Дополнительные составляющие сопротивления

Сопротивление воздуха движению судна. Судно движется на границе двух сред и испытывает не только сопротивление воды, но и сопротивление воздуха, состоящее из сопротивления тре­ния и составляющей сопротивления давления вязкостной при­роды. Основную часть воздушного сопротивления (до 70%) создают надстройки судна, по своей конфигурации являющиеся плохо обтекаемыми телами. В практических расчетах воздуш­ное сопротивление определяют, используя результаты продувок моделей надводных частей корпусов судов, по формуле

(2.57)

где с — коэффициент воздушного сопротивления, определяемый экспериментально и изменяющийся для транспортных судов в пределах 0,7—1,2; — плотность воздуха; v — скорость судна, м/с; ±v_B — проекция скорости ветра на направление дви­жения судна (знак плюс отвечает встречному ветру, знак ми­нус— попутному); F_x—площадь проекции надводной части судна на плоскость мидель-шпангоута, м².

При заданной скорости ветра воздушное сопротивление до­стигает максимума, когда встречный ветер направлен под уг­лом 25—30° к диаметральной плоскости судна.

При выполнении расчетов сопротивления среды движению судна воздушное сопротивление обычно учитывается введением надбавки ζ_возд к коэффициенту полного сопротивления:

(2.58)

Сопоставляя выражения (2.57) и (2.58), находим

(2.59)

Отношение F_x/Q для грузовых транспортных судов обычно ле­жит в пределах 0,04—0,06. В этом случае получим

(2.60)

В среднем при безветрии можно принять .

Сопротивление выступающих частей. К выступающим час­тям, сопротивление которых добавляется к сопротивлению так называемого голого корпуса судна, относятся вертикальные и скуловые кили, кронштейны и выкружки гребных валов, рули, рудерпост и т. п. Эти части судна погружены достаточно глу­боко, и поэтому создаваемое ими дополнительное сопротивле­ние является фактически только вязкостным сопротивлением (волновое сопротивление пренебрежимо мало). В сопротивле­нии выступающих частей относительно небольшой длины в на­правлении потока обычно преобладает вихревая составляю­щая, а у выступающих частей значительной длины, расположен­ных по линиям тока, основную роль играет сопротивление трения.

Коэффициент сопротивления выступающих частей £ а может быть определен экспериментально путем сопоставления ре­зультатов испытаний модели голого корпуса и корпуса с вы­ступающими частями по формуле

(2.61)

Где — сопротивление модели голого корпуса; .— сопротивление модели с выступающими частями; — смо­ченная поверхность выступающих частей.

Согласно ОСТ 5.0181 — 75 рекомендуется принимать в рас­четах ходкости значения коэффициента сопротивления высту­пающих частей в следующих пределах:

для одновинтовых судов в зависи­мости от длины судна;

для двухвинтовых судов в зависи­мости от количества рулей и коэффициента общей полноты судна.

Влияние на сопротивление гидрометеорологических факто­ров. Сопротивление среды движению судна в условиях эксплуа­тации возрастает вследствие влияния ветра, волнения и тече­ния. При этом потеря скорости является следствием совокуп­ности следующих причин:

увеличения воздушного сопротивления;

дополнительного сопротивления, обусловленного килевой и вертикальной качкой;

потери энергии на отражение (дифракцию) волн от корпуса судна;

увеличения сопротивления вследствие движения судна с уг­лом дрейфа, вызванного влиянием ветра и волнения; увеличения сопротивления за счет рыскания судна; влияния ветрового течения;

изменения характеристик корпуса, двигателя и движителя. Рассматривая влияние волнения на сопротивление, можно от­метить следующее:

максимум дополнительного сопротивления от морского вол­нения имеет место в области резонанса килевой и вертикальной качки, причем килевая качка оказывает на сопротивление боль­шее влияние, чем вертикальная;

из всех параметров судна наибольшее влияние на дополни­тельное сопротивление от морского волнения имеет его длина.

Чем меньше судно, тем при меньшем волнении дополнительное сопротивление приобретает ощутимую величину. Максималь­ное влияние волнения наблюдается при отношениях K/L равных примерно 0,80—1,2.

Оценка влияния ветроволновых факторов на скорость судна производилась до последнего времени на основе обработки ста­тистических данных по приближенным эмпирическим форму­лам вида

2.62

где — средняя эксплуатационная скорость; v — скорость судна на тихой воде; h — высота наиболее значительных волн при данном состоянии моря; k₁, k₂, k₃ — эмпирические коэффи­циенты для каждого типа судна.

В настоящее время выполнены исследования по разработке теоретических методов расчета дополнительного сопротивления на волнении (А. И. Вознесенским, Г. А. Фирсовым, Хавелоком, Герритсма и Бейкельманом).

Вследствие сложного характера влияния ветра и волнения на увеличение сопротивления движению судна и обусловленную им потерю скорости теоретические методы расчетов, хотя и по­могли познать физику явлений, оценить соотношение влияю­щих факторов, долгое время не могли быть использованы для практических количественных оценок из-за большого объема вычислительной работы. Поэтому широко применялись экспе­риментально-теоретические приемы. В последние годы благо­даря использованию ЭВМ в инженерной практике на базе дан­ных модельных и натурных испытаний построены математиче­ские модели, позволяющие рассчитать потерю скорости судна на волнении, в том числе и нерегулярном (Л. С. Шифрнн, В. Б. Ляпис).

Однако в ряде случаев при движении судна в условиях сильного ветра и встречного волнения судоводитель вынужден уменьшать скорость или менять курс вследствие недопустимого возрастания динамических нагрузок на судовые конструкции, за- ливаемостн носовой оконечности или повышенных ускорений.

При балластном переходе или плавании с малой осадкой на встречном волнении возрастает вероятность ударов носовой оконечности о воду — слеминга. Кроме того, к принудительному снижению скорости в этих условиях может привести неравно­мерная работа двигателя со значительной пульсацией частоты вращения гребного винта вследствие его оголения при килевой качке. Бульбовый нос, повышающий скорость судна с грузом, также может явиться причиной намеренного снижения ско­рости при балластном переходе из-за возникновения слеминга.

Для исключения субъективизма в вопросе о действительной необходимости вынужденного снижения скорости судна в ЦНИИМФе разработана диаграмма, позволяющая выбрать безопасный режим штормового плавания судна в балласте или с промежуточной малой осадкой, обеспечивающий, с одной сто­роны, безопасность плавания, а с другой — максимальное исполь­зование для данных условий ходовых качеств судна (схема та­кой диаграммы представлена на рис. 2.20).

J_____ I____ I I I I I I I 4 5 6 7 5 7ij°/0,М Рис. 2.20. Схема диаграммы штормового плавания Л — максимально допустимая частота вращения прн длительной работе без перегрузки; В — максимально допустимая частота вращения при слсмииге для различных осадок носом: С — максимально допустимая частота вращения при «разгоне» гребного винта для постоянных значений осадки кормоП; / — частота вращения вала прн const на волнении