Сопротивление воды движению судна

Основные & 747t196h #1087;оложения.

Первая из этих составляющих сопротивления существенна при небольших скоростях хода. С точки зрения гидродинамики обе среды, на границе которых движется судно, вода и воздух, являются жидкостями с малой вязкостью. Молекулы жидкости, непосредственно примыкающие к поверхности движущегося в ней тела, прилипают к ней; в результате вблизи нее формируется переходный пограничный слой, в котором возникает большой градиент скорости. Сопротивление жидкости движению тела определяется характером ее течения в пограничном слое; параметром этого течения является число Рейнольдса , где - кинематическая вязкость жидкости (для воды , для воздуха ), L v

Известно, что на плоской пластине при жидкость течет ламинарно в виде отдельных несмешивающихся слоев, параллельных плоскости пластины. При пограничный слой турбулизуется; в нем изменяются структура потока, профиль скоростей и т.п. Для турбулентного течения характерны вихреобразование, перемешивание жидкости, Сложные, меняющиеся во времени и в пространстве пульсации скорости и давления. Величина Re Re

Сопротивление трения зависит от того, ламинарен или турбулентен пограничный слой на корпусе судна. На рис.20 приведены данные & 747t196h #1050;рамера, измерявшего коэффициент сопротивления продольно обтекаемого круглого цилиндра с упругой стенкой. В интервале чисел происходил переход от ламинарного пограничного слоя к турбулентному, причем оказалось, что на цилиндрах с упругой стенкой он заметно сдвинут к большим числам Re

Re при скорости хода 1 м/с. Видно, что тримаран попадает как раз в область минимума коэффициента сопротивления; на больших скоростях этот коэффициент возрастает в 3-4 раза. По-видимому, именно этим объясняются высокие ходовые качества тримарана на слабых ветрах; возможно, существенна и упругость стенки надувного баллона.

снижения сопротивления трения. Предполагается, что быстроходность дельфинов объясняется тем, что их кожа устроена так, что гасит турбулентность пограничного слоя даже при больших числах Re Олимпийских играх многие пловцы использовали специальные & 747t196h #1075;идрокостюмы, позволявшие показывать более высокие результаты.

В свете сказанного ясно, что парусные & 747t196h #1089;уда с упругими надувными баллонами имеют кое-какие перспективы повышения ходкости. Возникает вопрос: как зависит ходкость судна от давления в баллонах; что лучше - накачивать их до звона или ходить на мягких баллонах. Воспроизвести шкуру дельфина во всех ее подробностях вряд ли удастся, но посмотреть влияние материала оболочки баллона на ходкость судна есть смысл.

С ростом скорости судна становится существенной и вторая составляющая сопротивления воды его движению -волновое сопротивление. Корабельные & 747t196h #1074;олны - это те же самые гравитационные & 747t196h #1074;олны на поверхности воды, но возбуждаемые самим судном. Корабельные & 747t196h #1074;олны движутся вместе с судном; с другой стороны, скорость их распространения определяется законами колебаний поверхности воды, связывающими скорость поверхностных волн с их длиной.

(клин корабельных волн Кельвина); внутри этого клина имеются волны, бегущие под различными углами к направлению движения судна. Наиболее заметны волны на границе клина; их гребни составляют с траекторией судна угол .

Интенсивность волнообразования и, соответственно, волновое сопротивление судна зависят от его скорости и от формы его корпуса; весьма существенно удлинение корпуса. Очень интенсивно возбуждают корабельные & 747t196h #1074;олны водоизмещающие однокорпусные & 747t196h #1089;уда. Длина корабельных волн возрастает с ростом скорости и когда она сравнивается с длиной судна, его волновое сопротивление катастрофически возрастает; возникает волновой барьер, преодолеть который судно не в состоянии. У многокорпусных судов с их длинными узкими корпусами этот эффект менее заметен, но и для них возбуждение корабельных волн существенно увеличивает сопротивление воды.

