力的计算光滑平板湍流摩擦阻力1957ITTC过渡流2)2Re(lg075.0fCRe/1700Re)(lg455.058.2fC摩擦阻力的计算光滑平板湍流摩擦阻力051015203.644.44.85.25.666.46.87.2层流指数桑海普朗特-许力汀休斯ITTC1957过渡流摩擦阻力的计算光滑平板湍流摩擦阻力2.533.544.555.565.45.65.866.26.46.66.877.2层流指数桑海普朗特-许力汀休斯ITTC1957过渡流摩擦阻力的计算光滑平板湍流摩擦阻力阻力系数的普遍公式从湍流边界层基本特征出发推导而来通过级数展开fffCAACACA)2(2ln21Reln2摩擦阻力的计算相当平板假设实船或船模其阻力与同速度、长度、湿面积平板相等显然，由于实船和船模的Re数不同，其摩擦阻力系数是不同的称为尺度效应摩擦阻力的计算相当平板假设，忽略了表面粗糙度的影响油漆的影响（跟材料相关）焊缝的影响（局部粗糙度）船体表面弯曲的影响造成流速分布不均匀二次流（流动变向、旋涡分离）摩擦阻力的计算船体表面弯曲影响摩擦阻力的修正产生的主要原因由于船底突出，使流动加速，导致船底压力降低，使船的吃水发生变化，影响了湿表面积修正公式TBCBLRRpff103.1)35.0(5.25)25.11(01.02摩擦阻力的计算船体表面弯曲影响摩擦阻力的修正影响较小1%~3%一般归于粘压阻力摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正一般粗糙度（油漆）当Re数不同，边界层厚度不同粗糙度的影响也不同摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正Re数较低（水动力光滑）边界层厚度远大于粗糙度，对阻力无影响中等Re数有一定的影响，阻力增量随Re增大而增大开始影响层流底层摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正高Re边界层厚度小于粗糙度，粗糙度占主要影响阻力增量几乎不随Re数变化摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正一般用粗糙度与船长之比来衡量粗糙度的影响678910Relg123456Lk310frC410510610710摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正米哈依洛夫修正公式7.058.296.1lg208.01Re)(lg455.0vkCf2000100vk摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正傅汝德公式依据漆面平板实验得出（小于15.24m）外推到实船存在困难缺乏理论依据825.194.101SvfRf)]C15(0043.01[68.2258.01392.0otLf摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正局部粗糙度铆接船（几乎不见）焊接横缝的影响大于纵缝的影响，因为横缝对边界层发展产生影响摩擦阻力的计算船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正一般采用粗糙度补贴系数来进行处理的简单取法0.4‰实在大量测试的基础上得出的1957ITTCSvCCRfff221)(fC3311064.0)(105LkCsf摩擦阻力的计算污底污底产生的原因寄生（海藻、贝类）在淡水中使其自然脱落涂防污漆，含有微量毒素进坞清除要考虑海域、季节的影响锈蚀涂防锈漆摩擦阻力的计算减小摩擦阻力的方法从船本身减小排水量，减小湿表面积减小设计重量、升力型、气垫型减少附体从改善边界层流动减小粗糙度喷水、喷气特种涂层（高分子材料、微小沟槽）摩擦阻力的计算计算步骤1）计算湿表面积2）计算雷诺数3）计算摩擦阻力系数Cf4）决定粗糙度补贴系数ΔCf一般取0.00045）SvCCRfff221)(摩擦阻力的计算1）计算湿表面积精确积分dLlS2半围长l0wlL尽管船身是弯曲的，但不用考虑曲面在横向的分离，因为阻力从样只是在纵向的分量摩擦阻力的计算1）计算湿表面积经验公式荷兰瓦根宁船池我国长江船型交通部，江船3131)5.04.3(bpLS)8.1(BCTLSbwl)8.1(6459BCTTB-LSbwl摩擦阻力的计算1）计算湿表面积经验公式图谱法wlsLCS粘压阻力的计算粘压阻力的成因理想流体不存在粘压阻力前半段减压，后半段增压，理论分析表明合力为零考虑粘性后，压力分布发生变化前半段仍然是减压后半段增压效果减弱有粘性的原因也有流动分离的因素粘压阻力的计算粘压阻力的成因p理想粘性粘性粘压阻力的计算影响粘压阻力的因素后体形状不能收缩过快，否则容易出现分离导致的阻力增大前体形状（过度肥胖）流动加速过快，更容易出现分离引发二次流（三维问题）流动总是向更容易流动的区域流动从而引起二次流涡粘压阻力的计算影响粘压阻力的因素粘压阻力的计算影响粘压阻力的因素巴甫米尔估算rmmpvLASAC209.0中横剖面面积去流段长度粘压阻力的计算影响粘压阻力的因素边界层状态层流更容易分离层流的粘性影响更大粘性阻力的测量尾流测量法0,pvs0,pv11,pv测量面远方来流远方尾流粘性阻力的测量尾流测量法远方来流速度均匀（航速），压力均匀（大气压）远方尾流速度分布，压力均匀（大气压）测量面速度分布，压力分布粘性阻力的测量尾流测量法动量定理在远方尾流面上积分问题：远方尾流面上速度较小，不容易测量准确对测量段的要求比较高dAvvvRsv)(粘性阻力的测量尾流测量法在测量面上实际可测量为测量面上的总压和静压dAvvvRsv)(dAvvvs)(1dAvvvvvsss)1(22112G1p粘性阻力的测量尾流测量法实际测得量实际可测量为测量面上的相对总压相对静压0pG01ppdAvvvvvRsssv)1(22112粘性阻力的测量尾流测量法伯努利方程Gpvpv1210221210221pGv102)(2GpGv01212)(21ppvv)(2)]()[(2110101PGpppGv粘性阻力的测量尾流测量法伯努利方程12Gv)(2111PGvdAvvvvvRsssv)1(22112dAGGPG)(210112021svG粘性阻力的测量尾流测量法尾流的情况