Волновое сопротивление и корабельные волны.

Волновое сопротивление - это часть проекции на ДП результирующей гидродинамических давлений, возникающих в результате образования судовых волн. Для уяснения сущности волнового сопротивления и связанных с ним явлений целесообразно прежде всего рассмотреть природу образования судовых волн, тем более, что волновое сопротивление занимает особое место в ряду других составляющих по своему влиянию на проектирование судов, их эксплуатацию и перспективу развития.

Судовые волны состоят из двух групп - носовой и кормовой:

Носовая группа зарождается несколько позади форштевня, а кормовая - несколько впереди ахтерштевня. Каждая из этих групп разделяется в свою очередь на две системы волн - расходящихся (с короткими гребнями) и поперечных. Гребни расходящихся волн носовой и кормовой групп располагаются по обоим бортам судна в эшелонном порядке, и если соединить их середины, то получаются практически прямые линии, направленные под углом α =18-20° к ДП судна. Каждый гребень расходящихся волн составляет с ДП угол β =2α. Поперечные волны располагаются между расходящимися вол­нами по нормалям к ДП судна. Первая поперечная волна носовой группы зарождается несколько позади форштевня бугром (гребнем), а первая поперечная волна кормовой группы - несколько впереди ахтерштевня впадиной (подошвой), захватывающей кормовую оконеч­ность. Длина гребня каждой последующей поперечной волны больше, чем предыдущей, а высоты волн соответственно уменьшаются. Носо­вая группа волн обладает большей интенсивностью, чем кормовая, и более ярко выражена. При относительной скорости судна Fr < 0, 15 практически наблюдаются только расходящиеся волны. С увеличе­нием скорости интенсивность поперечных волн возрастает, а расхо­дящиеся волны становятся малозаметными.

Длина поперечной волны (расстояние между соседними гребнями) зависит от скорости судна и для синусоидального профиля опреде­ляется формулой:

где υ _s - скорость судна, уз. Соответственно длина поперечной волны в долях длины судна будет равна:

Изменение скорости движения судна на неограниченной глубине фарватера незначительно сказывается на Структуре расходящихся волн, и взаимодействие носовой и кормовой групп этих волн практи­чески можно не принимать во внимание. Однако сростом скорости длина поперечных волн увеличивается и происходит их интерферен­ция (сложение). При некоторой скорости судна может получиться сов­падение фаз, когда гребни носовых волн накладываются на гребни кормовых волн, в результате чего за кормой судна образуются волны увеличенной высоты (неблагоприятная интерференция). При другой скорости, при обратных фазах, гребни носовых волн уменьшаются (благоприятная интерференция) и интенсивность волнообразования ослабляется.

В результате перераспределения давления по корпусу, вызванного воз­никновением волн, появляется допол­нительная составляющая горизонтальных сил давления, которая и называется волновым сопротивлением. С энергетической точки зрения волновое сопротивление объясняется тем, что на создание и поддержа­ние системы волн необходима затрата определенной энергии.

Резкое увеличение волнового сопротивления с ростом относитель­ной скорости является весьма неблагоприятным фактором, сдержи­вающим рост скоростей судов.

Снижение волнового сопротивления в настоящее время осущест­вляется практически на основе двух принципов: его избежания и по­гашения. Принцип избежания предусматривает отдаление корпуса судна от поверхности воды путем погружения его под воду или подъема его над поверхностью воды. В первом случае степень умень­шения волнового сопротивления зависит от глубины погружения. Принцип погашения предусматривает обеспечение благоприятной интерференции носовой и кормовой групп поперечных волн.

9. Влияние мелководья на полное сопротивление и на картину волнообразования.

Характеристиками движения судна на мелководье являются отно­сительная глубина фарватера H/d и относительная скорость движения

где H - глубина фарватера; d - осадка. Изменение глубины фарватера в сторону уменьшения влияет на все составляющие полного сопротивления воды движения судов. В ос­новном увеличивается волновое сопротивление, частично возрастает вязкостное. В результате влияния относительно близкого грунта (дна фарватера) возрастают скорости обтекания вдоль внешней границы пограничного слоя судна, а также перепады давления вдоль поверх­ности судна и соответственно увеличиваются вязкостные составляющие сопротивления. При H/d > 4 изменение незначительно, однако при H/d = 1, 5-2, 0 вязкостное сопротивление может увеличиться на 10-15 % по сравнению с его значением на глубокой воде. Значительно более существенные изменения претерпевает картина волнообразования на мелководье, которая, как показывают наблюде­ния и теоретические исследования, определяется значением относительной скорости

При скорости судна

характер волнообразования на мелководье практически не отличается от наблюдаемого в условиях неограниченной глубины. По мере дальнейшего увеличения скорости судна при данном отношении H/d длина поперечных волн, образуемых судном, а также угол раство­ра фронта расходящихся волн постепенно увеличиваются.

Это приводит к увеличению площади поверхности воды, покрытой волнами, и соот­ветственно к увеличению волнового сопротивления. Наибольшего значения полное сопротивление движению судна достигает при так называемой критической скорости

когда носовая и кормо­вая системы судовых волн вырождаются в две поперечные (одиноч­ные) волны, движущиеся вместе с судном. При малых значениях H/d эти волны, особенно носовая, имеют значительные амплитуды и на их образование затрачивается много энергии.

Одновременно с образованием одиночных (спутных) волн по мере приближения к критической скорости возникает дифферент судна на корму и возрастает его средняя осадка, что при малых H/d создает угрозу удара судна о дно водоема или даже временного „присоса" его к грунту. Примерный характер изменения дифферента и осадки судна иллюстрируют кривые, приведенные в нижней части рис. 5.8.

В закритической области одиночные носовая и кормовая волны разбиваются на веерообразные пучки расходящихся волн, обращенных выпуклостью наружу. При этом площадь сектора, охваченного волна­ми, убывает с ростом скорости, сопротивление воды уменьшается и примерно при

становится равным сопротивлению на глубокой воде. При дальнейшем увеличении скорости сопротивление на мелководье оказывается меньше, чем на глубокой воде, что объяс­няется главным образом исчезновением поперечных волн, игравших основную роль в образовании волнового сопротивления.

Стесненность фарватера влияет не только на значение сопротивле­ния, но и на посадку судна, на его маневренные качества, поэтому важно выделить долю каждой составляющей сопротивления дви­жению на мелководье, чтобы иметь возможность учесть их влияние на судовождение. Анализ исследований позволил построить график, характеризую­щий границы влияния мелко­водья на вязкостное и волновое сопротивления

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: