船舶阻力第2章 粘性阻力

1、1,§2-1 邊界層和摩擦阻力,一、平板邊界層,1、邊界層厚度,2,影響邊界層厚度的主要因素有：來(lái)流速度v、距板前單點(diǎn)O的距離x和流體的粘性（運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)）。邊界層厚度取決于有這三個(gè)物理量所組成的無(wú)量綱數(shù),2、邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài),3,將流體劃分為截然不同的兩部分，并分別加以處理。（1）界層外面視為理想流體，可用勢(shì)流理論來(lái)解決；（2）界層內(nèi)部則視為真實(shí)流體，需用邊界層理論來(lái)求解。,4、邊界層理論的重要意義,4,由牛頓內(nèi)摩擦定理有

2、：,二、摩擦阻力的成因與主要特性,則整個(gè)平板的摩擦阻力為：,1、摩擦阻力系數(shù),5,,若平板如上圖所示，則平板摩擦阻力系數(shù)為：,6,1）在相同來(lái)流條件下，紊流邊界層內(nèi)速度梯度較大，摩擦切應(yīng)力較層流情況大，摩擦阻力系數(shù)也較大。,2、摩擦阻力的主要特性,7,當(dāng)來(lái)流速度不變，由x增大引起雷諾數(shù)增大時(shí)，界層厚度增加，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿(mǎn)度減小。摩擦切應(yīng)力和局部摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)增大而減小。,2）雷諾數(shù)對(duì)摩擦阻力的影響,當(dāng)x一定，由v增大引起

3、雷諾數(shù)增大時(shí)，界層厚度減薄，邊界層內(nèi)速度分布的豐滿(mǎn)度增大。摩擦切應(yīng)力隨雷諾數(shù)增大而增大。,當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，摩擦阻力系數(shù)和局部摩擦阻力系數(shù)均隨之減少。,8,如果流體介質(zhì)給定，當(dāng)界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定時(shí)，則摩擦切應(yīng)力為常數(shù)。顯然板長(zhǎng)為L(zhǎng)的平板摩擦阻力的值正比于平板的濕面積。,3）摩擦阻力與平板濕面積的關(guān)系,這一結(jié)論對(duì)研究船體形狀以減小濕面積從而降低摩擦阻力具有實(shí)際意義。,9,三、船體邊界層,1、邊界層外緣勢(shì)流不同2、界層內(nèi)縱向壓力分布不同,

4、10,§2-2 平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式,所謂相當(dāng)平板，就是具有相同運(yùn)動(dòng)速度、相同長(zhǎng)度、相同濕表面積的平板和船體的摩擦阻力相同。但實(shí)際船體表面不是平板，而是有曲度的，同時(shí)船體表面還有粗糙度等。因此，用相當(dāng)平板理論計(jì)算得到的摩擦阻力與實(shí)船的摩擦阻力有差異。,目前還沒(méi)有直接計(jì)算船體摩擦阻力的可靠公式，工程上主要采用相當(dāng)平板理論確定船體摩擦阻力。,11,一、光滑平板層流摩擦阻力系數(shù)公式,二、光滑平板紊流摩擦阻力系數(shù)公式,1、速度為指

5、數(shù)的計(jì)算公式,12,2、速度為對(duì)數(shù)的計(jì)算公式,1）桑海公式,2）柏蘭特-許立汀公式,13,3）休斯公式,3、平板摩擦阻力的普遍公式,14,三、1957ITTC公式,四、過(guò)渡流平板摩擦阻力計(jì)算公式,15,§2-3 減少摩擦阻力的方法,一、減小船體濕表面積,由于摩擦力的大小正比于船體濕表面積，因此船型參數(shù)、特別是主尺度的確定要適當(dāng)。,二、減小船體表面粗糙度,三、控制邊界層,四、采用聚合物溶液降阻劑及仿生學(xué)研究,16,§2

6、-4 船體摩擦阻力的計(jì)算步驟,一、計(jì)算公式,二、具體計(jì)算步驟,1、計(jì)算濕表面積,17,1）有線(xiàn)型圖時(shí),2）無(wú)線(xiàn)型圖時(shí)，利用近似公式計(jì)算,18,（1）荷蘭瓦根寧船池經(jīng)驗(yàn)公式,（2）我國(guó)長(zhǎng)江船型的近似公式計(jì)算,（3）交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的江船公式,19,（4）利用桑地圖譜,20,2、計(jì)算雷諾數(shù),3、根據(jù)光滑平板摩擦阻力公式算出或由相應(yīng)的表中查得摩擦阻力系數(shù)。,4、決定粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)的值。目前我國(guó)一般取：,5、計(jì)算出船舶的摩擦阻力：,21

7、,§2-5 粘壓阻力的成因與特性,一、船體粘壓阻力產(chǎn)生的原因,粘壓阻力產(chǎn)生的原因是由于粘性作用和物體后部的縱向壓力梯度 。,22,二、粘壓阻力特性,1、粘壓阻力與后體形狀的關(guān)系,如果船舶的后體收縮較緩和，則沿曲面的流速變化較緩慢，因而縱向正壓力梯度較小，分離現(xiàn)象可以推遲，甚至避免。物體后部形狀是影響粘壓阻力的主要因素。,23,2、粘壓阻力與前體形狀的關(guān)系,如果船舶的前體過(guò)于肥短，流線(xiàn)擴(kuò)張很快，流速增加快，在最大剖面處的速度很高

8、，而壓力會(huì)降得很低，使得后體范圍的正壓力梯度增加，流動(dòng)急劇減速，因此粘性阻力將增大。,舭渦的產(chǎn)生使船首底部形成低壓區(qū)，造成埋首現(xiàn)象，還會(huì)增加阻力。,24,采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一,25,3、界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)粘壓阻力的影響,層流比紊流更容易分離，分離點(diǎn)比較靠近前端，分離區(qū)較大，因而粘性阻力比紊流情況為大,26,三、降低粘壓阻力的船型要求,1、應(yīng)注意船的后體形狀。,2、應(yīng)避免船體曲率變化過(guò)大。,3、前體線(xiàn)型應(yīng)予適當(dāng)注意。,四、

9、船體粘壓阻力的處理方法,1、傅汝德?lián)Q算法：將粘壓阻力并入興波阻力統(tǒng)稱(chēng)為剩余阻力。,2、上世紀(jì)50年代提出的換算法：將粘壓阻力以形狀因子的形式并入摩擦阻力統(tǒng)稱(chēng)為粘性阻力。,27,§2-6 船舶粘性阻力理論計(jì)算概述,一、邊界層理論計(jì)算概述,1、積分法：以邊界層的 動(dòng)量積分方程為基礎(chǔ)，但遇到的困難是無(wú)法求出邊界層內(nèi)的速度分布，往往在計(jì)算之前先假定某種速度分布形式。,2、微分法：直接求解邊界層的偏微分方程，但在求解時(shí)須引進(jìn)所謂湍流模式