喷水式高速轮船的理论探讨

1 喷水式高速轮船的理论探讨 梁思武 QQ：837153232 四川省广元市旺苍职业中学 628200

摘 要 本文在流体力学方面提出了两种新的理论观点：一是水阻力的惯性特征f水= ma =sin（α/2）×ρ×S×V2/2；二是船舶推力小于发动机动力的根本原因在于F反＝F阻 ≤－F。运用这些新理论从许多具体细节方面提出了一些克服水阻力和提高推进效率的新方法，值得船舶设计师们参考和借鉴。创造性地在船舱内部设计一个大口径的Y字型轴流泵作为喷水式推进器，巧妙地解决了现有轮船设计方面的许多技术难题，为大幅度提高轮船的航行速度开辟了一条新的道路。 关键词 喷水式 高速轮船 惯性水阻力

引言：一种最简单的设计方案 过去的喷水式轮船，给大家留下的印象都是航行速度低和推进效率差，近年来也有一些喷水式轮船的速度大幅提高，大有超过螺旋桨轮船的趋势。在未来的轮船世界里，到底是哪种轮船的性能更加优越？还是一个值得船舶专家们深入研究的问题。 如果你在一个地方待的时间太久了，就会觉得外面的世界很精彩，走出去充分体验一下外面的精彩世界往往会让人产生灵感。当我们把注意力从轮船转移到飞机的时候，就会发现螺旋桨飞机的速度根本无法与喷气式飞机相比。虽然轮船和飞机大不相同，但是水和空气都是流体，相似的性质很多，所以总可以从飞机那里得到一些启发和帮助。我们发明的喷水式高速轮船，就是从喷气式飞机的工作原理中获得的灵感。 这种喷水式高速轮船的设计方案很多，为了方便起见我们这里只介绍一种最简单的设计方案。如图1所示：在尖角船头的两侧各设计一个进水口，在船舱内部设计一个大口径的Y字形排水管连接这两个进水口和船尾的喷水口；在Y字形排水管的前两个支管之间设有发动机、离合器和变速箱等动力机械，与Y字形排水管和管内的叶轮一起构成一部大功率轴流泵，作为轮船的喷水式推进器。在喷水口的中央设有尾舵，用以控制轮船的航行方向；在进水口外还设有栅网，用以防止较大的固态物体进入管道造成阻塞。制造这种轮船虽然花费的材料更多，它的载重能力也降低了不少，但是，与其在运行过程中所获得的高速和节能效益相比，这些损失都是微不足道的。 这种船体与现有的轮船相比：一是可以消除船头的兴波阻力和船尾的涡流阻力，使轮船的阻力大幅度减少；二是能够及时给高速旋转的螺旋桨补充水流，消除了因螺旋桨出现空泡而导致的动力损失，从而更加有效地获取推力。同现有的螺旋桨轮船相比，这种轮船最突出的优点就是高速和节能。据估计这种轮船的设计制造进入理想状态后，有可能把船速提高到每小时200-300公里甚至更高，同时还可比现有的螺旋桨轮船节能30%左右。 2

图1

为了克服水阻力和追求轮船的高速度，许多人把希望寄托在空中，总想脱离水面去实现高速度，于是就发明了水翼艇、气垫船和地效飞行器等交通工具。这些东西的速度确实都比现有轮船的速度高，但是，它们却无法回避一个残酷的现实，那就是必须耗费更多的能量来克服重力，所以它们的运行成本就和飞机相差不远了。轮船在水里面运动虽然受到的阻力很大，但是却不需要耗费大量的能源来克服重力，从经济效益的角度来进行分析，同飞行器和车辆等交通工具相比那还是要数轮船的运行成本最低。所以，喷水式高速轮船才非常具有开发和利用的经济价值。

