Параметры сопротивления окружающей среды при движении судов и плотов

Параметры сопротивления окружающей среды при движении судов и плотов

Контрольная работа

Параметры сопротивления окружающей среды при движении судов и плотов

План

1. Сопротивление воды движению судов в неограниченном потоке

. Сопротивление воды движению судов в ограниченном потоке

. Сопротивление среды движению плотов

. Сопротивление воздушной среды движению судов

Литература

1. Сопротивление воды движению судов в неограниченном потоке

Для того чтобы судно имело поступательное движение, к нему необходимо приложить внешнюю силу, которую принято называть для самоходного судна движительной силой тяги Ре. Эта сила в начальный еще неустановившийся период движения будет расходоваться на преодоление инерции массы судна и сопротивления воды движению судна R. Уравнение движения судна может быть записано в следующем виде

.

После преодоления инерционных сил, когда судно будет двигаться равномерно, вся движительная сила тяги, как это видно из уравнения, будет расходоваться лишь на преодоление сил сопротивления воды движению судна.

Уравнение движения в этом случае примет вид

Если судно буксирует какой - либо воз, состоящий из плотов и судов, то уравнение движения (при установившемся движении) примет следующий вид

 ,

где ΣRв - сопротивление воды движению воза.

Разность между движительной силы тяги и собственным сопротивлением судна принято называть силой тяги на гаке PГ:

.

Таким образом, для установления численного значения движительной силы тяги и силы тяги на гаке необходимо знать величину сопротивления воды корпусу судна и буксируемому возу. Вопросу определения численного значения сопротивления воды движению судов и плотов уделяется большое внимание, так как от степени точного нахождения величины сопротивления зависит правильность решения целого ряда вопросов эксплуатации флота и прежде всего таких, как определения мощности судовых установок, определения наибольшей величины скорости хода при буксировке воза и т.д.

Полная величина сопротивления воды движению судна может быть представлена в следующем виде:

,        

где R - сопротивление воды H;

r = 1000 - массовая плотность воды,

V - скорость хода судна, м/сек;

Ω - смоченная поверхность судна, м;

s - безразмерный коэффициент сопротивления.

Теоретически и экспериментально было установлено, что полное сопротивление воды движению судна можно рассматривать состоящими из трех составляющих: сопротивления трения Rтр, сопротивления формы или вихревого сопротивления Rф и волнового сопротивления Rв, т.е.

.

Все три составляющих сопротивления взаимно влияют друг на друга. Однако при их определении этим влиянием пренебрегают и считают, что действие сил вязкости, обусловливающее наличие сопротивления трения и вихревого сопротивления, и сил тяжести, обусловливающее наличие волнового сопротивления, проявляются независимо.

Сопротивление трения судна есть результат проявления сил вязкости воды, в которой перемещается судно. При движении судна частицы воды благодаря вязкости увлекаются корпусом и на его поверхности образуется сравнительно тонкий слой воды, именуемый пограничным слоем, который вовлекается в поступательное движение вместе с судном. При этом непосредственно на поверхности корпуса скорость частиц жидкости вследствие «прилипания» к обшивке будет ровна нулю. По мере удаления от корпуса скорость частиц жидкости будет возрастать и на внешней границе пограничного слоя, толщина которого увеличивается по длине судна от носа к корме, будет ровна относительной скорости потока.

Благодаря наличию сил вязкости в жидкости на поверхности подводной части корпуса будут действовать касательные силы трения, направленые против движения судна.

Сумма касательных сил трения по всей омываемой поверхности определяет собой численное значение сопротивления трения.

Пренебрегая влиянием кривизны поверхности судна на трение, величину сопротивления трения можем определить по следующей формуле

,

где ξтр - коэффициент сопротивления трения технически гладкой эквивалентной пластины, у которой длина и смоченная поверхность численно равны длине и смоченной поверхности судна;

∆ξш - надбавка к коэффициенту сопротивления трения за счет влияния общей и местной шероховатости обшивки.

Коэффициент сопротивления трения технически гладкой эквивалентной пластины зависит от числа Рейнольдса Rе и определяется обычно по формуле Прандтля - Шлихтенга

или по формуле Г.Е. Павленко

 .

