Влияние размеров, формы и дифферента судна на его сопротивление

Влияние водоизмещения геометрически подобных судов на сопротивление.

Можно рассматривать два способа вариации размеров судов — при сохранении неизменной относительной либо абсолютной скорости движения. В первом случае (Fr e const) коэффициент волнового сопротивления будет постоянным: Cw — const, число Рейнольдса возрастет, а коэффициент вязкостного сопротивления уменьшается с ростом размеров. Действительно, в соответствии с (3.16) и (3.18) снизится сопротивление трения и формы гладкого судового корпуса (коэффициент сопротивления шероховатости также имеет тенденцию к снижению с ростом размеров судна за счет уменьшения (k6/L) при неизменной технологии обработки поверхности) (см. п. 3.3).

Коэффициенты сопротивления выступающих частей и воздушного можно считать неизменными; тогда для коэффициентов полного сопротивления будет верным соотношение С, > С₂, где индекс «1» относится к судну с меньшими размерами. С учетом равенства чисел Фруда найдем отношение удельных сопротивлений рассматриваемых судов:

Количественная оценка выражения (3.71), произведенная С. П. Мурагиным, показывает, что изменение размеров судна в 2 раза приводит к росту удельного сопротивления не более чем на 4%.

Если при изменении размеров геометрически подобных судов сохраняется постоянной скорость движения (а, =* v₂), то все составляющие сопротивления, включая и волновое, также будут изменяться. Коэффициент вязкостного сопротивления будет падать с ростом размеров судов, характер изменения волнового сопротивления будет иметь такую же тенденцию, как и в первом случае (Fr = const), поскольку увеличение длины снижает число Фруда. Однако наличие зон благоприятных и неблагоприятных скоростей (см. п. 3.2) в каждом конкретном случае может сделать картину неоднозначной. В целом, небольшие, в пределах 10−15%, изменения размеров геометрически подобных судов не приводят к сколь-нибудь значительным изменениям удельного сопротивления.

Влияние формы корпуса на сопротивление.

Обводы корпуса характеризуются большим количеством различных геометрических параметров: соотношениями главных размерений, коэффициентами полноты теоретического чертежа, формой ватерлиний, шпангоутов и т. д.

Анализ экспериментальных данных, и в первую очередь результатов испытаний систематических серий моделей, позволил выявить несколько основных характеристик формы корпуса, оказывающих преобладающее влияние на сопротивление. К ним относятся: коэффициент общей полноты 6, относительная длина L/B, или L/Y^, отношение ширины к осадке В/Т', а также обводы корпуса в оконечностях. Следует отметить, что влияние каждого из них рассматривать изолированно можно только с большой степенью условности, поскольку все они взаимосвязаны:

Сопротивление трения практически не зависит от кривизны поверхности (см. и. 3.2), поэтому любые изменения геометрии корпуса будут сказываться только на коэффициентах сопротивления формы C_vp и волнового С^ Для сравнительно тихоходных судов с полными образованиями в силу невысоких чисел Фруда основную роль будет играть изменение величины C_vpt для относительно быстроходных — C_w. Увеличение коэффициента общей полноты 6 приводит к росту обеих составляющих — C_vp и C_w (см. рис. 3.8 и 3.13, где приведены зависимости C_R = (C_vp + С^) = / (5) при Fr = const). В самом первом приближении влияние 8 на сопротивление формы можно оценить с помощью выражений (3.19) и (3.20), которые, однако, не учитывают возможного для полных судов отрыва потока в кормовой оконечности. Предотвратить последний можно, следуя рекомендациям Бэкера, который еще в 30-е гг. прошлого столетия установил зависимость предельной длины кормового заострения L_K от площади мидель-шпангоута со_м:

Соотношения главных размерений и полноту обводов судна обычно выбирают исходя из требований упрощения его конструкции и технологии постройки, обеспечения заданной грузовместимости, ряда эксплуатационных и мореходных качеств. При этом вопросы снижения сопротивления, а следовательно и энергозатрат, на движение судна, далеко не всегда являются определяющими. Современные крупнотоннажные суда не удовлетворяют критерию Бэкера, хотя, как показывают экспериментальные исследования, это не обязательно приводит к отрыву. Найдено, что на его развитие большее влияние оказывает крутизна кормовых ветвей ватерлиний. А. Ф. Пустотный и Ю. С. Базилевский установили, что для исключения отрыва углы наклона касательных к ватерлиниям в корме должны быть менее чем а_к — 33°. Японские исследователи рекомендуют длину кормового заострения выбирать, руководствуясь соотношением.

