第9章 高速船型的阻力特性
高速穿浪双体船船型及性能研究_何义（1）
⾼速穿浪双体船船型及性能研究_何义（1）⾼速穿浪双体船船型及性能研究*何义赵连恩(哈尔滨⼯程⼤学船舶与海洋⼯程系,哈尔滨150001)摘要穿浪双体船(WPC)是在⼩⽔线⾯双体船和⾼速双体船的基础上发展起来的⼀种新型⾼性能船,它保留了SWATH 船型的低阻⾼速、甲板⾯积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性作者对穿浪双体船的船型及阻⼒和耐波性等⽅⾯进⾏了研究关键词穿浪双体船;耐波性;阻⼒分类号 U 661.3Study of Form and Performance of High SpeedWave Piercing CatamaranHe Yi Zhao Lianen(Dept.of Naval Architecture and Ocean Eng.,Harbin Eng ineering U niversity ,Harbin 150001)Abstract Wave piercing catamaran is a new type of high speed multi-hull ship w hich is different from conventional high speed catamaran.In this paper the hydrody -namic research of w ave piercing catamaran is described.It includes the study of resis -tance and seakeeping perform ance.The results are compared w ith those of round-bilge and deep-Vee hulls.Key words wave piercing catamaran;seakeeping;resistance图1 艇体型线图0 引⾔穿浪双体船(WPC)是80年代在⼩⽔线⾯双体船(SWATH)和⾼速双体船的基础上发展起来的⼀种新型⾼性能船,它保留了SWATH 船型的低阻⾼速、甲板⾯积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性,克服了SWATH 船⽚体⽆储备浮⼒和空间⼩等缺点因此WPC 具有⾼效节能,综合性能优良,建造⼯艺简单,使⽤成本低,技术风险⼩等特点,已为许多先进国家所采⽤[1]收稿⽇期:1996-05-31* 船舶⼯业国防科技预研基⾦资助项⽬责任编辑:刘⽟明第18卷第4期哈尔滨⼯程⼤学学报 Vol.18, .41997年8⽉ Journal of H arbin Engineering University Aug.,19971 性能与船型1.1 主尺度及⽚体形状在排⽔量已确定的情况下,选择穿浪双体船的长宽⽐L /B ,或确定修长系数L / 1/3,应以付⽒数F 为根据,在F =1.0~3.0的过渡航态范围,其修长系数越⼤则对阻⼒性能越有利,因此相应的长宽⽐L /B 值就越⼤穿浪双体船的容积付⽒数通常在1.5~2.5的范围,较⼤的修长系数可获得较好的阻⼒性能⽚体采⽤深V 形的横剖⾯形状,艏部龙⾻甚⾄可下沉到基线以下,以增加V 形的程度,形成极深V 形,可避免艇艏底部出⽔,从⽽减⼩波浪的拍击⽔线进⾓,根据付⽒数和结构⽅⾯的允许,取得越⼩越好对⾼速轻型穿浪双体船艉底横向斜升⾓,可以根据阻⼒性能和耐波性能来确定,通常采⽤较⼩的的值可获得较⼤的动升⼒,能提⾼艇的快速性能,同时有利于采⽤喷⽔推进器但对于航速较低、排⽔量较⼤的⼤型穿浪双体船,采⽤使后体变平来产⽣有效升⼒的⽅法是不可取的,这是因为升⼒正⽐于尺度的平⽅⽽排⽔量正⽐于尺度的⽴⽅这不仅不能获得所谓的滑⾏特性,改善阻⼒性能,反⽽会使耐波性恶化因此,对于此类船可以采⽤较⼩的艉端收缩系数和较⼤的艉底部横向斜升⾓ 1.2 浮体⼲舷与常规双体船相⽐,WPC 具有较⼩浮体⼲舷,尤其在艏艉两端,⼲舷⼤幅度减⼩,甚⾄为负值,这使得浮体的储备浮⼒沿船长具有合理的纵向分布,以减⼩船体对波浪运动的响应,避免发⽣失速这使穿浪双体船在波浪中具有较⾼的航速,提⾼耐波能⼒,改善船体运动性能,在较⾼的海情下减⼩晕船率,能正常使⽤和发挥武备的威⼒1.3 连接桥和中央船体的形状连接桥和中央船体的形状与船舶在波浪中的运动性能有密切关系连接桥的形状关系到储备排⽔量的分布,因此影响到穿浪双体船的航态控制和耐波性能连接桥的⽔线⾯尖瘦,能提供的附加储备浮⼒很⼩,特别是在靠近艏艉端部连接桥采⽤拱形的横剖⾯形状,有利于减⼩波浪对船体的冲击作⽤,也有利于船体的横向强度中央船体在艏部的龙⾻采⽤下垂的形式,横剖⾯呈深V 