Число Rе в свою очередь определяется зависимостью

,

где V - скорость судна, м/сек;

L - длина корпуса судна, м;

U - кинематический коэффициент вязкости воды, который зависит от её температуры и при t = 4оC принимается равным 1,87 х 10 м2/с.

Поскольку поверхность корпуса не бывает технически гладкой, то влияние так называемой шероховатости обшивки, обусловленное наличием на ее поверхности сварных швов, неровностей, мелко выступающих деталей, учитывается введением в формулу сопротивления ∆ξш- постоянного коэффициента надбавки на шероховатость, не зависящего от числа Rе.

Численные значения ∆ξш берутся согласно таблицы, где они приводятся в зависимости от типа судна.

Для определения сопротивления необходимо вычислить смоченную поверхность корпуса Ω. Для ее вычисления используют теоретический чертеж и по нему определяют длину каждого шпангоута до расчетной ватерлинии с помощью, например, циркуля, а затем находят Ω по известным формулам, вытекающим из правила трапеций.

При отсутствии теоретического чертежа значение Ω находится по одной из следующих формул:

а) для не самоходных клинообразных судов с плоским дном

Ω=L(2T+B);

б) для самоходных клинообразных судов

Ω=0,9L(2T+B);

в) для ложнообразных несамоходных судов

Ω=L(1,7T+σB);  

г) по формуле С.П. Мурагина, которая дает отклонения от теоретического чертежа в пределах 3%

Ω=L(1,36T+1,13σB),

д) по формуле Мамфорда, которая дает весьма хорошие результаты

Ω=1,05L(1,7T+σβ);

где L,B, и Т - длина судна по грузовую ватерлинию (ГВЛ), его ширина и осадка, м;

σ - коэффициент полноты ГВЛ;

β- коэффициент водоизмещения для расчетной осадки судна.

Как видно для определения, сопротивления трения приходится производить довольно громоздкие вычисления, которые все же не всегда могут обеспечить требуемую точность из-за коэффициента надбавки на шероховатость ∆ξш, который принимается с определенной долей субъективности, в силу этого на практике иногда удовлетворяются и менее точными формулами, позволяющими быстро определить значение Rтр

Приведем одну из таких формул

,

где f - размерный коэффициент сопротивления трения.

Остаточное сопротивление судна. Разность между полным сопротивлением и сопротивлением трения носит название остаточного сопротивления. Таким образом, под остаточным сопротивлением понимается сумма двух видов сопротивлений: сопротивления формы, или вихревого сопротивления, и волнового сопротивления. Рассмотрим каждый из этих двух видов сопротивления в отдельности.

Частица жидкости, обтекающая корпус и движущаяся в пограничном слое с носа в корму, в начале из области повышенного давления А в область повышенного давления (средняя часть корпуса) С, а затем, перемещаясь в сторону возрастающего давления D, B подтормаживается и может даже изменить направление своего движения. В этом случае происходит, как говорят, отрыв пограничного слоя, и масса жидкости, прилегающая непосредственно к обшивке корпуса, начинает двигаться в противоположную сторону.

I - зона отрыва пограничного слоя

Рисунок 1 - Вихревое сопротивление

Отделяющийся от корпуса пограничный слой приводит к образованию вихрей, эти вихри понижают давление в кормовой части судна, что вызывает дополнительное сопротивление получившего название вихревого. Чем более тупое образование имеет кормовая часть судна, тем область пониженного давления ближе к миделю, тем больше становится величина вихревого сопротивления, зависящего от формы судна, в силу чего оно и называется так же сопротивление формы.

Таким образом, на величину вихревого сопротивления существенное влияние оказывает форма кормового очертания судна.

Сопротивление вихревое или сопротивление формы может быть представлено следующей формулой

где - коэффициент сопротивления формы, зависит в основном от заострения кормовых обводов корпуса и от соотношения длины корпуса и ширины.

Для приближенного определения коэффициента вихревого сопротивления можно воспользоваться следующей формулой

где Lк - длина кормового заострения судна т.е. расстояние от конца цилиндрической части до ахтерштевня;

F - площадь погруженной части мидель ~ шпангоута.

На величину вихревого сопротивления влияют и выступающие части судна, как - то: выходы гребных винтов, боковые кили, которые также образуют дополнительные вихри, увеличивающие общее вихревое сопротивление движению судна.

