Раздел II.
Ходовые качества малого судна.
5. Сопротивление движению малого судна

5.1. Основные понятия и определения

Ходкостью называется способность судна двигаться с заданной скоростью при определенной затрате энергии.

Ходкость зависит от главных размерений, обводов и состояния наружной поверхности судна, а также от условий движения. Оценку ходкости принято производить применительно к случаю, когда судно движется вперед равномерно и прямолинейно со скоростью v. Поскольку судно симметрично относительно его ДП, то действие аэро- и гидродинамических сил в этом случае может быть сведено к результирующей Q и моменту М, действующим в ДП (рис. 5.1).

Сопротивлением воды движению судна R называется проекция результирующей аэро- и гидродинамических сил на направление движения.

Гидродинамической силой поддержания Y называется вертикальная проекция результирующей аэро- и гидродинамических сил.

Дифферентующим моментом называется момент аэро- и гидродинамических сил М.

Действие силы Y и момента М вызывает при движении судна изменение его осадки и дифферента, причем с увеличением скорости влияние этих факторов возрастает.

Для поддержания движения к судну необходимо приложить в направлении движения силу. Эта движущая сила создается у самоходных судов движителями и называется упором движителей Р. В случае равномерного прямолинейного движения Р = R.

Буксировочной мощностью N_R называется наименьшая мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления движению судна со скоростью v,

N_R = Rv. (5.1)

При описании физических процессов, обусловливающих сопротивление воды движению судна, и в практических расчетах ходкости, основанных на результатах испытаний моделей и натурных судов, возникает необходимость использования критериев подобия. Для обеспечения механического подобия судна и его модели необходимо вьшолнение трех видов подобия — геометрического, кинематического и динамического.

Геометрическое подобие соблюдается, когда соответствующие линейные размеры модели (L_M, В_М, Т_М) и натурного судна (L_H, В_Н, Т_Н) находятся в постоянном соотношении

L_H/L_M = В_Н/В_М = Т_Н/Т_М = k, (5.2)

где к — геометрический масштаб.

Для соответствующих площадей натуры и модели отношение равно квадрату масштаба, а для соответствующих объемов — кубу масштаба:

Ω_Н / Ω_М = к²; V_H / V_M = к³. (5.3)

Кинематическое подобие соблюдается в том случае, когда сходственные точки геометрически подобных судна и модели проходят подобные отрезки траекторий в течение промежутков времени Δt, находящихся в постоянном отношении

Δt_H / Δt_M = τ, (5.4)

где τ — масштаб времени.

Соотношение скоростей в сходственных точках при кинематическом подобии постоянно:

v_N / v_M = k / τ. (5.5)

Динамическое подобие соблюдается, когда при наличии кинематического подобия отношение масс сходственных объемов постоянно:

D_H / D_M = X. (5.6)

Для описания основных закономерностей сопротивления воды движению судов используются безразмерные критерии динамического подобия потоков жидкости — число Фруда Fr и число Рейнольдса Re.

Число Фруда характеризует отношение инерционных сил к силам тяжести. В динамически подобных случаях движения числа Фруда равны между собой. Это означает, что картины волнообразования двух судов при равных числах Фруда будут геометрически подобны, силы, вызванные волнообразованием, будут относиться как к³, а моменты, как к⁴. Число Фруда является также мерой относительной скорости судна, которая выражается соотношением скорости v набегающего потока на значительном удалении впереди тела или скорости движения тела и одного из характерных размеров судна. Для водоизмещающих судов таким размером является длина по ватерлинии; для судов с динамическим поддержанием, у которых в процессе движения длина по ватерлинии изменяется, используют значение ширины В (преимущественно для глиссеров) и, в наиболее универсальной форме, корень кубический из объемного водоизмещения ³√^—V При исследовании движения на мелководье характерной величиной является глубина воды Н. Исходя из конкретной ситуации используют различные формы записи числа Фруда:

FrL = v / √gL; FrB = V / √gB; FrV = v / √g ³√ V; Fr>H = v / √gH. (5.7)

Число Рейнольдса характеризует отношение инерционных сил к силам вязкостной природы:

Re = vL / γ, (5.8)

где v — скорость судна, м/с; L — длина, м; γ — кинематическая вязкость жидкости, м²/с

В динамически подобных системах числа Рейнольдса равны между собой. При этом картины вихреобразования и пограничные слои будут геометрически подобны. Вместе с тем необходимо учитывать, что в реальных условиях помимо числа Рейнольдса на картине обтекания существенно сказываются шероховатость поверхности тела и начальная турбулентность потока. Полное динамическое подобие явлений ходкости достигается ля рассматриваемых надводных судов при условии одновременного равенства чисел Фруда и чисел Рейнольдса. Однако это достижимо только в случае полного равенства модели и натуры, т. е. к = 1. Поэтому обычно ограничиваются частичным подобием — по числу Фруда или по числу Рейнольдса. Первое обеспечивают при определении ходкости надводных судов, второе — при изучении движения глубоко под поверхностью воды рулей, выступающих частей и других тел. По числу Рейнольдса обеспечивают также подобие для судов, движущихся с малыми скоростями — в доволновых режимах.

В зависимости от характера действия гидродинамических сил различают следующие характерные режимы движения судов: плавание; переходный режим; режим динамического поддержания.

Режим плавания судов наблюдается при относительной скорости FrV < 1,0. В этом режиме гидродинамическая сила поддержания Y и дифферентующий момент М малы по абсолютной величине, и приводят к некоторому увеличению осадки судна на ходу и появлению небольшого дифферента на нос. Поддержание судна обеспечивают силы гидростатической природы

gD = yV. (5.9)

Суда, движущиеся в режиме плавания, принято называть водоизмещающими. В зависимости от значения числа Фруда они подразделяются на тихоходные (FrL < 0,22), среднескоростные (FrL = 0,23-0,35) и быстроходные (FrL > 0,35).

Переходный режим движения наблюдается в диапазоне относительной скорости 1,0 < FrV < 3,0. Его характерной особенностью является перераспределение сил поддержания за счет увеличения динамической составляющей Y, а также появление дифферентующего момента М на корму. В результате совместного действия этих факторов, как правило, уменьшается осадка судна и возрастает дифферент на корму:

gD = yVi + Y, (5.10)

где Vi — величина погруженного объема судна (Vi < V0).

Режим динамического поддержания наступает при относительных скоростях движения FrV >3,0. При этом поддержание судна обеспечивается в основном динамическими силами

gD ~ Y; yVj ~ 0. (5.11)

Для глиссирующего судна гидростатическая составляющая поддержания практически исчезает при FrV > 5 [14]. Режим движения с динамическим поддержанием является основным для глиссеров, судов на воздушной подушке (СВП), судов на подводных крыльях (СПК), экранопланов (ЭП). Характер действия гидродинамических сил при этом существенно зависит от величины относительной скорости (рис. 5.2).

*******

В раздел «Мотолодки, катера, яхты — обзоры, советы, справочники»

Наш Telegram-канал: https://t.me/motolodki_katera. Присоединяйтесь!

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

добавить страницу в избранное