Движению судов с необычными формами и соотношениями главных размерении

В современном судостроении можно выделить две характер­ные разновидности судов, существенно отличающихся по форме и соотношениям главных размерений корпуса от судов тради­ционных типов. Одну из них составляют особо крупные относи тсльно тихоходные суда с полными обводами: супертанкеры, специализированные суда для перевозки навалочных грузов (балккэриеры) и т. д. Для них характерны высокие значения коэффициента общей полноты (δ = 0,82÷0,85) и невысокое зна­чение числа Фруда (Fr = 0,15÷0,17). Другой разновидностью являются быстроходные суда с острыми обводами, приспособ­ленные для выполнения ускоренных погрузочно-разгрузочных ра­бот и предназначенные для перевозки большегрузных контейне­ров, трейлеров, пакетов и т. д. Из-за специфического располо­жения грузовых помещений в соответствии с требованиями организации грузовых операций, а также для обеспечения ос­тойчивости при перевозке высококубатурных грузов такие суда имеют необычно низкие отношения L/B, равные 5—6, высокие значения В/Т, равные 3,0—3,5 и, как правило, транцевые формы кормовой оконечности.

Особенности обводов полных судов обусловливают новую постановку вопросов при изучении сопротивления движению. Опыт проектирования морских транспортных судов до недав­него времени в значительной мере основывался на результатах экспериментальных и теоретических исследований волнового сопротивления, поскольку вязкостное сопротивление предпола­галось слабо изменяющимся в зависимости от формы корпуса. Однако экспериментальные исследования сопротивления судов с полными обводами позволили установить ряд новых явлений. В частности, полученный в отдельных случаях выигрыш в со­противлении при применении бульбовых или некоторых иных носовых обводов оказывается настолько большим, что не мо­жет быть объяснен снижением только волнового сопротивления, доля которого невелика, а должен связываться и с изменением вязкостного сопротивления.

При движении полных судов с коэффициентом общей пол­ноты 6^=0,75 появляется носовая подпорная волна, которая от­личается от гравитационных поперечных волн у судов с обыч­ными формами обводов и представляет собой местную дефор­мацию свободной поверхности.

Разрушаясь, носовая подпорная волна образует за собой вихревой след, на создание и поддержание которого требуется затрата энергии. Последнее обусловливает дополнительное уве­личение сопротивления судна за счет новой составляющей, по­лучившей название «сопротивление разрушенной волны» (wave breaking resistance). Величина этой составляющей может до­стигать 10—15% полного сопротивления.

Анализ распределения давления в носовой оконечности и величин сопротивления, измеренных на моделях с различными параметрами носового заострения, позволил установить для пол­ных судов с δ> 0,82 прямую зависимость изменения сопротивле­ния от угла входа ГВЛ в воду. Так, для танкеров типа «София» при исходном корпусе с U-образными шпангоутами и углом входа грузовой ватерлинии α_н/2 = 35° в случае уменьшения угла входа до α_н /2 = 25° за счет удлинения носа на 1,3% длины судна достигается уменьшение мощности на 9%. Это составляетэф­фекта, полученного на танкере «Рихард Зорге» за счет заостре­ния ватерлиний и применения бульба, вынесенного за носовой перпендикуляр на 2,7% длины судна. Оставшаяся часть достиг­нутого эффекта при использовании бульбовых обводов может быть объяснена их воздействием на вязкостную составляющую сопротивления.

Таким образом, достаточно действенным средством сниже­ния сопротивления судов с коэффициентом полноты до δ 0.8 является сужение обводов в районе грузовой ватерлинии, кото­рое можно осуществить в заданных размерениях путем заглуб­ления части объемов корпуса с одновременным переносом их вперед за носовой перпендикуляр и образованием бульба та­ранного типа. Такие обводы, способствуя понижению носовой подпорной волны за счет уменьшения величины давления в рай­оне форштевня, при правильном выборе формы бульба обеспе­чивают также снижение вязкостного сопротивления.

Однако заострение ватерлиний не является универсальным средством. При дальнейшем увеличении коэффициента пол­ноты и уменьшении отношения L/B до величин, характерных для современных танкеров, эффективность заострения ГВЛ в сочетании с носовыми бульбами уменьшается. Это объясня­ется тем. что при большой полноте и соответственно малой длине носового заострения уменьшение углов входа ватерлинии приводит к резкому возрастанию кривизны носового плеча ва­терлиний в районе их перехода в цилиндрическую вставку. В результате высота гребня подпорной волны в этом районе также возрастает и, несмотря на уменьшение носовой волны у форштевня, интеграл давлений по носовой оконечности уве­личивается. Помимо этого, вследствие сильного отклонения линий тока в носу наблюдается интенсивное вихреобразование. Оба этих фактора влекут за собой рост сопротивления судна.