Волновое сопротивление. При движении судна на спокойной водной поверхности образуется система волн это система волн, на образование которой затрачивается энергия, состоит из двух групп носовой и кормовой. Носовая группа зарождается несколько позднее форштевня, а кормовая - несколько впереди ахтерштевня. Каждая группа волн состоит в свою очередь из двух систем - расходящейся и поперечной.

Расходящиеся волны образуются в основном за форштевнем, располагаясь в эшелонном порядке, и представляют собой короткие отрезки волн, параллельные друг другу.

Середины этих волн располагаются по линии, составляющей с ДП углом β равный 18-20о для неограниченных глубин и 20-35о для ограниченных глубин.

Угол между направлением гребня и ДП (угол α) оказывается связанным определенным законом с углом β, так что α=2β, а расстояние между гребнями расходящихся волн примерно соответствует выражению

Эти расходящиеся системы волн хорошо проявляются при малых скоростях движения судна и большой глубине.

С увеличением скорости движения судна особенно интенсивно начинает проявляться поперечная система волн, которая своими гребнями располагается перпендикулярно направлению движения судна.

Поперечная система волн располагается внутри «треугольника», образуемого расходящейся системой волн.

Если длина судна относительно большая, то носовая система поперечных волн, подойдя к кормовой части корпуса, значительно затухает.

В случае небольшой длины корпуса носовая система поперечных волн будет накладываться на кормовую систему или, как в таких случаях говорят, будет интерферировать с кормовой системой волн.

Интерференция с точки зрения величины волнового сопротивления будет не благоприятной, если гребень носовой группы поперечных волн накладывается на гребень кормовой группы, и благоприятной, если гребень носовой группы накладывается на подошву кормовой группы поперечных волн.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что величина волнового сопротивления с ростом скорости судна увеличивается по сложной зависимости.

Волновое сопротивление может быть представлено следующим выражением

где ξвол - коэффициент волнового сопротивления, зависящий от так называемого числа Фруда.

где  - скорость судна, м/сек;

g - ускорение силы тяжести, м/сек2;

L - длина судна, м.

Если построить график значения коэффициента волнового сопротивления ξвол в зависимости от числа Fч, то при определенном значении числа Fч кривая ξвол будет иметь максимумы, что является следствием не благоприятной интерференции волн. С ростом числа Fч величина волнового сопротивления существенно увеличивается и становится преобладающей частью в суммарном сопротивлении судна.

Обычно в существующей практике определения сопротивления судна волновое сопротивление определяется в сумме с сопротивлением формы. Величина суммарного сопротивления, как об этом упоминалось ранее, носит название остаточного сопротивления:

Остаточное сопротивление может быть представлено в следующем виде

.

Или

,

где ξост и Со - коэффициенты остаточного сопротивления;

V - водоизмещение судна, м3.

Величина остаточного сопротивления судна существенно зависит от соотношения геометрических характеристик корпуса судна и коэффициентов полноты соотношений, например

L/β, Т/ β, , Lц /L,

где Lц - длина цилиндрической вставки судна.

2. Сопротивление воды движению судов в ограниченном потоке

сопротивление среда движение судно

Все выведенные ранее зависимости по определению величины сопротивления, воды движению судов относились к неограниченному потоку.

В действительности же при эксплуатации судов мы часто встречаемся со случаями, когда либо ширина, либо глубина водных потоков бывает ограниченной, а иногда эти ограничения наступают одновременно. Практика эксплуатации судов показала, что с переходом судна в ограниченную среду сразу возрастает величина сопротивления движению и падает скорость движения судна

а) в неограниченном потоке, когда ни дно, ни берега не оказывают влияния на движение судна и величину сопротивления движению;

б) в потоке с ограниченной глубиной, когда донный запас оказывается небольшим, и близко расположенное днище судна к дну русла будет оказывать влияние на величину сопротивления воды движения судна;

в) в потоке с ограниченной глубиной и шириной, что имеет место при движении судов по каналам и узким рекам; в этом случае на величину сопротивления движению судна оказывает влияние не только дно, но и берега русла.