形,可缓和在⼤波浪中中央船体艏底部所受到波浪的砰击,同时提供附加的储备浮⼒在⼀般海情下,中央船体不与波浪接触,只有在很⼤的海浪中,其图2 剩余阻⼒系数曲线附加的储备浮⼒可防⽌由于浮体的储备浮⼒不⾜,⽽使船艏过于陷⼊波涛中,以⾄甲板上浪或发⽣埋艏现象1.4 浮体间距浮体间距增⼤,当F r <0.5时,对于静⽔阻⼒的影响,规律性不太明显;当F r >0.5时,⼀般对静⽔阻⼒有利,对耐波性也有利,间距越⼤对艇在横浪中的运动越有利,可使其横向和纵向加速度明显减⼩,特别是在较短横波长的情况下更为有利同时,使甲板⾯积增⼤,有利于舱室布置9 第4期何义等:⾼速穿浪双体船船型及性能研究图3 阻⼒⽐较和甲板载货但是过⼤的浮体间距对船体的横向强度不利,使艇的结构重量增加2 船模试验及结果2.1 船模尺⼨及试验状态试验模型为玻璃钢材料制作,外观光滑平顺,尺度为船模总长1.740m ,⽔线长1.560m ,总宽0.744m ,⽚体宽0.136m ,吃⽔0.036m ,型线图见图1 2.2 试验数据处理2.2.1 阻⼒试验及数据处理阻⼒试验在静⽔中进⾏,试验前对模型重量、吃⽔和浮态等参数进⾏了严格调整,完成了三种排⽔量时,不同航速下阻⼒的测量试验结果见图2 将阻⼒曲线换算成600t 实船的阻⼒曲线,并与同吨位单体船进⾏⽐较,见图32.2.2 耐波性试验及数据处理试验前对重⼼位置和纵横向惯性矩进⾏了仔细调整和校验,完成了迎浪航⾏三种航速不同波长的试验,同时测量记录了纵摇、升沉、艏加速度、艉加速度、波浪增阻,还完成了正横波浪中静⽌横摇试验,测量记录了横摇、升沉值,试验结果见图4,其它结果见⽂献[2] 为了解实船在⼀定海情下的耐波性,需将船模在⽔池规则波试验结果换算成不规则波条件的运动响应,采⽤ITTC 单参数谱,根据试验值可确定幅频响应函数,从⽽计算出不同有义波⾼和航速下对应的运动有义值,计算通过编程在微机上完成图4 耐波性试验曲线3 理论计算由于穿浪双体船⽚体间距⽐较⼤,如计算迎浪情况,可忽略⽚体间的相互影响,细长的⽚体较好地满⾜了切⽚理论的假设,可采⽤切⽚理论进⾏耐波性计算10 哈尔滨⼯程⼤学学报第18卷(a +A 11) Z +A 12 Z +A 13Z +A 12 +A 13 +A 14 =F Zc cos e t +F Zs sin e t(J +A 21) Z +A 22 Z +A 23Z +A 22 +A 23 +A 24 =M c cos e t +M s sin e t⽅程两边除2,满⾜(a +A 11) Z /2+A 12 Z /2+A 13Z /2+A 12 /2+A 13 /2+A 14 /2=F Zc cos e t /2+F Zs sin e t /2(J +A 21) Z /2+A 22 Z /2+A 23Z /2+A 22 /2+A 23 /2+A 24 /2=M c cos e t/2+M s sin e t /2式中, Z Z Z 分别为升沉加速度、速度、位移;分别为纵摇⾓加速度、⾓速度、⾓度;a 船本⾝的质量;J 船本⾝的纵向转动质量;F =F Zc cos e t +F Zs sin e t 是分解成余弦项和正弦项的升沉波浪扰动⼒;M =M c cos e t +M s sin e t 是分解成余弦项和正弦项的纵摇波浪扰动⼒矩;系数A 11,A 12 ,A 21,A 22 是流体动⼒系数,与频率有关其它符号说明参见⽂献[3]由于两⽚体完全对称,因此可按单体船的切⽚理论进⾏⽔动⼒系数计算及求解,但当对该船计算时应做湿表⾯修正,此修正应根据试验进⾏另外,由于艏部的特殊性,也应特殊处理程序说明见⽂献[4] 本计算在单体计算的基础上计算其耐波性能,包括纵摇、升沉、艏艉加速度、波浪增阻等理论计算及试验⽐较见表1表1 穿浪双体船理论计算与试验⽐较(浪⾼2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830理论2.331.300.760.700.400.440.160.251.441.85试验2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51理论计算结果接近试验结果,可以作为迎浪时的耐波性预报4 结果分析及结论(1)由剩余阻⼒系数曲线可知(见图2),此船的阻⼒峰现象明显 F r =0.5时不利⼲扰相互叠加,剩余阻⼒达到峰值,阻⼒⽐同吨位单体船⾼10%,⽆效⼲扰点F r 0据有关资料分析,此类船为0.7附近当F r >F r 0以后,剩余阻⼒曲线明显平坦,所以对于⾼速双体船设计状态取在0.7以后与⼀般单体船⽐较,低速时阻⼒性能稍差⼀些,⾼速时阻⼒性较优(2)通过计算600t 穿浪双体船在航速18kn 和30kn ,波⾼为2.0m (4级海情)和3.5m (5级海情)下的耐波性,并与常规圆舭船及深V 船的⽐较可知(见表2,表3):低速时,由于不11 第4期何义等:⾼速穿浪双体船船型及性能研究能充分有效发挥其穿浪性能,因此耐波性较差;当⾼速时,由于船型发挥了穿浪性能,⽚体象尖⼑⼀样穿过波浪,⼩的⽚体⼲舷更增加了其过浪性能,其运动性能除升沉外,普遍优于⼀般船型表2 穿浪双体船耐波性(浪⾼2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51深V 船2.172.100.430.570.410.580.240.372.483.06圆舭船2.752.560.650.820.620.740.300.422.632.92表3 穿浪双体船耐波性(浪⾼3.5m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船5.253.871.842.060.830.820.370.573.317.30深V 船4.334.541.141.470.641.030.390.655.439.08圆舭船5.135.331.461.920.831.330.450.745.779.23(3)波浪增阻在各种速度海情下均优于⼀般船型,因此,该船在波浪中可保持⾼航速通过研究表明,穿浪双体船在⾼速时是⼀种耐波性优良的船型,特别适合于车客渡船和其它对耐波性要求较⾼的船型因此,作者认为穿浪双体船是我国⾼速船发展的重要⽅向,具有⼴阔的应⽤前景参考⽂献1 赵连恩⾼性能穿浪双体船的发展与军事应⽤前景 94⾼性能船学术会论⽂西安,19942 哈尔滨⼯程⼤学新型船舶研究室穿浪双体船模型试验报告哈尔滨⼯程⼤学,19933 李积德船舶耐波性哈尔滨:哈尔滨⼯程⼤学出版社,19924 戴遗⼭船舶适航性计算⽅法船⼯科技,1977,(1)12 哈尔滨⼯程⼤学学报第18卷。
2012年高速艇设计--复习内容
一、绪论高速船定义：按照IMO《2000年国际高速船安全规则》1.4.30的定义，高速船是指最大航速等于或大于下述数值的船舶：V≥3.7▽0.1667m/s（式中：▽为满载排水量Δ对应的排水体积，单位m3；V为船舶满载排水量时以额定的最大持续推进功率在静水中航行所能达到的航速），可以看出：对于排水量不同的船，需要达到不同的航速才能称之为高速船。
高速船的分类：高性能船的分类方法有两种：一是按照船的流体力学支承原理来划分，可以分为水浮力型、水动升力型、气垫压力型、空气动升力型和复合型等五类高性能船；二是按照船身布局来划分，可以分为单体船、双体船和多体船等三类高性能船。
现按照第一种分类方法，对各类高性能船作一概括。
各类高性能船的分类见下图：(1)水浮力型高性能船这种高性能船虽与常规排水量船相似，利用水的浮力支承船的重量，但为减少水的阻力和波浪的干扰，其船体形状(因而浮力分布)不同于甚至大大不同于常规船。
属于这种高性能船的有圆舭型过渡型船、深V型船、高速双体船、穿浪双体船和小水线面双体船等。
(2)水动升力型高性能船利用高速运动的滑行面或水翼所产生的水动升力支承船的重量，其优点是升阻比高。
滑行艇和水翼船就是这种类型的船。
(3)气垫压力型高性能船依靠船底下封闭气垫的静压力，把船体抬离水面以减少水的阻力。
这种高性能船称为气垫船，主要分全垫升气垫船和侧壁式气垫船两种。
(4)空气动升力型高性能船这种高性能船就是地效翼船，它凭借其翼化船身贴近水面高速运动时产生的水面效应，获得很高的气动力升阻比，能作超高速贴水(但不触水)航行。
(5)复合型高性能船将上述两种(或多种)流体力学支承原理加以复合而形成的新型高性能船，它兼有原型之长，而无原型之短，如水翼双体船、气垫双体船等。
二、单体高速船普通单体船与高速单体船的航行状态的差别：在《船舶阻力》课程中，已知一般排水型船，尽管按航速可以划分为低速船、中速船和高速船，但总的来说，所对应的速度范围较低，即使所谓高速船，其傅汝德数F N亦在0.35左右居多。
第9章 高速船型的阻力特性汇总
187第九章 高速船型的阻力特性高速船，又称高性能船，是当前世界造船事业的热门课题。
这些船舶无论在军用上，还是在民用交通运输方面都占有相当重要的地位。