Отрыв пограничного слоя в корме до недавнего времени рас­сматривался как единственный возможный источник вихреоб- разования при обтекании корпуса. Такое представление сущест­венно изменилось благодаря интенсивным исследованиям влия­ния формы обводов, и в первую очередь носовых шпангоутов, на сопротивление крупнотоннажных судов. Исследования по­казали, что у моделей полных судов в месте перехода линий тока с борта на днище образуется пара свободных вихрей, ко­торые появляются либо из-за чрезмерного отклонения местной скорости потока от направления движения судна, либо вслед­ствие местного отрыва при обтекании скулы с малым радиу­сом закругления. Модельные испытания свидетельствуют о том, что такая форма образования вихрей оказывает существенное влияние на вязкостное сопротивление.

Для уменьшения потерь энергии на создание подпорной волны у судов с δ>0,82 прибегают к притуплению обводов но­совой оконечности путем применения цилиндрических итаранно- конических форм носа. Такие обводы при больших величинах давления в районе форштевня, но уменьшенной протяжен­ности по длине корпуса области их действия приводят к суще­ственному снижению остаточного сопротивления. При этом, естественно, имеет место сопротивление разрушенной волны. Однако выдвинутые впереди форштевня цилиндрические или таранно-конические бульбы уменьшают интенсивность фронта подпорной волны и тем самым снижают затраты энергии на об­разование вихревого следа.

Представление о характере влияния полноты обводов на вязкостное сопротивление дает рис. 2.21. На графике можно вы­делить три характерные обла­сти значений коэффициента б. В области /, при умеренных зна­чениях δ(<0,8), обеспечивающих условия безотрывного обтекания, справедливы изложенные ранее зависимости вязкостного сопро­тивления от геометрии корпуса и числа Рейнольдса. В области II, при 0,8<δ<0,88, проявляется влияние разрушения подпорной волны, скуловых вихрей и отрыва пограничного слоя. Значения £ф при этом изменяются в широких пределах в зависимости от геометрии корпуса и режимов его обтекания. В области III кормовые обводы настолько полные, что положение точки отрыва практически не изменяется.

Конструктивные особенности специализированных быстро­ходных судов, т. е. контейнеровозов, лнхтсровозов и др., обус­ловливают необходимость применения транцевых кормовых образований. На транцах крепятся конструкции, необходимые для выполнения специфических для этих судов операций-- приема и выгрузки барж, лихтеров, колесной техники и т. п., что вынуждает опускать транцы к воде.

Острые сочленения транца и бортов при обтекании потоком кормы судна приводят к интенсивному вихреобразоваишо и соответственно к увеличению вязкостной составляющей сопро­тивления. Это обстоятельство вынуждает проектантов судов этих типов обращать особое внимание на размеры и формы транцевых кормовых образований, а также на их положение от­носительно воды.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Рис. 2.22. Поперечны» разрез опытового бассейна динамо­метрического типа (с буксиро­вочной тележкой)

Опытовые бассейны. Основным методом определения сопро­тивления воды является испытание модели судна в опытовом бассейне, где производится также отработка форм обводов кор­пуса в целях получения минимального сопротивления, а следо­вательно, максимальной скорости судна при заданной мощности энергетической установки.

Опытовый бассейн представляет собой заполненный водой канал, оборудованный устройствами для буксировки моделей и

измерительной аппаратурой. Раз­личают два вида опытовых бассей­нов — гравитационного типа (с па­дающим грузом) и динамометриче­ского типа (с буксировочной те­лежкой).

Опытовые бассейны динамомет­рического типа (рис. 2.22) иногда называют бассейнами типа Фруда, так как их прототипом явился бас­сейн, построенный В. Фрудом в 1872 г. Такие бассейны имеют сравнительно большие размеры: длину от 100 до 1000 м, ширину от 6 до 16 м и глубину от 3 до 8 м. Максимальная скорость тележки 1 буксирующей модель 2, составляет обычно от 6 до 15 м/с. Модель прикрепляется к тележке, движущейся по рельсам вдоль стенок бассейна, через динамометр, замеряющий ее сопротивление. Еще задолго до исследований Фруда (приблизительно в 1775г.) во Фра ними был построен первый бассейн гравитационного типа. В бассейнах этого типа модель приводится в движение весом свободно падающего груза при помощи бесконечного троса, охватывающего два блока, расположенных по концам ка­нала (рис. 2.23). Сопротивление модели определяется величи­ной груза, а скорость движения замеряется на специальном ба­рабане, связанном с буксировочным тросом. Гравитационные бассейны имеют следующие размеры: длина 10—50 м, ширина 1,5—6 м, глубина 1,0—3,5 м. Принципиальное различие между бассейнами динамометрического и гравитационного типов за­ключается в том, что в первых задается скорость модели и из­меряется ее сопротивление, а во вторых, наоборот, задается (ве­сом груза) сопротивление и измеряется скорость модели.

Первый отечественный бассейн динамометрического типа по­строен в 1898 г. в Петербурге по инициативе Д. И. Менделеева. Модели судов обычно изготовляют из дерева или парафина, в том числе и на деревянной основе.