Однако и эти, обычно менее жесткие, чем критерий Бэкера, требования не всегда могут быть выполнены. Иллюстрацией тому служит, в частности, рис. 3.22, на котором изображены пределы изменения коэффициента формы в функции от коэффициента общей полноты современных судов. При относительно небольших и умеренных значениях 8 < 0,75 обеспечивается безотрывное обтекание, пределы изменения значений C_vp не велики. В зоне высоких значений 5 > 0,8 отрыв пограничного слоя зачастую предотвратить не удается: при 8 = const величина коэффициента C_vp может изменяться в 2 раза и более. Нижняя граница C_vp (8) соответствует примерно значениям коэффициента формы, рассчитанного по (3.20), причем росту коэффициента сопротивления формы способствует не только отрыв, но и разрушающаяся подпорная волна и скуловые вихри. Последние явления характерны для судов с очень полными образованиями (8 > 0,8); в отдельных случаях вызванное ими сопротивление может составлять до 20% от полного.

Рис. 3.22. Коэффициент сопротивления формы в функции от коэффициента общей полноты.

Относительно невысокие цены на топливо в 60-х гг. прошлого века послужили толчком к строительству крупнотоннажных танкеров водоизмещением до 500 тыс. т. При этом большая полнота обводов (8 = 0,83) сочеталась у них с малой относительной длиной L/B — 5−5-6. Это — так называемые полно-короткие суда. Последовавшее вскоре резкое повышение цен на топливо (энергетический кризис середины 70-х гг.) привело к снижению дедвейта подобных судов и выработке некоторого эмпирического правила, когда при низких значениях относительной длины L/B ~ 5,5 коэффициент общей полноты 8 0,8 принимают L/B > 6.

Увеличение длины судна L при неизменном объемном водоизмещении V приводит к увеличению относительной длины L/B, или L/V^1/3, что, в свою очередь, способствует тем большему снижению волнового сопротивления, чем выше относительная скорость Fr; уменьшается и сопротивление формы [см. (3.19), (3.20)]. Однако при этом возрастает площадь смоченной поверхности, что сопровождается ростом сопротивления трения.

В связи с изложенным существует область оптимальных значений L/B (или L/V'^/3), соответствующая минимальному полному сопротивлению. На практике, однако, используют существенно меньшие, чем оптимальные, значения относительной длины, поскольку ее увеличение ухудшает ряд других показателей судна: прочность, технологичность постройки, экономичность.

Отношение В/Т влияет на сопротивление не однозначно. С одной стороны, увеличение В/Т приводит к концентрации подводного объема судна вблизи поверхности воды и, как следствие, к увеличению волнового сопротивления, с другой — оно сопровождается некоторым уменьшением сопротивления формы, что в явном виде следует из формулы (3.20). Рост В/Т при неизменных значениях L и V приводит к снижению отношения L/B [см. (3.73)] и уменьшению площади смоченной поверхности [см. зависимость a_B/r -/(В/Т) на рис. 3.15]. Наложение всех перечисленных выше эффектов приводит к тому, что влияние отношения В/Т на полное удельное сопротивление R/G оказывается достаточно слабым и не превышает ±(3−5)%.

Практически для транспортных судов всех типов (8 — 0,50−0,85) может оказаться существенным влияние носового бульба на сопротивление. Для относительно быстроходных судов положительное влияние бульба объясняется благоприятной интерференцией волновых систем, создаваемых бульбом и корпусом. Установка носового бульба у судов полных образований в некоторых случаях приводит к снижению сопротивления на 15% и более. Эта величина существенно превышает долю волновой составляющей в общем балансе сопротивления тихоходных судов этой категории. В данном случае сказывается положительное влияние бульба на снижение и вязкостных составляющих, обусловленных разрушением подпорной волны и образованием скуловых вихрей. Перенос части объема корпуса судна в вынесенный вперед бульб позволяет уменьшить угол входа носовой ватерлинии и обеспечить более плавный переход борта в днище в районе носовой скулы.

Влияние формы носовых шпангоутов не однозначно: для относительно быстроходных судов с невысокими значениями 8 целесообразны шпангоуты U-образной формы; при 8 > 0,70 V-образные шпангоуты способствуют некоторому снижению сопротивления.