世界各国十分重视对各种形式高性能船开发与研制，高速船被预言是“21世纪海上主要的运输工具之一”。
本章仅简要介绍那些应用较广或颇受有关方面关注的某些船型以及它们的阻力问题。
§ 9-1 船舶航行中的航态与高速船种类由于各类船舶所处的航速范围不同，所以航行中的航态亦各不相同。
航态变化往往与阻力特性的变化联系在一起，通常的排水型船舶由于其航速处于排水航行状态，航态变化极小，所以通常不考虑航态对阻力的影响。
但对各种快艇而言，航态对阻力的影响相当重要，因此在讨论阻力特性时必须与航态联系在一起。
一、船舶航行中的航态有关研究表明，船舶航行中的航态有时会对阻力特性产生较大的影响。
一般说来，船舶在航行时的航态与静浮状态是不相同的，而且航态随航速变化而变化。
根据已有资料表明：船舶在航行过程中，船体各部位的吃水较静浮时将发生变化。
图9-1是巴甫连柯根据试验给出的船舶在不同速度下，船首、船尾和重心处的吃水变化情况，其中速度参数为：Fr ▽＝3/1s gυ∇(这里▽为排水体积，Fr ▽ 称为体积傅汝德数)。
船舶航行过程中，伴随有航态变化，即在垂直方向出现运动和位移，表明其不但受到静力作用，而且必然存在着流体动力的作用。
设Δ为船体排水量，▽为船体静浮时的排水体积，▽1为船体在航行过程中的排水体积，L 为沿垂直方向作用在船体上的流体动力或称升力。
则船体在航行时，沿垂直方向的受力关系为：L ρ+∇⋅=1g Δ (9-1)实际航行表明，根据船舶的Fr ▽值，所有水面船舶大致可以划分为三种航态：(1) 排水航行状态：当Fr ▽＜1.0，此时航速较低，流体动力所占比重极小，船体基本上由静浮力支持，船体航态与静浮时变化不大。
下沉图9-1 船舶运动中的航态与Fr ▽的关系因而可以认为L/Δ→0，▽1≈▽。
船舶阻力
第一章 1.什么是快速性？ 船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航速高低的一种性能。
加2.船体阻力的分类： a 、船舶周围流动现象和产生的原因来分类 R t ＝ R w + R f + R pvb 、按作用在船体表面上的流体作用力的方向来分类 R t = R f + R p C 、按流体性质分类 Rt=Rw+Rv ，其中，Rv=Rf+Rpv d.付汝德分类 Rt=Rf+Rr ，其中，Rr=Rw+Rvp 2.什么叫力学相似？ 两物系任一对应里成比例，所有涉及的力有惯性力，粘性力，重力。
3.付汝德相似的条件是什么？当两形似船的付汝德数Fr 相等时，兴波阻力系数Cw 必相等。
4.什么是比较律？ 形似船在相应速度时（或相同付汝德数Fr ），单位排水量兴波阻力必相等。
（付汝德比较定律）5.雷诺相似的条件是什么？当雷诺数相同时，两形似物体粘性阻力系数必相等。
当雷诺数相同时，不同平板的摩擦阻力系数必相等。
6.为什么说全相似不可能？ 全相似定律：水面船舶的总阻力系数是雷诺数和付汝德的函数，若能实船和船模的雷诺数和付汝德数同时相等，就称为全相似，在满足全相似的条件下，实船和船模的总阻力系数为一常数，称为全相似定律。
若付汝德数和雷诺数同时相等时，则船模和实船的长度以及运动粘性系数应满足实际上船模是在水池中进行试验，而海水和淡水的运动粘性系数相差不大。
可假定，则要满足全相似条件，除非即而且，这意味着实船即船模，或实船在试验池内进行试验，这显然是不现实的。
第二章 7.简述摩擦阻力产生的原因、计算方法。
原因：当水或客气流经平板表面时，由于流体的粘性作用，在平板表面附近形成界层，虽然界层厚度很小，但界层内流体速度的变化率很大。
8.减小摩擦阻力的措施。
减小摩擦阻力的方法：1、首先从船体设计本身考虑，低速船选取较大的排水体积长度系数(或较小的L/B)从减小湿面积的观点看是合理的，另外减少不必要的附体如呆木等，或尽量采用表面积较小的附体亦可减少摩擦阻力。
第01章 总论概述
g(m/s2): 重力加速度。
与重力有关的现象都是由Fr决定的。例如，波浪运动， 船舶的兴波阻力等。Fr数大，表示重力的影响较小；反之 则大。
1/4
傅汝德定律
根据相似定理船体兴波引起的兴波阻力系数：
Cw Rw f ( Fr ) 1 2S v 2
(1-10)
一定船型的兴波阻力系数仅是傅汝德数Fr的函数，当 两形似船的Fr相等时，兴波阻力系数Cw必相等，这称为傅 汝德定律。 如用下标s和m分别表示实船和船模参数，α=Ls/Lm是 实船与船模间的缩尺比。为保持傅汝德数Fr相同，则它们 的速度必须满足关系: v v vs v 由 s m 得到v m s 可以实现 gLs gLm Ls / Lm Ls=100m, Vs=20kn=10.28m/s;