一、水阻力主要取决于迎水面的弯曲角度 关于水的阻力特性有多种说法，例如：摩擦阻力、兴波阻力、粘压阻力、涡流阻力、污底阻力等等。这些说法当然都各有各的道理，但是我们认为在面对复杂问题的时候必须抓住关键的主要矛盾才能有效地解决问题。因此本文不打算解决所有的水阻力问题，主要是想在解决兴波阻力和涡流阻力方面提出一些新的观点和办法。 一个物体要在水里运动，就必须排开一部分水量给自己开辟一个运动的空间。假设它排开这部分水的质量为m，让所排开这部分水产生的加速度为a，那么根据牛顿第二定律可知这部分水所受到的力是F=ma，所以这个物体所受到的阻力就是f水=ma。由于这种阻力是物体克服水的惯性而产生的阻力，所以我们就把它叫做水的惯性阻力。例如我们用一把大刀纵向劈水时受到的水阻力就很小，而用大刀横向划水时所受到的水阻力却很大。通 3

过观察发现：大刀纵向劈水时参与运动的水量就很小，而大刀横向划水时参与运动的水量却很大。进一步分析发现：大刀纵向劈水时只让少量的水产生了加速度，而大刀横向划水时却让大量的水产生了加速度。 大家都知道尖头物体在水里运动时比平头物体所受到的阻力小，这里面究竟有什么科学原理呢？通过深入研究后我们发现：主要是这两种形状的物体在以相同的速度运动时，使它们所排开的水产生的加速度不同。

图2 如图2所示，设平头物体从D点把水排到C点的加速度为a1，那么Vt2 –Vo2 =2 a1×DC；设尖头物体从A点把水排到C点的加速度为a2，那么Vt2 –Vo2 =2 a2×AC。因为两个物体的运动速度相同，两个（Vt2 –Vo2）也就相同，所以：2 a1×DC =2 a2×AC。把这个式子变形就可以得出：a2= a1×DC/AC= a1×sin（α/2）。 假设轮船两个迎水面的夹角为α，横向排开水运动的加速度为a，那么水被轮船斜向排开的加速度就应该为a×sin（α/2）；设迎水面的横切面积为S，迎水面的运动速度为V，迎水面的位移为s，水的密度为ρ；由Vt2 –Vo2 =2as 得a=(Vt2 –Vo2 )/2s，因为水从静止开始运动Vo2 =0，所以a=Vt2 /2s。把这些假设和关系代入f水=ma就可以得出水的阻力计算公式：f水=ma=ρ×S×s×sin（α/2）Vt2 /2s =1/2×sin（α/2）×ρ×S×V2 。 初次见到这个水阻力公式大家都会产生一些怀疑，但是当我们把历史上曾经出现过的几个水阻力公式放在一起进行比较，就会发现这个公式还颇有科学道理。 牛顿提出的水阻力公式：f水=ρ×S×V2 有些船舶教材提出的水阻力公式：f水=1/2×ξ×ρ×S×V2

本发明提出的惯性阻力公式：f水=ma=1/2×ρ×S×sin（α/2）×V2 牛顿提出的水阻力公式显然过于简单，通过阻力系数ξ可知船舶教材上的公式也还是停留在经验公式阶段，相比之下本发明提出的水阻力公式已经是科技含量最高的了。必须注意的是：f水=1/2×ξ×ρ×S×V2 包含了所有的的水阻力，而f水=ma=1/2×ρ×S×sin（α/2）×V2

则只是迎水面的惯性水阻力，并不包括其它的水阻力。 根据f水=ma=1/2×sin（α/2）×ρ×S×V2 可知：水的密度ρ是个常数，在高速度V2 的条件下，要想减少水阻力f水只有减少迎水面的弯曲角度α和轮船横切面积S了。而横切面积太小了就会带来两个问题：一是轮船的载重量太小；二是轮船很容易向侧面翻倒。我们 4

在船舱内设计一个大口径Y字型排水管来作为喷水式推进装置，不仅圆满地解决了这两个难题。同时这个大口径Y字型排水管还解决了另外两个难题：一是轮船在高速运动状态下可以快速的给螺旋桨补充水流，避免了因螺旋桨出现空泡而导致的动力损失；二是尾部的大量喷水可以彻底消除轮船尾部的涡流阻力。正是因为这个创造性的设计突破了现有轮船设计的许多技术障碍，所以才有可能实现这种喷水式轮船高速度运行的理想目标。 虽然大口径Y字型排水管有效地解决了弯曲角度α和横切面积S之间的矛盾，但是速度变量V2 对水阻力的影响程度仍然非常巨大。解决这个问题的突破口就是迎水面的弯曲角度α，因为弯曲角度α很小时正弦函数sinα的值会急剧减小逐渐趋近于0，所以当弯曲角度α小于3°以下时sin（α/2）的值就变得非常小了，通过f水=ma=1/2×sin（α/2）×ρ×S×V2

