Основные сведения из гидромеханики

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ.

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Физические процессы, обуславливающие сопротивление воды движению судна, весьма сложны. Трудности гидродинамичес­кого и математического характера не позволяют пока с необхо­димой для практики точностью определять ходовые качества судна аналитическим путем. Поэтому практические методы ко­личественной оценки сопротивления воды основываются на ре­зультатах модельных испытаний, проводимых в специальных гидродинамических лабораториях — опытовых бассейнах. Для постановки эксперимента на моделях, обеспечивающего количественное­

прогнозирование ходовых качеств судна, потребова­лось установить системы безразмерных параметров, определяю­щих изучаемые явления и служащих критериями подобия фи­зических процессов в модельных и натуральных условиях.

Обоснование условий, при которых должны проводиться модельные испытания, и вывод расчетной схемы пересчета ре­зультатов модельных испытаний на натурные условия могут быть получены из теории подобия, основы которой излагаются ниже. Для соблюдения механического подобия явлений, про­исходящих в натурном объекте и его модели, требуется одно­временное выполнение трех видов подобия — геометрического, кинематического и динамического.

Потоки жидкости, обтекающие две подобные системы — судно и его модель, состоят из бесконечного числа точек. Срав­нивая попарно точки, занимающие одинаковые относительные положения в той и другой системе, будем называть их сходст­венными точками, а расстояния между сходственными точками в каждой системе — сходственными размерами. К числу сход­ственных относятся, в частности, главные размерения судна и модели — длина, ширина, осадка и др.

Потоки жидкости, обтекающие натурное судно и его модель, считаются геометрически подобными, если в них все сходствен­ные линейные размеры находятся в одном и том же соотноше­нии. Например,

= = l (2.14)

где / — модуль, или масштаб, геометрического подобия.

При соблюдении геометрического подобия отношение сход­ственных площадей натуры и модели равно квадрату масштаба подобия, а сходственных объемов — его третьей степени:

⁼ l²; ; 2.15

Потоки жидкости, обтекающие натурное судно и его модель, будут кинематически подобными, если при геометрическом по­добии систем их сходственные точки описывают геометрически подобные отрезки траекторий в течение сходственных проме­жутков времени T_ни T_м, находящихся в постоянном отно­шении

(2.16)

Здесь t — масштаб времени.

В кинематически подобных системах отношение скоростей сходственных точек v„ и v_M в сходственные моменты времени постоянно и равно отношению масштабов размеров и времени:

.(2.17)

Кинематически подобные потоки будут динамически подоб­ными, если отношение масс геометрически подобных сходствен­ных объемов одинаково в обеих системах

2.18

Если считать в общем случае, что плотности ρ_н и ρ_м жидкостей, омывающих натурное судно и его модель, находятся в отно­шении r, то, полагая M_H = ρ_нV_н и M_M =ρ_мV_M получаем

 

m = = rl³

2.19

Теперь найдем соотношение сил R_H и R_M действующих на сходственные массы и в двух динамически подобных сис­темах. Полагая, согласно закону Ньютона,

R_H = M_H и

 

Находим

 

 

(2.20)

 

Эта формула определяет соотношение любых сил, действующих в потоке жидкости, в том числе сопротивления воды движению судна и его модели.

Полагая выражение (2.20)

записывают обычно в форме

 

(2.21)

Это выражение позволяет написать общую формулу для пол­ного сопротивления воды движению судна:

(2.22)

где ζ — коэффициент полного сопротивления; ρ — плотность за­бортной воды; v — скорость судна; Ω — смоченная поверхность судна.

Выясним конкретные требования, выполнение которых обес­печивает равенство (2.21). Для этого рассмотрим два частных случая, когда в потоке играют преобладающую роль явления, вызванные весомостью жидкости, и когда преобладают явления, вызванные ее вязкостью.

В первом случае следует принять и R_M где g —ускорение силы тяжести. Тогда

(2.23)

 

Приравнивая правые части выражений (2.20) и (2.23), полу­чаем

(2.24)

 

(2.25)

Это равенсто может быть записано в форме

Выражение Fr= называют числом Фруда. Оно является одним из важнейших критериев механического подобия и характеризует отношение инерционных сил, действующих в ди­намически подобных системах, к силам тяжести.

Выражение (2. 25) позволяет также сформулировать законподобия Фруда: в двух динамически подобных системах, в ко­торых действуют только силы тяжести, числа Фруда должны быть равны между собой.