Анализ большого количества данных динамометрирования судов по определению их сопротивления движению в ограниченных потоках показывает следующее:

с уменьшением отношения глубины водоема h к осадке судна Т или поперечного сечения подводной части судна Ω к поперечному сечению водоема F сопротивление воды движению судна становится тем больше, чем меньше это отношение при постоянной скорости движения судна;

c увеличением скорости движения судна в ограниченных потоках сопротивление движению судна растет более интенсивно, чем это имело место в неограниченных потоках.

Форма поперечного потока также оказывает существенное влияние на величину сопротивления движению судна; опыты показали, что наименьшее сопротивление движению судна оказывает прямоугольное сечение канала, а не трапецеидальное или параболическое.

Причина, вызывающая увеличение сопротивления движению судна в ограниченном потоке, обусловлена более интенсивным изменением скоростей обтекания по сравнению с условиями обтекания судна, плавающего в неограниченном потоке. Движение судна в ограниченном потоке приводит к стеснению потока, вследствие чего увеличиваются скорости обтекания корпуса, что в свою очередь приводит к появлению дополнительного сопротивления. За счет увеличения скорости обтекания корпуса увеличивается не только сопротивление трения и формы, но и составляющая волнового сопротивления.

В связи со значительной сложностью рассмотренных явлений на сегодня еще нет точного решения вопроса о величине сил сопротивления судна при движении его в ограниченном потоке, хотя некоторыми авторами предложен ряд теоретических решений. Многие авторы в своих расчетных зависимостях по определению сопротивления судов в ограниченном потоке вводят поправочные коэффициенты к сопротивлению, вычисленному для условий плавания в неограниченном потоке, а величину этих поправочных коэффициентов рекомендуют определять в зависимости от степени стеснения судном глубины или ширины потока. Некоторые авторы рекомендуют увеличивать в зависимости от степени стеснения потока величину коэффициентов сопротивления трения и остаточного сопротивления или в ряде случаев в расчетных формулах увеличивают показатель степени при скорости движения судна.

Для определения сопротивления воды движению буксируемых судов или тихоходных речных судов на мелководье может быть использована следующая формула

,

где f1 - коэффициент сопротивления трения бортов судна, кг/м3;  - смоченная поверхность бортов судна, ; f2 - коэффициент сопротивления трения днища, кг/м3;  - смоченная поверхность днища судна, ;  - коэффициент сопротивления формы, кг/м3; F - площадь погруженной части мидель - шпангоута.

3. Сопротивление среды движению плотов

Расчетных зависимостей для определения сопротивления движению плотов много и все они одинаковой структуры. Различие состоит в том, что в одних формулах учитываются интервалы между сплоточными единицами, входящими в плот, в других - учитываются изгибы плота, в третьих - влияние волн, а в некоторых формулах - все перечисленные факторы. Учет всех этих факторов осложняет расчеты и не дает надежных результатов. Правильная оценка их весьма затруднительна.

В «Технических условиях проектирования предприятий» сопротивление среды движению плотов рекомендуется определять по формуле:

;

В этой формуле первые два слагаемых представляют собой сопротивление воды - сопротивление трения и вихревое сопротивление, третье слагаемое учитывает влияние уклона свободной поверхности и вводится со знаком (+), если плот буксируется против течения; со знаком (-), если по течению, и отсутствует при буксировании плотов по озерам и водохранилищам. Последние два слагаемых представляют собою сопротивление ветра.

В приведенной выше формуле:

f - коэффициент сопротивления трения (f=4.5 кг./);

 - смоченная поверхность плота, ;

В/Т ………….1 10 20 40 60 100 200

, кг/м3 …560 710 790 880 920 960 1000

В той же формуле - погруженная в воду площадь поперечного сечения плота, ;

 - скорость движения плота относительно спокойной воды, ;  уклон свободной поверхности водного пути;  - весовое водоизмещение плота, кН (V - объем плота, ); Sв - площадь плота в плане, подверженная действию воздушной среды, .

Принимая во внимание, что поверхность плота не является плоскостью, величину Sв определяют следующим образом:

,

где L - длина плота, м; В - ширина плота, м; Fв - площадь поперечного сечения надводной части плота,

,

где h - высота надводной части плота, м.