等。
1/2
实船试验
实船试验的目的是鉴定船舶的快速性是否达到设计要
求，同时最后验证理论研究、试验研究成果的准确性。而 实船长期使用的结果则是衡量快速性的最后标准。
实船试验的环境不容易控制，试验结果处理非常复杂， 耗费大量人力，试验费用昂贵。
2/2
3.数值模拟方法
近年来，由于高速计算机的发展和数值方法的进步，
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雷诺定律
根据相似定理物体受到的粘性阻力系数：
Cv Rv f ( Re ) 1 2 v S 2
(1-7)
可见一定形状的物体，粘性阻力系数仅与雷诺数有关。 当雷诺数Re=Lv/υ相同时，两个形状相似物体的粘性阻力 系数必相等。 作为特例，深水中顺着平面本身运动的极薄平板受到 的阻力仅为摩擦阻力Rf，平板的无量纲阻力系数表示为：
1/1
2.试验方法
试验方法包括船模试验和实船试验。
船模试验是按照相似理论(因次分析)制做小尺度的船 模和桨模，在拖拽水池中进行试验，用试验数据预报实船 阻力。许多优良船型或重要船舶几乎都要进行船模试验。 在船舶快速性研究史上，船模试验一直是最主要的方
高速艇性能
高速圆舭型、高速折角型区分
❖ 傅氏数Fn>1，或者Fn >3时，高速艇起飞， 适用于高速折角型；
❖
v：艇速 米/秒
❖
: 立方米
17
作业：
某高速游船总长13.6m，艇底折角线投影面积最大长 度12.5m，总宽2.35m，型深1.36m，吃水0.7m，排
水量9.8t。吨位系数K=0.23+0.016lgV， 静深水航速48.0km/h。判断该船为是否是高速艇，如
四级枝摇飞纸片，五级带叶小树摇 0 0-0.2
1
0.3-1.5
六级举伞步行艰，七级迎风走不便 2 1.6-3.3
八级风吹树枝断，九级屋顶飞瓦片
3 4
3.4-5.4 5.5-7.9
十级拔树又倒屋，十一二级海上见 5 8.0-10.7
6
10.8-13.8 7
船舶性能
1. 船舶技术性能分成：营运性能和航海性能；
一定航行速度的能力的科学。
兴波阻力
船舶阻力
裸船体阻力 摩擦阻力
静水阻力
水阻力
附体阻力 粘压阻力
船舶阻力
汹涛阻力
空气阻力
空气阻力仅占总阻力2%-3%，附体阻力占总阻力10%。
船舶推进 船舶推进器是将主机发出的功率转化为推进船前进的推 力的设备。如橹、风帆、明轮、螺旋桨（车叶）等。
9
船舶的快速性
船舶阻力
营运性能只是表征给定类型船舶的性能，如用途、航区、 航程、装载能力和空间地位等，主要反映在使用效能 （运输质量、营运组织的方便性、灵活性）及经济性 （建造、营运）方面；
航海性能通常表征所有船舶，不论其用途如何， 为如下性能的总和：浮性、快速性、稳性、抗沉性、适 航性、操纵性等。
知识点二 船舶的阻力-PPT课件
附加阻力
• 汹涛阻力
船舶阻力也会由于风、浪和船身的剧烈摇摆运动的影响而增加。顶浪航行 时，一般船舶总阻力比静水状态增加50%～100%。
• 空气阻力
空气阻力指在静水状态下（3级风以下），船舶水上部分对空气的相对运动产 生的阻力。一般来说，空气阻力与船速的平方以及船体水线以上部分正投影面 积成正比。一般情况下，空气阻力通常占总阻力的2%～4%左右，但集装箱船由 于其船体水线以上部分正投影面积较大，且船速较高，其空气阻力占总阻力的 比例可达10%。 附加阻力的大小与风浪大小、船体污底轻重及航道浅窄有关。
附加阻力
指船舶营运过程中由于船舶附体的增加、船体表面粗糙 度、海况、风以及海流等引起的船舶阻力增量。附加阻 力包括： • （1）附体阻力 • （2）坞底阻力 • （3）汹涛阻力 • （4）空气阻力
附加阻力
• 附体阻力
指由于舵、舭龙骨及轴包架等附体对水运动而增加的部分阻力。
• 坞底阻力
船舶营运过程中，船壳板上漆层的脱落、海生物的生长都会使船体表面变为粗 糙，意味着船舶摩擦阻力的增加。这种船体表面粗糙度的增大，在整个船舶使 用寿命期间可能使总阻力增加25%～50%。有关数据显示，每米长度的粗糙度厚 度为25μm时，船速降低1%。
船舶阻力的构成
• 营运中的船舶所受的阻力总量RT由基本阻力R0和附加阻力 △R两部分构成。 船舶阻力表示为：
RT=R0+ΔR
基本阻力
• 基本阻力是指新出坞的裸船体（不包括附属体）在平 静水面行驶时对船体产生的阻力。由摩擦阻力、兴波 阻力、涡流阻力三部分组成，即
R0=RF+RW+RE
基本阻力