Во втором случае воспользуемся выражением для касатель­ных напряжений, действующих в потоке жидкости,

. 2.26

Отношение сил вязкостной природы, действующих в потоках, обтекающих судно и его модель, получает в этом случае выра­жение

2.27

Приравнивая правые части выражений (2.20) и (2.27), по­лучим

 

(2.28)

(2.29)

 

Это равенство может быть записано в форме

Выражение называется числом Рейнольдса. Оно так­же является критерием механического подобия и характеризует отношение инерционных сил, действующих в динамически по­добных системах, к силам вязкостной природы.

Выражение (2.29) позволяет также сформулировать законподобия Рейнольдса: в двух динамически подобных системах, в которых действуют только силы вязкостной природы, числа Рейнольдса должны быть равны между собой.

Число Фруда является не только критерием подобия, но и мерой скорости судна — его относительной скоростью. В част­ности, число Фруда (в различных его модификациях) характери­зует все переходные режимы движения судна, а также плавание на мелководье. Так, разделение степени быстроходности судов при различных режимах движения (плавание, глиссирование, режим выхода на подводные крылья) осуществляется на базе числа Фруда

2-30

Здесь в качестве линейной характеристики служит кубичский корень из объемного водоизмещения судна, выраженного в ку­бических метрах.

Режим плавания судна на мелководье, определяемый в ос­новном волнообразованием, также характеризуется модифици­рованным критерием Фруда

2.31

где Н — глубина фарватера, м.

При движении судна кроме гидростатической силы плаву­чести возникает также вертикальная гидродинамическая сила поддержания R_Z (которой в статике, судна пренебрегали); поэтому в общем случае уравнение вертикального равновесия движущегося судна будет иметь вид

2.32

В связи с этим могут иметь место три режима движения надвод­ного судна по поверхности воды, характеризуемые следующими (приблизительными) значениями Fry:

Y плавание (Fr_V < 1). Сила R_Z при этом пренебрежимо мала, и уравнение вертикального равновесия судна имеет вид

2.33

Y переходный режим (l<Fr_V<3). Гидродинамическая сила R_Z постепенно возрастает, и пренебрегать ею уже нельзя. Урав­нение вертикального равновесия имеет наиболее общий вид

; 2.34

3) глиссирование (Fr_V>3). Гидростатическая сила плаву­чести γV практически исчезает, и уравнение вертикального рав­новесия приобретает вид

P=R_Z. 2.35

Переход на подводные крылья происходит при Fr_V ≈ 2,2÷2,7.

§ 10. СОСТАВЛЯЮЩИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ СУДНА. БУКСИРОВОЧНАЯ МОЩНОСТЬ

Судно при своем движении выводит массы воды из состояния покоя и воспринимает реакцию в виде гидродинамических сил, распределенных по наружной поверхности его обшивки. По­скольку судно симметрично относительно его диаметральной

Рис. 2.5. Силы и моменты, действующие на судно на ходу

 

плоскости, то действие гидродинамических сил реакции воды может быть сведено к одной равнодействующей силе F, лежа­щей в диаметральной плоскости и моменту М, действующему в той же плоскости (рис. 2.5). Горизонтальная составляющая R силы F является силой сопротивления воды; она уравновеши­вается полезной тягой движителя.

У больших и относительно тихоходных судов вертикальная составляющая R_Z и момент М малы, и можно считать, что по­ложение судна на ходу остается практически таким же, как в покое.

Для рассмотрения природы сил сопротивления воды выделим на подводной (смоченной) поверхности судна элементарную площадку dΩ (рис. 2.6). Будем считать, что со стороны жид­кости на эту площадку действует горизонтальная составляющая элементарной гидродинамической силы, которую можно раз­ложить на нормальную и касательную составляющие. Нормаль­ную составляющую силы, приходящуюся на единицу площади, называют гидродинамическим давлением p, а касательную сос­тавляющую, отнесенную к единице площади,— касательным на­пряжением сил трения т.

