Волновое сопротивление - Wave-making resistance

МС Викинг Грейс создание волн в спокойном море на небольшой скорости.

Волновое сопротивление это форма тащить который влияет на надводные плавсредства, такие как лодки и корабли, и отражает энергию, необходимую для отталкивания воды от корпуса. Эта энергия идет на создание волны.

Физика

График зависимости мощности от скорости для водоизмещающего корпуса с отметкой на отношение скорости к длине из 1,34

Для малых водоизмещающие корпуса таких как парусники или гребные лодки, сопротивление волнообразованию является основным источником сопротивление морского судна.

Важное свойство водных волн - дисперсность; т.е. чем длиннее волна, тем быстрее она движется. На волны, генерируемые кораблем, влияют его геометрия и скорость, и большая часть энергии, выделяемой кораблем для создания волн, передается воде через носовую и кормовую части. Проще говоря, эти две волновые системы, то есть носовая и кормовая волны, взаимодействуют друг с другом, и результирующие волны несут ответственность за сопротивление.

Фазовая скорость глубоководных волн пропорциональна квадратному корню из длина волны генерируемых волн, а длина корабля вызывает разницу фаз волн, генерируемых носовой и кормовой частями. Таким образом, существует прямая зависимость между длиной ватерлинии и величиной волнового сопротивления. Скорость распространения волны, которая означает то же самое, что и фазовая скорость глубоководной волны, не зависит от длины корпуса, вызывающего волну, но зависит от скорости корпуса.

Простой способ учесть волновое сопротивление - посмотреть на корпус по отношению к носовой и кормовой волнам. Если длина корабля равна половине длины генерируемых волн, результирующая волна будет очень маленькой из-за подавления, а если длина такая же, как длина волны, волна будет большой из-за усиления.

Фазовая скорость ${displaystyle c}$ волн задается следующей формулой:

${displaystyle c = {sqrt {{frac {g} {2pi}} l}}}$

куда ${displaystyle l}$ длина волны и ${displaystyle g}$ ускорение свободного падения. Подставив соответствующее значение для ${displaystyle g}$ дает уравнение:

${displaystyle {mbox {c in knots}} приблизительно 1,341 imes {sqrt {mbox {length in ft}}} приблизительно {frac {4} {3}} imes {sqrt {mbox {length in ft}}}}$

или в метрика единицы:

${displaystyle {mbox {c in knots}} приблизительно 2,429 imes {sqrt {mbox {length in m}}} приблизительно {sqrt {6 imes {mbox {length in m}}}} приблизительно 2,5 imes {sqrt {mbox {length in m}}}}$

Эти значения 1,34, 2,5 и очень easy 6 часто используются в скорость корпуса эмпирическое правило, используемое для сравнения потенциальных скоростей водоизмещающих корпусов, и это соотношение также является фундаментальным для Число Фруда, используемый при сравнении гидроциклов разных масштабов.

Когда судно превышает "отношение скорости к длине "(скорость в узлах, деленная на квадратный корень из длины в футах) 0,94, он начинает опережать большую часть своего лук волна, корпус фактически немного оседает в воде, поскольку теперь он поддерживается только двумя пиками волн. Поскольку отношение скорости к длине судна превышает 1,34, длина волны теперь больше, чем у корпуса, и корма больше не поддерживается следом, в результате чего корма приседает, а носовая часть поднимается. Корпус теперь начинает набирать высоту собственной носовой волны, и сопротивление начинает расти с очень высокой скоростью. Хотя возможно управлять водоизмещающим корпусом быстрее, чем отношение скорости к длине 1,34, это непомерно дорого. Большинство крупных судов работают с соотношением скорость-длина намного ниже этого уровня, с соотношением скорость-длина менее 1,0.

Способы снижения волнового сопротивления

Поскольку волновое сопротивление основано на энергии, необходимой для отталкивания воды от корпуса, существует несколько способов минимизировать это.

Уменьшенное смещение

Уменьшение смещения аппарата за счет устранения лишнего веса - самый простой способ уменьшить волновое сопротивление. Другой способ - придать корпусу такую форму, чтобы поднимать как он движется по воде. Полуводоизмещающие корпуса и строгание корпуса делают это, и они способны пробивать скорость корпуса барьер и переход в царство, где сопротивление увеличивается с гораздо меньшей скоростью. Недостатком этого является то, что глиссирование практично только на небольших судах с высоким соотношением мощности к весу, таких как моторные лодки. Это непрактичное решение для большого судна, такого как супертанкер.

Прекрасный вход

Корпус с тупым носом должен очень быстро отталкивать воду, чтобы пройти сквозь нее, а такая высокая ускорение требует большого количества энергии. Используя отлично носовой, с более острым углом, который более плавно отталкивает воду, количество энергии, необходимое для вытеснения воды, будет меньше. Современная вариация - это пронзительный дизайн. Общее количество воды, которое должно вытесняться движущимся корпусом и, таким образом, вызывать волновое сопротивление, представляет собой площадь поперечного сечения корпуса, умноженную на расстояние, которое проходит корпус, и не останется прежним, когда призматический коэффициент увеличивается для тех же значений lwl и такое же смещение и та же скорость.

Луковичный лук

Особый вид лука, называемый луковичный лук, часто используется на больших моторных судах для уменьшения волнового сопротивления. Колба изменяет волны, создаваемые корпусом, изменяя распределение давления перед носом. Из-за природы его деструктивного взаимодействия с носовой волной существует ограниченный диапазон скоростей судна, при котором он эффективен. Выпуклая носовая часть должна быть правильно спроектирована, чтобы уменьшить волнообразное сопротивление конкретного корпуса в определенном диапазоне скоростей. Лампа, работающая для одной формы корпуса и одного диапазона скоростей, может нанести ущерб другой форме корпуса или другому диапазону скоростей. Поэтому при проектировании луковичной носовой части необходимы надлежащая конструкция и знание предполагаемых рабочих скоростей и условий эксплуатации судна.

Фильтрация формы корпуса

Если корпус предназначен для работы на скоростях существенно ниже скорость корпуса затем можно улучшить форму корпуса по длине, чтобы снизить волновое сопротивление на одной скорости. Это практично только там, где коэффициент блочности корпуса не является существенной проблемой.

Полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса

График, показывающий отношение сопротивления к весу как функцию отношения скорости к длине для водоизмещающих, полуводоизмещающих и глиссирующих корпусов.

Так как корпуса с полувмещением и глиссированием создают значительную подъемную силу во время работы, они способны преодолевать барьер скорости распространения волн и работать в областях гораздо меньшего сопротивления, но для этого они должны быть способны сначала преодолеть это скорость, требующая значительной мощности. Эта стадия называется переходной, и на ней уровень волнового сопротивления самый высокий. Как только корпус получит над горбом головной волны скорость увеличения волнового сопротивления начнет значительно снижаться.^[1] Корпус глиссера поднимется вверх, очищая корму от воды, и его дифферент будет высоким. Подводная часть глиссирующего корпуса будет небольшой в режиме глиссирования.^[2]

Качественная интерпретация графика волнового сопротивления заключается в том, что водоизмещающий корпус резонирует с волной, имеющей гребень около носа и впадину около кормы, потому что вода отталкивается на носу и отводится назад на корме. Глиссирующий корпус просто толкается на воду под ним, так что он резонирует с волной, имеющей желоб под собой. Если его длина примерно вдвое больше, значит, он будет иметь только квадратный корень (2) или в 1,4 раза больше скорости. На практике большинство глиссирующих корпусов обычно движутся намного быстрее. При четырехкратной скорости корпуса длина волны уже в 16 раз длиннее корпуса.