4. 8. Сопротивление воды движению судна

8.1. Понятия сопротивления воды и буксировочной мощности

Если судно, плавающее на поверхности воды, неподвижно, то в каждой точке его погруженной поверхности действует гидростатическое давление, пропорциональное плотности воды и погружению этой точки под поверхностью воды. Равнодействующая давлений в этом случае сводится к вертикальной силе, равной весу вытесненной судном воды.

При движении судна с постоянной скоростью оно вносит возмущение в жидкость и деформирует ее свободную поверхность, вследствие чего изменяются давления по всей смоченной поверхности и, кроме того, появляются касательные напряжения , обусловленные свойством вязкости жидкости. Это приводит к тому, что при движении судна равнодействующая сил, действующих на его погруженную в воду поверхность (смоченную поверхность), не будет вертикальной силой, а будет иметь горизонтальную составляющую, направленную в сторону, противоположную скорости судна. Вертикальная составляющая уравновешивает вес судна, а горизонтальная представляет силу , кН, противодействующую движению судна и называемую буксировочным сопротивлением.

Если известны распределения давлений и касательных напряжений по смоченной поверхности, то буксировочное сопротивление можно представить в виде суммы двух слагаемых, сопротивления давления и сопротивления касательных напряжений :

(8.1)

где: ;

;

– смоченная поверхность судна.

Однако основная трудность вычисления сопротивления заключается в определении распределения величин и по поверхности .

Для того, чтобы судно двигалось с постоянной скоростью, необходимо приложить к нему силу, равную силе сопротивления и противоположно направленную. При этом будет совершаться работа равная . Работа, производимая силой в единицу времени, называется буксировочной мощностью и обозначается :

(кВт) (8.2)

Сила, преодолевающая сопротивление и движущая судно, создается движителем и называется упором. Движитель приводится в действие главным двигателем судна, мощность которого всегда больше буксировочной мощности , т.к. имеются потери как в подводе мощности к движителю, так и в самом движителе; последняя составляет наибольшую часть всех потерь.

Если мощность двигателя, измеренную на выходе его вала, т.е. эффективную мощность двигателя, обозначить , то отношение:

, (8.3)

характеризующее общие потери, называется пропульсивным коэффициентом.

8.2. Разделение сопротивления воды на составные части

При движении судна частицы жидкости, примыкающие к его поверхности, благодаря вязкости движутся вместе с судном и увлекают в движение прилегающие к ним частицы, образуя пограничный слой, в котором проявляются силы вязкости. Этот слой, зарождаясь в носовой части, по мере продвижения к корме увеличивает свою толщину и, сходя с корпуса, образует попутный поток. На корпусе силы вязкости вызывают касательные напряжения, которые, суммируясь, дают силу, направленную против движения судна, называемую сопротивлением трения и обозначаемую . Однако, силы вязкости кроме того приводят к изменению давлений, распределенных по смоченной поверхности судна, по сравнению с теми, которые имели бы место при обтекании корпуса идеальной жидкостью, лишенной свойства вязкости. Это изменение давлений, особенно падение давлений в кормовой части, приводит к дополнительной силе, называемой сопротивлением формы или вихревым сопротивлением и обозначаемой . Этот вид сопротивления проявляется особенно значительно при движении плохообтекаемых тел с полной кормовой оконечностью, при которой за кормой образуется вихревая дорожка, состоящая из двух рядов вихрей, расположенных в шахматном порядке.

Движение судна по поверхности воды приводит к образованию систем волн, состоящих из расходящихся и поперечных волн, схематический вид которых показан на рис.8.1. Как видно из рисунка, при движении судна образуются две системы волн: носовая и кормовая, каждая из которых состоит из расходящихся и поперечных волн, причем обе системы волн заключены в области, ограниченной линиями, составляющими с ДП угол =19⁰27' ( =¹/₃) и на глубокой воде этот угол не зависит ни от скорости, ни от формы движущегося тела, а длина волн определяется скоростью судна: . Перераспределение давлений по смоченной поверхности вследствие волнообразования приводит к составляющей сопротивления, называемой волновым сопротивлением и обозначаемой .

Таким образом, полное сопротивление воды представ-ляется в виде суммы:

. (8.4)

В соответствии с теорией размерностей общий вид формулы для любой силы, действующей на тело в потоке жидкости, имеет вид:

, (8.5)

где – плотность жидкости;

– безразмерный коэффициент, зависящий от формы тела, направления набегающего потока и свойства жидкости;

– характерная площадь тела;

– скорость.

В качестве обычно принимают площадь смоченной поверхности судна. Такими же формулами (8.5) выражаются и составляющие полного сопротивления, только у каждой составляющей свой коэффициент .

Для наглядности разделение сопротивления воды сведено в табл.8.1.

Таблица 8.1. – Разделение сопротивления воды движению судна на составляющие

Составляющие сопротивления	Обозна-чение	Вид возмущения жидкости	Свойство жидкости	Вид поверхностных сил
Сопротивление трения		пограничный слой	вязкость	касательные напряжения
Сопротивление формы		вихревой попутный поток	вязкость	давление
Волновое сопротивление		корабельная система волн	весомость	давление