Проинтегрировав по всей смоченной поверхности судна Ω проекции на ось х элементарных касательных сил , получим

выражение для сопротивления трения, обусловленного вязко­стью жидкости,

(2.36)

Проинтегрировав по всей смоченной поверхности судна Q проек­ции на ось X элементарных сил гидродинамического давления pdΩ, получим выражение для сопротивления давления

. 2.37

Расчет сопротивления воды с помощью зависимостей (2. 36) и (2.37) очень сложен. Оборудование современных гидродина­мических лабораторий позволяет измерять давление и местные

Рис. 2.6. Элементарные силы, действующие на подводную поверхность корпуса движущегося судна

 

силы трения на корпусе моделей только в исследовательских целях. Поэтому разложение полного сопротивления на состав­ляющие по способу приложения сил хотя физически вполне обоснованно, но оказывается малопригодным на практике для исследования закономерностей изменения и количественного определения величины сопротивления. «Наиболее существен­ным является то обстоятельство, что сопротивление давления включает в себя силы различной природы, подчиняющиеся разным законам подобия. Поэтому при исследовании влияния формы обводов на величину сопротивления и изучении проблемы моделирования предпочтительнее подразделять сопротивление, в соответствии с природой действующих сил, на вязкостную составляющую, зависящую от числа Рейнольдса, и гравитацион­ную составляющую (волновое сопротивление), зависящую от числа Фруда:

(2.38)

В этом случае вязкостная составляющая кроме сопротивления трения включает и часть сопротивления давления вязкостной природы — так называемое сопротивление формы:

R _v = R₁ + R_ф (2.39)

Таким образом, полное сопротивление воды движению судна можно записать в виде суммы трех основных составляющих

; (2.40)

здесь первые две составляющие (вязкостной природы) подчиня­ются закону подобия Рейнольдса, а третья составляющая (вол­новое сопротивление) обусловлена гравитационными силами и подчиняется закону подобия Фруда.

Надводная часть судна движется в воздухе. Поэтому к рас­смотренным трем составляющим сопротивления воды следует прибавить вязкостную составляющую сопротивления воздуха: Кроме того, в реальных условиях эксплуатации судно теряет энергию на преодоление влияния метеорологических факторов (волнение, течение) и ледовых условий плавания; в подводной части судна имеются выступающие части, создающие дополни­тельное сопротивление.

Таким образом, в более развернутой форме полное сопротив­ление судна должно быть представлено в виде следующей суммы:

, (2.41)

где кроме указанных ранее обозначений R_M — сопротивление, обусловленное действием метеорологических факторов; R_Л — сопротивление льда; R_a — сопротивление выступающих частей.

Составляющие сопротивления движению судна     Значение составляющей, 96 Форма представления сопротивления   Составляющие полного сопротивления Тихоходные суда — крупно­тоннажные тан­керы и рудовозы Fr = 0,16 -5- 0,18 Быстроходные контейнеровозы н пассажирские суда Fr = 0,25-5- 0,30 По свойству среды Вязкостное сопротивле­ние Гравитационное (волно­вое) сопротивление     По форме приложения сил Сопротивление трения » давления: вязкостной природы (формы) волновое воздушное

 

Буксировочная мощность судна. Мощность EPS (Effective Pferde Starke), необходимая для преодоления силы сопротив­ления при буксировке с заданной скоростью, равна секундной работе этой силы:

(2.42)

здесь R — сопротивление среды, кгс [ kH]; v — скорость судна, м/с.

Сила сопротивления R натурного судна может быть опре­делена непосредственно путем измерения динамометром натяже­ния буксирного каната при буксировке судна (со снятым дви­жителем). Поэтому эффективную мощность, определяемую фор­мулой (2.42), обычно называют буксировочной мощностью судна.

В табл. 2.1 приведены соотношения отдельных составляю­щих полного сопротивления для судов различных типов.

§ 11. ВЯЗКОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Пограничный слой. Поток вязкой жидкости, обтекающий судно или какое-либо другое тело, принято условно разделять на три области (рис. 2. 7):

область I — пограничный слой — непосредственно прилегаю­щая к телу зона, в которой свойства вязкости жидкости прояв­ляются наиболее интенсивно;

область II — область потенциального потока, в которой силы вязкости утрачивают свое значение и жидкость можно рассмат­ривать как идеальную;

область III — область гидродинамического следа, в которой частицы еще подтормаживаются телом, но скорости их стре­мятся выравняться за счет взаимодействия с внешним потоком.

В пограничном слое происходит интенсивное изменение ско­рости потока от нуля на поверхности тела до скорости внеш­ней среды на границе слоя. Поперечный размер пограничного слоя характеризуется его толщиной б, которая определяется как расстояние от стенки тела до точки со скоростью, составляющей 99,5% скорости потока.

