Изменение сопротивления воды движению

Сопротивление воды включает три составляющих: сопротивление трения, сопротивление формы (вихревое) и волновое сопротивление. Сопротивления трения и формы являются следствием вязкости жидкости и их совместное воздействие называют вязкостным сопротивлением. Соотношение составляющих сопротивления для транспортных судов с различными значениями коэффициента полноты водоизмещения представлено на рис.4.1

Рис.4.1. Соотношения между составляющими сопротивления

Из рисунка видно, что вязкостное сопротивление является преобладающим и зависит от площади и шероховатости поверхности корпуса, погруженного в воду. А на сопротивление формы дополнительно влияют обводы судна.

При движении на мелководье появляется дополнительный встречный поток. Он возникает вследствие стеснения струй жидкости, обтекающей днище судно, дном водоема. При этом заметно увеличиваются касательные напряжения и, как следствие, растет величина сопротивления трения. Кроме того, как показали исследования Е.Ф. Сахно, увеличиваются размеры области отрыва пограничного слоя в корме судна, что приводит к возрастанию сопротивления формы. Возникновение встречного потока сопровождается появлением под днищем движущегося судна пограничного слоя на дне водоема, а также понижением уровня свободной поверхности вблизи судна. Оба эти фактора, в свою очередь, приводят к добавочному стеснению струй жидкости, повышению скорости встречного потока и дополнительному возрастанию вязкостного сопротивления. Поскольку понижение уровня связано и с действием гравитационных сил, то коэффициент вязкостного сопротивления при движении на мелководье зависит не только от числа Рейнольдса, но и от числа Фруда.

Закономерность изменения волнового сопротивления от глубины принято ставить в зависимость от двух безразмерных величин: относительной глубины ( ) и скорости (число Фруда по глубине):

.

(4.2)

Из рис.4.2 видно, что при малых значениях относительной скорости характер роста волнового сопротивления на глубокой воде ( ) и на мелководье ( ) примерно одинаков. А при более высоких значениях числа Фруда по глубине величина волнового сопротивления резко возрастает.

Рис.4.2. Изменение сопротивления воды на мелководье

Судовые волны состоят собой из двух систем волн (рис.4.3). У форштевня развивается носовая, а у ахтерштевня – кормовая система волн. Каждая из них состоит из расходящихся и поперечных волн.

Рис.4.3. Система судовых волн

Расходящиеся волны имеют короткий фронт и располагаются уступом. На глубокой воде они обычно имеют угол раствора с ДП судна примерно 18-20 градусов. Кормовые расходящиеся волны меньше носовых и на глубокой воде едва заметны.

Поперечные волны располагаются фронтом поперек судна и не выходят за пределы расходящихся волн. Их высота быстро убывает от носа к корме. Носовая волна начинается гребнем, расположенным сразу за форштевнем. Первая кормовая волна всегда начинается впадиной, захватывающей кормовую оконечность. Поэтому в носовой части судна давление всегда будет больше, чем в кормовой. За счет разницы этих давлений и образуется волновое сопротивление. С выходом судна на мелководье и уменьшением запаса воды под днищем система образования судовых волн изменяется, что сказывается на ходовых качествах судна, их осадке и управляемости. При этом быстро начинает расти волновое сопротивление. Объясняется это следующим. Из теории волн известно, что когда отношение глубины к длине волны мало, скорость распространения волн с небольшой амплитудой имеет предел - критическую скорость. Судовые волны как раз относятся к этой категории волн. Скорость их распространения не может превышать критической: .

При (доволновой режим на мелководье) существенной трансформации судовой системы волн не наблюдается и все возрастание сопротивления определяется встречным потоком. Этот режим характерен для тихоходных грузовых судов и составов. С ростом значения числа Фруда ( – докритические скорости движения) угол, составляемый гребнями расходящихся волн с направлением движения судна, увеличивается (рис.4.4, а). Благодаря этому в движение вовлекаются дополнительные массы жидкости, и волновое сопротивление возрастает по сравнению с движением на глубокой воде с той же скоростью. Вблизи бортов судна наблюдается понижение свободной поверхности, особенно в кормовой оконечности, вследствие сего увеличивается средняя осадка судна и возникает дифферент на корму (динамическая просадка судна).

С ростом числа Фруда происходит также увеличение высот и крутизны судовых волн, угол их раствора ДП судна постепенно увеличивается и с достижением критической скорости составляет 90 градусов. При попытке преодолеть критическую скорость за счет увеличения частоты вращения винтов положительного эффекта не дают и приводят лишь к избыточному расходу топлива, увеличению просадки (до 10 -15 % от средней осадки судна) и ухудшению устойчивости на курсе.

При движении со скоростью близкой к критической система носовых поперечных и расходящихся волн вырождается в одну большую поперечную волну, перемещающуюся перед форштевнем судна(рис.4.5).

Рис.4.5. Трансформация судовой системы волн на мелководье

При этом судно как бы толкает массы воды перед собой по ходу движения. Сопротивление воды дополнительно резко возрастает, скорость падает на 20 – 30 %. Примерный профиль одиночной волны приведен на рис.4.6.

Рис.4.6. Профиль одиночной волны