得出的水阻力f水也就很小了。值得注意的是迎水面的弯曲角度α不单是指轮船的侧面，也包括轮船的底面和船舱内部Y字型排水管的弯曲面，只要是迎水面的弯曲程度都要影响阻力的大小。还应该注意的是只有当α角正对轮船的运行方向时才能用sin（α/2）计算，当α角偏向运行方向的一侧时（如轮船底面）就应该用sinα来计算。

图3 通过上述分析可以看出：在减少水阻力方面尖头结构的效果确实不错，体育比赛中使用的皮划艇就是一个很好的例证。但是，根据我们的研究发现，最理想的减阻结构是如图3所示的一种空头管状结构。通过螺旋桨的高速旋转，这种船体结构可以彻底消除船头的兴波阻力和船尾的涡流阻力，但是，我们却找不到一个恰当的位置来安装发动机给螺旋桨提供动力。所以，我们才综合了皮划艇和这种管状结构的优点，在舱内设计出如图1所示的Y字型排水管的船体结构。图1所示的船体结构虽然在减阻效果方面不是最理想的，但是如果从多方面进行综合性能评价它已经是最好的了。 船舶行业普遍认为水的基本阻力主要是摩擦阻力、兴波阻力和涡流阻力三种，而对于高速轮船来说所占比例最大的就是兴波阻力和涡流阻力两种。而这种大口径的Y字型排水管船型结构，正好解决了高速轮船面临的两大阻力难题。

二、推力主要取决于轴流泵的排水流量 5

一提起轮船的推力大家都会想到牛顿第三定律F反＝－F，但是根据我们的深入研究发现那只是特殊情况，大多数情况下作用力与反作用力并不相等，而是F反＝F阻 ≤－F。关于这个问题我们专门发表过《鱼尾巴挑战牛顿第三定律》、《“牛顿第三定律”的再商讨》和《“作用力”与“反作用力”的本质区别》等文章。根据F反＝F阻 ≤－F可知，轮船推进效率低下的根本原因在于螺旋桨所获得的反作用力小于它所给出的作用力，要想提高轮船的推进效率，就必须想办法增加螺旋桨转动时所受的纵向阻力，受到的阻力越大获得的反作用力就越多。 虽然我们费了九牛二虎之力来撰写论文，但是却只有少数人赞成我们的观点，而大多数人由于迷信权威并不承认F反＝F阻 ≤－F。因此，我们只好列举现实生活中的典型事例，希望大家通过这些实例来悟出一些提高轮船推进效率的道理。例如鸭子比鸡更擅长游泳并不是因为它的力大，而是因为鸭子的指间有蹼更容易从水中获得反作用力；又如我们划船一般都喜欢用桨而不愿意用棒，就是因为用桨比用棒划船更加节能等等。 喷水式轮船早就已经存在，为什么它们的推进效率一直没有螺旋桨高呢？就是因为在牛顿第三定律的错误指导下，大家都只注重提高喷水的速度而忽视了增大喷水的流量。我们认为轮船的推力应该等于螺旋桨旋转时受到的纵向阻力，应该用F=ma来计算，即是说轮船的推力应该等于轴流泵的排水量与这些水所产生的加速度的乘积。假设轮船的运动速度为V1 ，轴流泵的排水速度为V2，轴流泵的横切面积为S1，水通过轴流泵的位移为s，由Vt2 –Vo2 =2as 得a=(Vt2 –Vo2 )/2s，把这些假设和关系代入F=ma就可以得出轮船的推力计算公式：F=ma=ρ×S1×s×(V22 –V12 )/2s=ρ×S1×(V22 –V12 )/2。 根据F=ma=ρ×S1×(V22 –V12 )/2可知：水的密度ρ是个常数，在轮船的高速度V12 条件下，要想增大推力F可以通过增大轴流泵的横切面积S1和轴流泵的流速V22两条途径。要想增大轴流泵的横切面积S1就必须增大Y字型排水管的口径；要想增大轴流泵的流速V2