Режим движения жидкости в пограничном слое характери­зуется местным числом Рейнольдса

(2.43)

где x — отстояние данного сечения от носовой оконечности тела. В зависимости от числа Рейнольдса Re _x поток в пограничном слое может быть ламинарным и турбулентным.

Движение жидкости внутри пограничного слоя может быть исследовано теоретически, причем это исследование позволяет произвести расчеты параметров пограничного слоя и определить

в конечном счете результирующую проекций напряжений сил трения на направление движения, т. е. силу трения R_f и резуль­тирующую проекций сил давления вязкостной природы на на­правление движения, т. е. сопротивление формы сумма ко­торых составляет вязкостное сопротивление.

Чтобы произвести расчет элементов пограничного слоя, т. е. определить закон изменения б вдоль поверхности, необходимо знать закон распределения скоростей поперек пограничного слоя и зависимость от них касательного напряжения т на стенке. Распределение скоростей обычно задается на основе экспери­мента или приближенно в форме степенной или тригонометри­ческой функции.

JL Рис. 2.7. Схематическое разделение потока около судна на три области / — пограничный слой; 11 — область потенциального потока; /// — область гидродинамического следа (спутной струи)

 

Пограничный слой вблизи корпуса судна имеет сложный тур­булентный характер. Для анализа характеристик вязкостного потока упрощают задачу, рассматривая обтекание тел упрощен­ных обводов и пластин. В турбулентном пограничном слое рас­пределение касательных напряжений в поперечном направлении подчиняется различным законам: вблизи стенки оно определя­ется влиянием вязкости, а на удаление от нее — турбулентным обменом. Поэтому при решении задач о законах течения в тур­булентном пограничном слое принимают допущение о возмож­ности подразделения пограничного слоя по толщине на две об­ласти:

тонкую пристеночную область ламинарного подслоя;

внешнюю область, в которой выравнивание скорости в попе­речном направлении предполагается независящим от вязкости жидкости и обусловлено турбулентным перемешиванием.

Вязкостное сопротивление. Влияние вязкости жидкости про­является в весьма ограниченной области — пограничном слое и гидродинамическом следе. Тем не менее вязкость играет оп­ределенную роль в возникновении сопротивления воды движе­нию судна.

Вязкостные составляющие сопротивления зависят от явле­ний, происходящих в турбулентом пограничном слое, обтекаю­щем корпус судна. Как указывалось выше, сила вязкостного сопротивления при движении судна слагается из проекции на направление движения результирующей касательных напряже­ний, возникающих на каждой элементарной площадке смочен­ной поверхности судна, и проекции результирующей сил давле­ния вязкостной природы.

Первая проекция обусловливает сопротивления трения, вто­рая— сопротивление формы. Основная доля вязкостного сопро­тивления приходится на сопротивление трения, поэтому закон изменения этой составляющей в зависимости от числа Рей- нольдса в значительной степени характеризует и закон измене­ния полного вязкостного сопротивления. Значение изучения вязкостного сопротивления значительно возросло при переходе к судам с полными обводами, имеющим . Для этих судов характерны явления, не проявлявшиеся при обтекании судов умеренной полноты, в частности, такие, как отрыв пограничного слоя в корме, образование скуловых вихрей в носу и в корме, возникновение и разрушение носовой подпорной волны и обра­зование на ее основе вихревого следа.

Сопротивление трения. Причиной возникновения сопротивле­ния трения, как уже указывалось, является вязкость жидкости. Сцепление отдельных частиц жидкости между собой и наружной обшивкой судна приводит к тому, что по всей подводной по­верхности судна возникают силы, касательные к элементам этой поверхности и противодействующие движению судна. На вели­чину сопротивления трения в первую очередь влияют размеры поверхности корпуса, скорость и характер его обтекания.

Сопротивление трения можно рассчитать двумя путями. Первый путь заключается в теоретическом расчете касательных напряжений на основе закона распределения скоростей и дав­лений в пограничном слое и интегрировании их по смоченной поверхности. Этот путь сложен, и в практических расчетах им не пользуются.