• 摩的阻力
船舶的阻力
• 船舶在水面上以一定的航速航行，船舶必须依靠主机 发出的功率，驱动推进器产生推力，从而克服船舶本 身所受的各种阻力。
船舶阻力复习
船舶阻力一总论1.船舶在航行过程中会受到流体(水和空气) 阻止它前进的力。
这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。
2.船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的主机功率以维持一定航速的能力3.船体总阻力按流体种类分成空气阻力和水阻力。
空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力。
水阻力是水对船体水下部分的反作用力。
4. 船体阻力的成因主要有以下三种现象有关:①船首的波峰使首部压力增加, 而船尾的波谷使尾部压力降低, 于是产生首尾流体动压力差。
这种由兴波引起的压力分布的改变所产生的阻力称为兴波阻力, 一般用Rw表示。
从能量观点看,船体掀起的波浪具有一定的能量, 这能量必然由船体供给。
由于船体运动过程中不断产生波浪, 也就不断耗散能量, 从而形成兴波阻力。
②由于水的粘性, 在船体周围形成“边界层”, 从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用, 亦即船体表面产生了摩擦力, 它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力,用Rf 表示。
从能量观点看。
就某一封闭区而言, 当船在静水中航行时, 由于粘性作用, 必带动一部分水一起运动, 这就是边界层。
为携带这部分水一起前进, 在运动过程中船体将不断供给这部分水质点以能量, 因而产生摩擦阻力。
③旋涡处的水压力下降, 从而改变了沿船体表面的压力分布情况。
这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力,用Rpv 表示。
从能量观点来看,克服粘压阻力所作的功耗散为旋涡的能量。
粘压阻力习惯上也叫旋涡阻力。
5. 船体阻力的分类(1 ) 按产生阻力的物理现象分类。
Rt = Rw + Rf + Rpv对低速船, 兴波阻力成分较小, 摩擦阻力约为70%～80% , 粘压阻力占10%以上。
对高速船, 兴波阻力将增加至40%～50% , 摩擦阻力为50%左右, 粘压阻力仅为5%左右。
(2 ) 按作用力的方向分类。
R t = R f + R p(3 ) 傅汝德阻力分类。
其实质是将粘压阻力和兴波阻力合并在一起称为剩余阻力, 即:Rt = Rf + Rr 式中Rr = Rw + Rpv(4 )按流体性质分类。
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187第九章 高速船型的阻力特性高速船，又称高性能船，是当前世界造船事业的热门课题。
这些船舶无论在军用上，还是在民用交通运输方面都占有相当重要的地位。
世界各国十分重视对各种形式高性能船开发与研制，高速船被预言是“21世纪海上主要的运输工具之一”。
本章仅简要介绍那些应用较广或颇受有关方面关注的某些船型以及它们的阻力问题。
§ 9-1 船舶航行中的航态与高速船种类由于各类船舶所处的航速范围不同，所以航行中的航态亦各不相同。
航态变化往往与阻力特性的变化联系在一起，通常的排水型船舶由于其航速处于排水航行状态，航态变化极小，所以通常不考虑航态对阻力的影响。
但对各种快艇而言，航态对阻力的影响相当重要，因此在讨论阻力特性时必须与航态联系在一起。
一、船舶航行中的航态有关研究表明，船舶航行中的航态有时会对阻力特性产生较大的影响。
一般说来，船舶在航行时的航态与静浮状态是不相同的，而且航态随航速变化而变化。
根据已有资料表明：船舶在航行过程中，船体各部位的吃水较静浮时将发生变化。
图9-1是巴甫连柯根据试验给出的船舶在不同速度下，船首、船尾和重心处的吃水变化情况，其中速度参数为：Fr ▽＝3/1s gυ∇(这里▽为排水体积，Fr ▽ 称为体积傅汝德数)。
船舶航行过程中，伴随有航态变化，即在垂直方向出现运动和位移，表明其不但受到静力作用，而且必然存在着流体动力的作用。
设Δ为船体排水量，▽为船体静浮时的排水体积，▽1为船体在航行过程中的排水体积，L 为沿垂直方向作用在船体上的流体动力或称升力。