, где L

W отношение R W

Величина , указанная на графиках, - это коэффициент полноты корпуса, равный

,

- площадь миделя. Сравнение графиков дает возможность оценить влияние длины корпуса на сопротивление.

L B от 8 до 16 и с большим , однако выбирать более 0,8 не следует, поскольку при этом ухудшается форма оконечностей корпуса. Надо заметить, что исходные & 747t196h #1092;ормулы, по которым рассчитывались графики, не учитывают возможных срывов обтекания и занижают сопротивление особенно при малых числах Фруда. С другой стороны, они получены для жестких корпусов и не учитывают "эффекта дельфиньей шкуры".

"Бриза" и оказались близки к действительности; ими можно пользоваться для оценки сопротивления корпусов.

"катамаран" означает "связанные деревья", плот - тоже связанные & 747t196h #1076;еревья.

заглубить баллоны; тот же "Бриз' посадить как и "Нонпарелль" равномерно на все три его баллона. Нужен какой-то новый критерий, позволяющий отличить трех баллонный плот от тримарана.

таких манипуляциях с судном изменяются две его важные & 747t196h #1093;арактеристики: поперечная остойчивость, определяющая способность нести паруса, и сопротивление воды его движению. Широкий мелкосидящий плот и узкий длинный корпус тримарана с приподнятыми боковыми поплавками обтекаются водой по разному, причем сопротивление тримарана значительно меньше за счет уменьшения смоченной поверхности корпуса и снижения его волнообразования.

У многокорпусных судов имеется еще одна составляющая сопротивления, возникающая из-за взаимодействия потоков воды, обтекающих тесно поставленные & 747t196h #1082;орпуса. Что это такое, я хочу показать на примере построенного мной в начале семидесятых годов трехточечного тримарана "Янтарь ".

В начале нашей конструкторской деятельности было вовсе не ясно, что многокорпусное судно надо ставить именно на длинные & 747t196h #1085;адувные & 747t196h #1073;аллоны. Рассматривались и другие варианты, в частности, такой, когда ходовая часть судна представляет собой три или четыре кинжальных шверта или коротких жестких поплавка, создающих боковое сопротивление судна и одновременно имеющих нужное водоизмещение.

Рама "Янтаря" была деревянной; он имел три поперечные & 747t196h #1073;алки: носовую, подмачтовую и заднюю, и мост, набранный между средней и задней балками из деревянных реек. Весил он 35кг, мачта, паруса и руль использовались от "Мевы".

Зависимость сопротивления воды движению судна от скорости у однокорпусных судов имеет характерные & 747t196h #1075;орбы, обусловленные & 747t196h #1088;остом волнового сопротивления. Но у многокорпусных судов этих горбов нет, и на больших скоростях хода их буксировочная кривая близка к квадратичной параболе. В предположении, что, где a-константа, можно получить некоторые полезные & 747t196h #1092;ормулы для оценки скоростных возможностей судна.

При скорость судна оказывается пропорциональной скорости вымпельного ветра; последняя возрастает с усилением истинного ветра. Однако ясно, что с усилением ветра скорость хода возрастать до бесконечности не будет, рано или поздно судно опрокинется. Рассмотрим ограничения, накладываемые конечной остойчивостью судна.

Действующие на судно в поперечном направлении сила дрейфа и сила бокового сопротивления уравновешены, но приложены в разных по высоте точках судна, отстоящих на расстояние h

(8)

где - конструктивная ширина судна (для тримарана - по осям аутригеров).

Сопротивление воды движению судна равно силе тяги, развиваемой его парусами, и пропорционально . Сила дрейфа также пропорциональна . Остойчивость судна ограничивает величину силы дрейфа, соответственно, ограничена и допустимая сила вымпельного ветра и, следовательно, скорость судна. Имеем:

, (9)

Подставляя сюда параметры "Бриза", найдем его предельную скорость (без откренивания). Полагая, что . Поскольку тримаран на практике не достигает такой скорости, его поперечная остойчивость на сильных ветрах гарантирована, и можно спать, не опасаясь переворота.