(2.45)

Вторым путем является расчет безразмерного коэффициента трения входящего в частную формулу сопротивления:

В 1871 г. Вильям Фруд, проводя натурные буксировочные испытания судна «Грейхаунд», пришел к мысли о возможности определения сопротивления трения судна путем буксировки тон­ких длинных досок, у которых практически могли быть исклю­чены силы давления и оставлены только силы трения. В резуль­тате таких испытаний В. Фруд установил, что сопротивление трения зависит от скорости буксировки пластин (досок), пло­щади их смоченной поверхности и состояния последней, опреде­ляемого коэффициентом f:

Его сын Реджинальд Фруд расширил и обобщил эксперименты оша и получил формулу

. (2.46)

Эта формула, когда-то повсеместно принятая, в настоящее время иногда встречается в судовой документации, разработан­ной в Англии.

На основе опытов Фруда с буксировкой досок было введено понятие об эквивалентной технически гладкой пластине, бук­сировка которой позволяет определить значение сопротивления трения данного судна (если такая буксировка была бы возможной).

Под эквивалентной пластиной по­нимается плоская тонкая технически гладкая пластина, имеющая длину, равную длине судна по действующей ватерлинии, смоченную поверхность, одинаковую со смоченной поверх­ностью судна, и движущаяся со ско­ростью судна. При этом режимы обте­кания в пограничном слое судна и пластины должны быть идентичны.

На рис. 2.8 приведены примерные эпюры скоростей в пограничном слое. При ламинарном обтекании коэффи­циент полноты эпюры 0,67, при тур­булентном— 0,90. Величина сопротив­ления трения в турбулентном потоке в 50—100 раз превышает ламинарное трение, подчиненное за­кону Ньютона.

Буксировки пластин для определения сопротивления трения в каждом конкретном случае удалось избежать благодаря про­веденным экспериментальным и теоретическим исследованиям движения жидкости в пограничном слое. На основе исследова­ний, проведенных Геберсом, Карманом, Прандтлем, Рейнольдсом, Шенхерром и др., была установлена общая закономерность изменения коэффициента трения технически гладкой эквива­лентной пластины в зависимости от числа Рейнольдса (при тур­булентном обтекании):

(2.47)

Рис. 2.8. Эпюры скоростей в пограничном слое / — ламинарный режим обтека­ния: 2 — турбулентный режим; 3 — ламинарный подслой

Дальнейшие исследования позволили уточнить и конкретизи­ровать эту зависимость. Так, наиболее употребительной в оте­чественной практике является формула Прандтля—Шлихтинга

 

(2.48)

 

Находит также применение формула, рекомендованная VIII Конференцией опытовых бассейнов в Мадриде в 1958 г.,

2.49

 

Эти формулы часто называют экстраполяторами трения. Коэф­фициенты турбулентного трения технически гладких пластин обычно приводятся в литературе в функции числа Рейнольдса в табличной или графической форме.

Замена судна эквивалентной пластиной не учитывает влия­ния кривизны судовой поверхности на сопротивление трения, вызванного изменениями толщины пограничного слоя реального судна и характера потока в нем вследствие перераспределения давлений вдоль корпуса. Это влияние, сравнительно небольшое, обычно учитывается при расчете других составляющих сопротив­ления в зависимости от удлинения судна L/B.

Более важным является существенное отличие степени шеро­ховатости корпуса даже вновь построенного судна от состояния поверхности технически гладкой пластины. Учет шероховатости смоченной поверхности корпуса судна производится путем вве­дения надбавки к коэффициенту сопротивления трения экви­валентной пластины, после чего формула для сопротивления трения судна принимает вид

2.50

Рекомендуемые значения корреляционного коэффициента условно именуемого «надбавкой на шероховатость», для неко­торых типов судов приведены ниже

 

тип судна

 

Быстроходные и среднескоростные грузовые

транс­портные суда, а также пассажирские суда ……....0,30—0,35

 

Среднетоннажные танкеры и балккэриеры

(L 220 м); 0,75 < δ <0,80) …….....…………………….. 0,20—0,10

 

Крупнотоннажные танкеры (L > 220 м; 0,80) … -- ( 0,30—0)

Лишенное физического смысла отрицательно значение для крупнотоннажных танкеров длиной более 220 м объясняется тем, что эта надбавка не только учитывает действительное влия­ние шероховатости свежеокрашенной поверхности на сопротив­ление, но также выполняет роль корреляционного коэффициента, обеспечивающего согласование с натурой результатов модель­ных экспериментов с учетом всех погрешностей физического и методологического характера (нестрогость гипотезы Фруда, ры екание на курсе, брызгообразование и пр.). Следует отметить, од­нако, что реальная шероховатость обшивки корпуса судна, даже в условиях проведения сдаточных испытаний, как правило, больше учитываемой надбавкой £_п и оказывает существенное отрицательное влияние на эксплуатационные качества судна.