则船体在航行时，沿垂直方向的受力关系为：L ρ+∇⋅=1g Δ (9-1)实际航行表明，根据船舶的Fr ▽值，所有水面船舶大致可以划分为三种航态： (1) 排水航行状态：当Fr ▽＜1.0，此时航速较低，流体动力所占比重极小，船体基本上由静浮力支持，船体航态与静浮时变化不大。
因而可以认为L /Δ→0，▽1 ≈▽。
在这个速度范围内的各种船舶，它们的阻力问题可以认为与航态无关。
大多数的民用船，都是属于这种航态的船舶。
所以，在这一航速范围内的船舶，又统称为水面排水型船舶。
下沉图9-1 船舶运动中的航态与Fr ▽的关系(2) 过渡状态：在1.0＜Fr▽＜3.0，此时随航速增高，航态较静浮状态有明显的变化，船首上抬较大，船尾下沉明显，整个船体呈现明显的尾倾现象。
在这种状态下，流体动力较排水航行状态明显地增大，船的排水体积趋于减小，即▽1＜▽。
在该速度范围内的各种船舶，它们的阻力特性与航态关系较密切，如高速炮艇、巡逻艇、交通艇都是这种航态范围的船舶。
这些船舶流体动力L占支持艇体的总浮力的比重不可忽视。
但航态基本上处于排水型状态。
故这些船称为高速排水型艇，或过渡型艇。
(3) 滑行状态：当Fr▽＞3.0 时，此时航速很高，船首、船尾的吃水变化很大，而且整个船体被上抬沿水面“滑行”，因此，处在这种航态下的船称为滑行艇。
滑行艇处在滑行阶段时，静浮力很小，艇体几乎完全由流体动力L来支持，即L≈Δ，而▽1→0。
高速摩托艇、鱼雷快艇及导弹快艇等均属滑行艇之列，滑行艇的阻力特性与航态的关系更为密切。
二、高速船的种类近年来高速船迅速发展，种类繁多，涉及面广。
特别是随着船舶航速的不断提高，航态和支持船体的流体动力以及船体相对于水表面的位置均会发生明显变化。
这些船舶除阻力性能外，对耐波性等其他航行性能均有更高的要求，因而也就相继出现了以不同原理、不同新概念发展而成的各类新型高速船，又称为高性能船舶。
1981年16届国际船模试验池会议将当时流行的主要高速船归纳为四类七种船型：(1) 单体高速艇：包括高速排水型艇和滑行艇。
(2) 水翼艇：按水翼相对于水面情况不同而分为全浸式水翼艇和表面割划式水翼艇。
(3) 气垫船：包括全浮式气垫船和侧壁式气垫船。
(4) 多体船：小水线面双体船。
由于新建高速双体客船数目逐年增加，因此，17届ITTC高速船委员会强烈推荐高速双体船应加入到高速船行列中去。
此后，由于高速船在世界范围内的迅速发展，冲翼艇(又称地效翼船)渐趋成熟，近年来甚至出现了以几种支持力互相组合的所谓复合型高性能船(Hybrid-hull)，可以断言，高速船的种类和范围，今后还将有进一步的扩展。
世界各国必将继续开发、研制新型的高速船。
§9-2 高速排水型艇的艇型和阻力性能常规水面船舶，由于所对应的航速范围较低，相应于Fr▽＜1.0，因此航行中的航态与静浮时变化不大，故这一类船舶又统称为排水型船舶。
但是，对于航速范围处于1.0＜Fr▽＜3.0的船舶，航态随航速变化显著，且阻力特性与航态关系甚密。
同时，其流体动力作用不能忽视，因此把这类船舶归于快艇范围。
然而，这类艇与处于滑行状态下的滑行艇相比存在本质的差别，其仍接近于排水型船舶，所以这类艇称为高速排水型艇或称过渡型快艇。
正因为如此，这种过渡型快艇不但具有本身的艇型特点，而且其阻力特性既不同于常规排水型船，亦不同于滑行艇。
一、高速排水型艇的艇型特点高速排水型艇的航态还是比较接近于排水型船舶，试验证明：当gL＜0.6时，Fr/υ188189艇体湿面积变化并不很显著，但由于其航速较高，存在流体动力作用的影响，因此这类艇的艇型特点主要表现为：(1) 整个艇体较瘦长，L /B 较大；排水量长度系数和方形系数均较小，这是为了减小高速情况下的剩余阻力。
(2) 艇体剖面形状取圆舭型或称为U 形剖面居多。
因此这种艇又常称为圆舭艇。
由艇首向尾方向，剖面的横向斜升角迅速减小，甚至趋于零度。
(3) 首部比较瘦削，进流段的水线几乎呈直线，水线的进角较小。
目的为了减小兴波阻力。
(4) 艇体后体的纵剖线取微凸，对于Fr ＞1.0的艇则几乎呈直线。
(5) 尾部形状均采用方尾形式。
其最突出的优点在于增加艇体的“虚长度”以降低高速时的阻力。
图9-2所示为典型的高速排水型快艇的艇体线型，上述艇型特点的诸方面在图中均可得到显示。
二、高速排水型快艇的阻力特性高速排水型艇的航速较高，其航行中的航态现象及相应的阻力特性主要有：1．影响阻力特性的两种航态现象(1) 航行纵倾随航速变化。
高速排水型快艇航行中的纵倾和艇体各部位吃水变化必然对各种阻力成分，诸如摩擦阻力、兴波阻力以及飞溅阻力产生影响作用。
(2) 兴波和飞溅现象。
