Причиной возникновения сопротивления трения, как уже указывалось, является вязкость жидкости. Сцепление отдельных частиц жидкости между собой и с наружной обшивкой судна приводит к тому, что по всей подводной поверхности судна возникают силы, касательные к элементам этой поверхности и противодействующие движению судна. На величину сопротивления трения в первую очередь влияют размеры поверхности корпуса, скорость и характер его обтекания.
Пограничный слой. Поток вязкой жидкости, обтекающей судно или какое-либо другое тело, принято условно разделять на три области :
область 1 (пограничный слой) - непосредственно прилегающая к телу зона, в которой свойства вязкости жидкости проявляются наиболее интенсивно;
область 2- область потенциального потока, в которой силы вязкости утрачивают свое значение и жидкость можно рассматривать как идеальную;
область III- область гидродинамического следа, в которой частицы еще подтормаживаются телом, но скорости их стремятся выровняться за счет взаимодействия с внешним потоком.
В пограничном слое происходит интенсивное изменение скорости потока от нуля (при обращенном движении) на поверхности тела до скорости внешней среды на границе слоя. Поперечный размер пограничного слоя характеризуется его толщиной б, определяемой как расстояние от стенки тела до точки, в которой скорость составляет 99,5 % скорости потока.
Режим движения жидкости в пограничном слое характеризуется местным числом Рейнольдса:
где х - отстояние данного сечения от носовой оконечности тела. В зависимости от Rex поток в пограничном слое может быть ламинарным или турбулентным.
Сопротивление трения можно рассчитать двумя путями. Первый путь, использующий закономерности трехмерного пограничного слоя, в практических расчетах не применяют. Второй путь заключается в определении безразмерного коэффициента трения ζfвходящего в частную формулу сопротивления:
В 1871 г. Уильям Фруд пришел к мысли о возможности определения сопротивления трения судна путем буксировки тонких длинных досок, у которых практически могли быть исключены силы давлений и оставлены только силы трения. В результате таких испытаний Фруд установил, что сопротивление трения зависит от скорости буксировки пластин (досок), площади их смоченной поверхности и состояния последней, определяемого коэффициентом f:
Его сын Реджинальд Фруд расширил и обобщил эксперименты отца и получил формулу:
На основе опытов Фрудом было введено понятие об эквивалентной технически гладкой пластине, буксировка которой позволяет определить значение сопротивления трения данного судна (если такая буксировка была бы возможной). Под эквивалентной пластиной понимается плоская тонкая технически гладкая пластина, имеющая длину; равную длине судна по действующей ватерлинии, смоченную поверхность, одинаковую со смоченной поверхностью судна, и движущаяся со скоростью судна. При этом режимы обтекания в пограничном слое судна и пластины должны быть идентичны.
7. Сопротивление формы и пути его уменьшения.
Сопротивление формы составляет некоторую долю вязкостного сопротивления и представляет собой часть результирующей гидродинамического давления, возникающую в результате его перераспределения вдоль корпуса, вызванного влиянием вязкости жидкости на поток, обтекающий тело. Для судов с традиционными обводами роль этой составляющей в общем балансе сопротивления сравнительно невелика. Однако она существенно повышается для крупных судов с полными обводами, а для тел или судов с весьма малым удлинением сопротивление формы может составлять основную часть полного сопротивления. К таким судам и телам относятся баржи, понтоны, шары, цилиндры и др.
Причины возникновения и физическая сущность сопротивления формы могут быть объяснены следующим образом. При обтекании судна потоком жидкости давление в ней падает от носа до миделя и нарастает от миделя в корму. В области отрицательного градиента давления, т. е. от носа до миделя, частицы жидкости движутся с положительным ускорением, величина которого пропорциональна градиенту давления. В области мидель-шпангоута скорость частиц достигает максимального значения, и в потоке устанавливается минимальное давление. Далее, от миделя в корму движение происходит против возрастающего давления, т. е. с отрицательным ускорением :
Рис.(Изменение давления в пограничном слое)
Точку А , называют, точкой отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя с образованием вихрей искажает картину обтекания судна в его кормовой части по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обтекании идеальной (невязкой) жидкостью. Давление в кормовой части судна уменьшается и, следовательно, появляется результирующая нормального давления, направленная в сторону, противоположную движению судна. Эта результирующая и является сопротивлением формы судна. Поскольку величина сопротивления формы зависит от интенсивности вихреобразования, то его часто называют вихревым сопротивлением.
Величина сопротивления формы в значительной мере зависит от степени обтекаемости тела, а также от характера обтекания: при ламинарном режиме течения в пограничном слое его отрыв наступает раньше, чем при турбулентном режиме. Это объясняется меньшей скоростью, а следовательно, и меньшей кинетической энергией частиц жидкости вблизи поверхности тела.
У хорошо обтекаемых тел и судов с большим удлинением и заостренной кормовой оконечностью запас кинетической энергии частиц жидкости может оказаться достаточным для одновременного преодоления как сил трения, так и возрастающего давления на пути от миделя к корме, и отрыва пограничного слоя может не произойти. В этом случае пограничный слой в кормовой оконечности плавно сходит с поверхности тела, превращаясь в спутную струю, но при этом линии тока все, же отклоняются от поверхности тела, причем это отклонение с ростом толщины пограничного слоя увеличивается по мере приближения к корме. Изменение картины линий тока по сравнению с картиной, которая наблюдается при обтекании тела идеальной жидкостью, приводит к изменению местных скоростей обтекания, а следовательно, и давлений. Вследствие перераспределения давлений их результирующая вдоль потока становится отличной от нуля, представляя собой сопротивление формы хорошо обтекаемого тела.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.