Любое морское судно при его покраске по схеме, принятой на заводе-строителе, грунтуется и окрашивается несколькими (обычно четырьмя) слоями антикоррозионной краски ЭКЖС-40, а также двумя слоями противообрастающей эмали ХВ-53, содер­жащей токсические вещества и уменьшающей интенсивность об­растания корпуса судна животными организмами (зоопланкто­ном) и водорослями (гидро­идами). *

При достройке корпуса на плаву вода, попадая вследст­вие пористости краски на об­шивку корпуса (которая, как правило, имеет неоднородно зачищенную окалину), создает условия для электролитиче­ской коррозии корпуса. Эта коррозия усугубляется свар­кой, ведущейся на строящемся судне. Под воздействием кор­розии разрушается лакокра­сочное покрытие корпуса, уве­личивается его шероховатость.

В период достройки также происходит обрастание по­верхности корпуса. При этом стройке в акваториях с умеренным климатом увеличивает со­противление трения на 0,25%, а при особой интенсивности об­растания— до 0,5%.

В эксплуатации процесс коррозии корпуса продолжается, происходит вспучивание краски, а также обрастание обшивки ракушками и водорослями. Обрастание корпуса особенно интен­сивно происходит во время стоянки судов в тропических портах. Потеря скорости при плавании судов в тропических водах за время между докованиями достигает 25—30%. Например, начальная скорость судов типа «Выборг» с чистым корпусом составляет 17 уз, а после двух рейсов в порты Кубы она падает до 12 уз.

Характер влияния на скорость судна постоянно действующих факторов — коррозии корпуса и его обрастания — показан на рис. 2.9.

Рис. 2.11. Влияние гндрофоль- ного покрытия «Гидрон» на снижение сопротивления 1 — гидрофольное покрытие: 2 — обычное винильное покрытие

В настоящее время в отечественном и зарубежном судо­строении шероховатость корпуса (технологическая и эксплуа­тационная) характеризуется главным образом высотными па- раметрами, в частности среднеарифметическим отклонением профиля R_a и высотой неровности профиля по 10 точкам R₂ (рис. 2.10):

По Правилам Регистра СССР все суда морского флота про­ходят периодические (плановые) докования, при которых кор­пус судна очищается от обрастателей и коррозии и полностью окрашивается. Установлены следующие сроки докования: для пассажирских судов и судов арктического плавания — через один год; для прочих судов — через два года. Однако, как пока­зали исследования, после докования первоначальные ходовые качества судна полностью не восстанавливаются (рис. 2.12). Угол а — угол наклона прямой 0а — зависит от эффективности антикоррозионной защиты. При работающей катодной защите

этот угол минимальный. На рисунке показаны увеличение ше­роховатости, обусловленное временем эксплуатации, и значения дополнительной мощности, необходимой для поддержания ско­рости, соответствующей начальной шероховатости корпуса.

Для поддержания первоначаль­ного сопротивления судов в экс­плуатации осуществляют следую­щие мероприятия:

применяют антиобрастающие и специальные покрытия, в частности покрытие «Гидрон», которое нано­сят на слой антиобрастающей краски. В воде оно набухает, по­глощая воду в количестве до 70— 80% своего веса, и сглаживает по­верхность корпуса, снижая сопро­тивление до 4%. Одновременно оно увеличивает срок действия антиоб- растающего покрытия;

проводят внедоковые очистки подводной части корпуса на плаву;

 

зоо т Ra, мкм

обеспечивают эффективную

экс­плуатацию

катодной защиты в те­чение всего срока работы судна.

Сопротивление формы. Сопротивление формы составляет не­которую долю вязкостного сопротивления и представляет собой часть результирующей гидродинамического давления, возникаю щую в результате его перераспределения вдоль корпуса, вызван­ного влиянием вязкости жидкости на поток, обтекающий тело. Для судов с традиционными формами обходов роль этой состав­ляющей в общем балансе сопротивления сравнительно невелика.