随着航速增大，除兴波现象外，还出现明显的飞溅现象。
因而高速排水型快艇的阻力除具有常规排水型船相同的阻力成分之外，同时还产生飞溅阻力。
2．典型的阻力曲线形状图9-3是高速排水型快艇和排水型船舶以及其它各种水面高速艇的阻力曲线比较。
由图9-3知，在低速情况，高速排水型快艇的阻力特性可以认为与排水型船基本上相同，实际上此时未出现飞溅现象，艇底水动力无甚影响的情况下，就阻力成分而言两者亦是相同的。
在低速时，由摩擦阻力占主要成分，排水型船的排水量长度系数较高速排水型快艇为大，对减少摩擦阻力有利，因而其相应的单位排水量总阻力R t /Δ显得小些。
随着航速增大，由于流体动力的作用，一方面出现飞溅现象；另—方面，在流体动力作用下艇体有所上抬，使兴波阻力有所减小，因此表现在阻力曲线随航速变化比较缓和。
如图9-3所示，在一定航速范围内(约0.45＜Fr ＜1.0)，圆舭过渡型快艇的阻力性能不但较排水型船低得多，而且较其它各种快艇亦要小。
190如航速继续增大，—般认为，Fr ＞1.0时，圆舭过渡型快艇由于出现严重的飞溅，因此总阻力中飞溅阻力成分急剧增大，以致其阻力曲线随航速增加而变得更陡，正因为如此，一般认为圆舭过渡型快艇的适用范围在Fr ＜1.0。
3．剩余阻力系数曲线的特点高速排水型快艇的航速较高，因此剩余阻力在总阻力中占比重较大。
图9-4是亨许克(Henschke )试验所得的剩余阻力系数曲线。
由图知，不论艇的排水量大小如何，在Fr ＝0.50附近总是存在一个明显的阻力峰值区。
三、影响高速排水型快艇阻力的艇型因素格罗特(Groot )和亨许克等认为影响高速排水型快艇阻力的主要因素是：速度、长度和排水量。
如这些要素确定后，则阻力还受其它船型要素的影响，其中包括：横剖面形状，宽度吃水比(B /d )，棱形系数，水线面系数，船中横剖面系数以及浮心纵向位置等。
一般而言，当设计艇不能达到预定速度时，设法减少艇的排水量或增加艇体长度最为有效。
当然从设计质量更高的要求而言，其它参数应尽量选择恰当。
1．排水量及排水量长度系数的影响由试验证明：排水量对高速排水型快艇阻力的影响是很敏感的，图9-4是亨许克在不同排水量下的剩余阻力系数曲线，在曲线的峰值区内，排水量的变化将引起阻力显著的变化。
柏林水池的系列试验指出：在Fr ＞0.4时，由于排水量变化而引起的剩余阻力变化成1.6R t /ΔV/ L图9-3 水面快艇的阻力曲线比较 62.546.179.2Δ= 95.6 k g3C r ×10Fr1.00.80.60.40.2080604020图9-4 排水量对过渡型快艇的阻力性能影响191次方关系：6.12121⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇∇=R R R R 其中，R R1和R R2分别为对应排水体积为▽1和▽2时的剩余阻力。
归纳所有资料，几乎一致认为排水量长度系数()310/ΔL C =∇是影响阻力的重要参数，有人甚至称为是唯一的影响因素。
显然该系数由△、L 两参数组成的，因而可以想象其对阻力性能产生的重要影响作用。
由图9-5瑞典Nordstrom 资料知剩余阻力系数随C ▽的增加而增加，且在阻力系数曲线“峰值”区内影响最显著。
2．横剖面形状的影响高速排水型快艇的剖面形状一般有U 形(即圆舭型)和V 形(即折角型)两种。
不少研究资料表明：从阻力观点来看，在相同的C ▽情况下，在较低航速时，圆舭型的阻力性能较折角型者为佳。
一般认为U 形艇适用的速度范围为Fr ＜1.0。
3．横剖面面积曲线形状的影响横剖面面积曲线形状往往主要以棱形系数、纵向浮心位置和艉板浸湿面积比来体现。
高速排水型快艇的棱形系数的选取与设计航速有关。
泰洛建议的最小阻力的棱形系数值是以C ▽和Fr 为参数．如表9-1所列，可供实际设计时应用。
其他有关试验资料亦给出了棱形系数的选择曲线。
由于高速排水型艇航速较高，从所有变化浮心位置的模型试验结果来看，剩余阻力为最小的情况均发生在浮心位置处于船中之后，因此浮心位置适当移后往往对阻力性能是有利的。
由于相对尾板面积A t /A m (其中A t 、A m 分别为尾板和船中横剖面面积)与尾部流动有关，因而认为是影响阻力的参数之一。
但试验证明相对尾板宽度B t /B m (其中B t 、B m 分别为尾板和船中剖面的水线宽度)与尾板底部横向斜升角β都对阻力亦有重要影响，B t /B m 与β的选取均与Fr 数有关。
原苏联系列方尾船试验指出：当Fr ≥0.45时，选取较大的相对尾板宽度和较小的β对阻力性能是有利的。