Изложенное выше относится к движению судна на тихой воде. В условиях волнения носовой бульб увеличивает дополнительное сопротивление, а V-образная форма носовых шпангоутов у быстроходных судов его снижает.

Влияние формы кормовых шпангоутов на сопротивление незначительно, однако предпочтение обычно отдается U-образным шпангоутам, обеспечивающим более равномерное поле скоростей в диске гребного винта.

В последнее время на многих специализированных быстроходных транспортных судах (контейнеровозы, лихтеровозы) кормовую оконечность завершают транцем, дающим определенные преимущества при грузообработке. Однако погружение транца в воду приводит к отрыву потока на фиксированных кромках и появлению дополнительного сопротивления, пропорционального погруженной площади. В свою очередь, последняя определяется не только посадкой судна, но и ходовым дифферентом, а также волновым профилем в кормовой оконечности.

Следует отметить, что при выборе формы корпуса судна следует учитывать ее влияние не только на сопротивление, но также и на работу гребного винта. Поэтому отработка формы кормовой оконечности судна приобретает особое значение.

Влияние дифферента судна на его ходовые качества было отмечено давно. С точки зрения теории ничего странного в этом нет: изменение посадки при постоянном водоизмещении приводит к изменению формы корпуса ниже ватерлинии, что немедленно влечет за собой изменение сопротивления движению. Действительно, обводы оконечности, погрузившейся в воду, приполняются, вышедшей из воды — заостряются. Таким образом можно предположить, что дифферент на корму сопровождается увеличением сопротивления формы и некоторым снижением волнового сопротивления, соответственно дифферент на нос приводит к противоположному эффекту. Сопротивление в целом в каждом конкретном случае будет определяться соотношением положительных и отрицательных изменений. Многие современные суда имеют носовой бульб, а также транцевую корму. Указанные конструктивные особенности привносят дополнительные причины влияния на сопротивление дифферента, изменение которого сопровождается изменением заглубления бульба и погружения транца. Последнее также в значительной степени определяется как динамическим изменением посадки, так и волновым профилем, которые, в свою очередь, будут зависеть от относительной скорости движения — числа Фруда.

Изложенные обстоятельства делают теоретические прогнозы влияния дифферента малоперспективными — сопротивление зависит от слишком большого, чтобы все их корректно учесть, количества факторов. Это бульб и транец, их форма, размеры и расположение относительно поверхности воды, форма носовых и кормовых ветвей ватерлиний, ходовой дифферент, картина волнообразования и др. Поэтому основным способом исследования влияния дифферента на сопротивление является эксперимент. Таковых, модельных и натурных, было проведено достаточно много, основная цель всех — определение оптимального дифферента, при котором либо сопротивление модели минимально, либо скорость движения судна, при неизменной мощности, максимальна.

Наиболее общие выводы, следующие из анализа испытаний различных систематических серий моделей, сводятся к следующему:

• — для каждого судна оптимальный дифферент зависит от нагрузки и скорости движени;
• — влияние дифферента на ходовые качества в наибольшей степени проявляется для сравнительно полных, относительно тихоходных судов;
• — положительный эффект от выбора оптимального дифферента сравнительно невелик и по сопротивлению и мощности составляет 3−9%;
• — трудно рассчитывать, что можно создать надежную, пригодную для различных судов, расчетную методику выбора оптимального дифферента — неизбежные погрешности приближенной методики могут иметь один порядок с ожидаемым выигрышем в сопротивлении;
• — наиболее эффективным способом нахождения оптимального дифферента для каждого конкретного судна являются индивидуальные испытания, модельные или натурные.

Применительно к теплоходу «Художник Сарьян» в конце прошлого столетия был проведен комплекс модельных и натурных испытаний. Модели различного масштаба исследовались в СанктПетербургском государственном морском техническом университете и Болгарском институте гидромеханики судна, а в натурных условиях судно испытывалось Центральным научно-исследовательским институтом Морского флота. Было найдено, что результаты модельных и натурных испытаний достаточно хорошо согласуются, что позволяет при изучении влияния дифферента основной упор делать на гораздо более дешевом и доступном модельном эксперименте.

Обеспечение оптимального с точки зрения сопротивления движению дифферента не приводит к значительной экономии топлива, однако снижение его расхода даже на 3−5%, сегодня, при непрерывно растущих ценах на нефть и нефтепродукты, приводит к весьма ощутимому эффекту. Особенно важно подчеркнуть, что возможность достижения указанного эффекта находится в руках капитана, под контролем которого осуществляется дифферентовка судна.