 

I и III 1\ Периоды между докованиями Рис. 2.12. Потери скорости судов в периоды между докованиями

 

Однако она существенно повышается для крупных судов с пол­ными обводами, а для тел или судов с весьма малым удлине­нием сопротивление формы может составлять основную часть полного сопротивления. К таким судам и телам относятся баржи, понтоны, шары, цилиндры и пр.

Причины возникновения и физическая сущность сопротивле­ния формы могут быть объяснены следующим образом. При обтекании судна потоком жидкости давление в ней падает от носа до миделя и нарастает от миделя в корму. В области отри­цательного градиента давления, т. е. от носа до миделя, частицы жидкости движутся с положительным ускорением, величина ко­торого пропорциональна градиенту давления. В области мидель- шпангоута скорость частиц достигает максимальной величины и

 

в потоке устанавливается минимальное давление. Далее, от ми­деля в корму, движение происходит против возрастающего дав­ления, т. е. с отрицательным ускорением.

Если бы жидкость была идеальной, то запаса кинетической энергии частиц хватило бы для преодоления противодавления на пути от миделя в корму и каждая частица достигла бы ахтер- штевня. В реальной же вязкой жидкости при движении частиц внутри пограничного слоя затрачивается дополнительная энергия на преодоление касательных сил вязкостного трения. У частиц, движущихся внутри пограничного слоя вблизи поверхно­сти судна, скорости малы и соответственно мал и запас кине­тической энергии. Этот запас энергии может оказаться недоста­точным для преодоления положительного градиента давления при движении частиц от миделя в корму, и в результате некото­рые частицы под действием возрастающего давления могут на­чать двигаться в обратном направлении, т. е. против набегаю­щего потока. Такой обратный поток оттесняет пограничный слой от поверхности тела (рис. 2.13). Точка А, в которой начи­нается это оттеснение, называется точкой отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя с образованием вихрей иска­жает картину обтекания судна в его кормовой части по срав­нению с той, которая наблюдалась бы при обтекании идеальной (невязкой) жидкостью. Давление в кормовой части судна умень­шается, и, следовательно, появляется результирующая нормаль­ного давления, направленная в сторону, противоположную дви­жению судна. Эта результирующая и является сопротивлением формы судна. Поскольку величина сопротивления формы зави­сит от интенсивности вихреобразования, то его часто называют вихревым сопротивлением.

Величина сопротивления формы в значительной мере зави­сит от степени обтекаемости тела, а также от характера обте­кания: при ламинарном режиме течения в пограничном слое его отрыв наступает раньше, чем при турбулентном режиме. Это объясняется меньшей скоростью, а следовательно, и мень­шей кинетической энергией частиц жидкости вблизи поверхности тела.

У хорошо обтекаемых тел и судов с большим удлинением и заостренной кормовой оконечностью запас кинетической энер­гии частиц жидкости может оказаться достаточным для одно­временного преодоления как сил трения, так и возрастающего давления на пути от миделя к корме, и отрыва пограничного слоя может не произойти. В этом случае пограничный слой в кормовой оконечности плавно сходит с поверхности тела, превращаясь в спутную струю, но при этом линии тока все же отклоняются от поверхности тела, причем это отклонение увели­чивается с ростом толщины пограничного слоя по мере прибли­жения к корме. Изменение картины линий тока по сравнению с той, которая наблюдается при обтекании тела идеальной жид­костью, приводит к изменению местных скоростей обтекания, а следовательно, и давлений. Вследствие перераспределения давлений их результирующая вдоль потока становится отличной от нуля, представляя собой сопротивление формы хорошо об­текаемого тела.

Методы снижения вязкостного сопротивления. Для значи­тельного числа водонзмещающих судов проблема снижения сопротивления воды может быть решена в основном путем уменьшения сопротивления трения и формы. В связи с этим в последние годы ведутся интенсивные исследования по отыска­нию способов соответствующего воздействия на пограничный слой.

В принципе управление пограничным слоем может быть осуществлено тремя методами:

ламинаризацией пограничного слоя;

подачей в пограничный слой веществ, свойства которых от­личаются от свойств воды;

подачей воздуха в пристеночную область.

Сохранение ламинарного режима течения в пограничном слое, при котором сопротивление трения существенно меньше, чем при турбулентном обтекании, может быть достигнуто путем отсоса пограничного слоя. Отсос может оказаться также эффективным средством предотвращения отрыва пограничного слоя и соот­ветственно уменьшения сопротивления формы. Конструктивные и технологические трудности препятствуют пока осуществлению этого способа, и он не