В технических условиях в составляющую сопротивления от воды рекомендуют вводить поправочный коэффициент со значением 1,2, если плот буксируется на коротком буксирном канате Lб, оптимальную длину которого следует определять в зависимости от мощности буксира Nл.с .

Nл.с 90-120 120-300 300-500 500-800 800-1200

Lб 80-150 150-200 200-250 250-300 300-350

В случае буксирования плота на мелководье в составляющую сопротивление от воды рекомендуется вводить поправочный коэффициент со значением 1, 3, а при буксировке по озёрам при ветре 7-9 м/с, кроме учёта ветрового сопротивления, в сопротивление от воды за счёт волнения следует ввести поправочный коэффициент со значением 1, 25.

Величина сопротивления воды движению плотов может быть определена по следующей формуле

 ,

где f - коэффициент сопротивления трения принимают в зависимости от отношения длины к ширине плота.

k - поправочный коэффициент (для плотов прямоугольной формы k=1, 0, а для сигарообразной k= 0, 84).

 5 10 20 30 40 50

f 8,5 7,8 7,5 7,2 7,0 6,9

φ - коэффициент остаточного сопротивления, принимают по таблице в зависимости от площади погруженной части миделевого сечения и скорости относительного движения плота, составленного из пучков.

Приведённые в таблице значения  должны быть увеличены для плотов, составленных из сплоточных единиц прямоугольной формы в 1, 5 раза.

Для плотов, составленных из единиц сигарообразной формы, значения  должны быть против табличных уменьшены вдвое.

4. Сопротивление воздушной среды движению судов

Суда при своём движении встречают также и сопротивление воздушной среды, причём совершенно ясно, что величина сопротивления зависит как от площади выступающей надводной части судна (корпуса и надстроек), так и от величины скорости ветра и направления его действия.

Выражение для определения величины сопротивления воздушной среды имеет вид, аналогичный ранее рассмотренным формулам, а именно:

,

где  - безразмерный коэффициент воздушного сопротивления, численные значения которого различны для встречного и бокового ветра; определяется путём продувки модели судна в аэродинамической трубе;

S - площадь проекции надводной части корпуса и надстроек или на плоскость миделя (для встречного ветра), или на диаметральную плоскость (для бокового ветра), м2 ;

 - массовая плотность воздуха при 150 Си давлении 760 мм составляет 1,2 кг/м3;

в- скорость судна относительно воздуха, м/с.

Наибольшее сопротивление оказывает лобовой ветер. Для этого случая значения  можно принять:

а.      Для судов с плоскими торцовыми стенками надстроек, составляющими прямой угол с продольными стенками 0,8;

б.      Для судов с закругленными углами надстроек 0,7 - 0,8;

в.      Для судов с частично обтекаемой формой 0,6 - 0,7.

Значения в-- в этом случае следует определять так согласно выражению:

,

где  - скорость движения судна, м/с;

в- скорость движения встречного ветра, м/с.

Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний показывают, что при в.в. до 10 м/с воздушное сопротивление составляет 2-3% от полного сопротивления судна. При более сильном ветре имеют место волнения, которые приводят к значительному возрастанию сопротивления.

Литература

1.    Расчет и анализ показателей пропульсивного комплекса судна: методические указания 2007 Авторы: Кеслер А.А.

2.      Расчет характеристик винта при выборе гребного электродвигателя. Методические указания, 2011. Авторы: Кеслер А.А., Фунтикова Е.В.

.        Решение задач по плавучести и остойчивости. Методические указания, 2012 Авторы: Фунтикова Е.В.

.        Сборка корпусов металлических судов. Ч. 1. Основные методы узловой и секционной сборки : метод. пособие,2010 Авторы: Бурмистров, Е.Г

.        Сварочные и газотермические процессы. Методические указания, 2010 Авторы: Бурмистров Е.Г. , Зяблов О.К.

.        Сравнительный анализ эксплуатационно-технических показателей судов и систематизация судового энергетического оборудования: Методические указания, 2003 Авторы: Кеслер А.А.

.        ТЕОРИЯ И УСТРОЙСТВО СУДНА. Ч. 1. Геометрия корпуса и плавучесть судна. Учебное пособие, 2012 Авторы: Кеслер А.А.

.        Технологическая судоремонтная практика. Методические указания, 2011.