船舶阻力第2章 粘性阻力.ppt

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1、1,2-1 边界层和摩擦阻力,一、平板边界层,1、边界层厚度,2,影响边界层厚度的主要因素有：来流速度v、距板前单点O的距离x和流体的粘性（运动粘性系数）。边界层厚度取决于有这三个物理量所组成的无量纲数,2、边界层内的流动状态,3,将流体划分为截然不同的两部分，并分别加以处理。（1）界层外面视为理想流体，可用势流理论来解决；（2）界层内部则视为真实流体，需用边界层理论来求解。,4、边界层理论的重要意义,4,由牛顿内摩擦定理有：,二、摩擦阻力的成因与主要特性,则整个平板的摩擦阻力为：,1、摩擦阻力系数,5,若平板如上图所示，则平板摩擦阻力系数为：,6,1）在相同来流条件下，紊流边界层内速度梯度较

2、大，摩擦切应力较层流情况大，摩擦阻力系数也较大。,2、摩擦阻力的主要特性,7,当来流速度不变，由x增大引起雷诺数增大时，界层厚度增加，边界层内速度分布的丰满度减小。摩擦切应力和局部摩擦阻力系数均随雷诺数增大而减小。,2）雷诺数对摩擦阻力的影响,当x一定，由v增大引起雷诺数增大时，界层厚度减薄，边界层内速度分布的丰满度增大。摩擦切应力随雷诺数增大而增大。,当雷诺数增大时，摩擦阻力系数和局部摩擦阻力系数均随之减少。,8,如果流体介质给定，当界层内的流动状态固定时，则摩擦切应力为常数。显然板长为L的平板摩擦阻力的值正比于平板的湿面积。,3）摩擦阻力与平板湿面积的关系,这一结论对研究船体形状以减小湿面

3、积从而降低摩擦阻力具有实际意义。,9,三、船体边界层,1、边界层外缘势流不同2、界层内纵向压力分布不同,10,2-2 平板摩擦阻力系数计算公式,所谓相当平板，就是具有相同运动速度、相同长度、相同湿表面积的平板和船体的摩擦阻力相同。但实际船体表面不是平板，而是有曲度的，同时船体表面还有粗糙度等。因此，用相当平板理论计算得到的摩擦阻力与实船的摩擦阻力有差异。,目前还没有直接计算船体摩擦阻力的可靠公式，工程上主要采用相当平板理论确定船体摩擦阻力。,11,一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式,二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式,1、速度为指数的计算公式,12,2、速度为对数的计算公式,1）桑海公式,2）柏兰

4、特-许立汀公式,13,3）休斯公式,3、平板摩擦阻力的普遍公式,14,三、1957ITTC公式,四、过渡流平板摩擦阻力计算公式,15,2-3 减少摩擦阻力的方法,一、减小船体湿表面积,由于摩擦力的大小正比于船体湿表面积，因此船型参数、特别是主尺度的确定要适当。,二、减小船体表面粗糙度,三、控制边界层,四、采用聚合物溶液降阻剂及仿生学研究,16,2-4 船体摩擦阻力的计算步骤,一、计算公式,二、具体计算步骤,1、计算湿表面积,17,1）有线型图时,2）无线型图时，利用近似公式计算,18,（1）荷兰瓦根宁船池经验公式,（2）我国长江船型的近似公式计算,（3）交通部船舶运输科学研究所的江船公式,19

5、,（4）利用桑地图谱,20,2、计算雷诺数,3、根据光滑平板摩擦阻力公式算出或由相应的表中查得摩擦阻力系数。,4、决定粗糙度补贴系数的值。目前我国一般取：,5、计算出船舶的摩擦阻力：,21,2-5 粘压阻力的成因与特性,一、船体粘压阻力产生的原因,粘压阻力产生的原因是由于粘性作用和物体后部的纵向压力梯度。,22,二、粘压阻力特性,1、粘压阻力与后体形状的关系,如果船舶的后体收缩较缓和，则沿曲面的流速变化较缓慢，因而纵向正压力梯度较小，分离现象可以推迟，甚至避免。物体后部形状是影响粘压阻力的主要因素。,23,2、粘压阻力与前体形状的关系,如果船舶的前体过于肥短，流线扩张很快，流速增加快，在最大剖

6、面处的速度很高，而压力会降得很低，使得后体范围的正压力梯度增加，流动急剧减速，因此粘性阻力将增大。,舭涡的产生使船首底部形成低压区，造成埋首现象，还会增加阻力。,24,采用球鼻首是降低剩余阻力的主要方法之一,25,3、界层内流动状态对粘压阻力的影响,层流比紊流更容易分离，分离点比较靠近前端，分离区较大，因而粘性阻力比紊流情况为大,26,三、降低粘压阻力的船型要求,1、应注意船的后体形状。,2、应避免船体曲率变化过大。,3、前体线型应予适当注意。,四、船体粘压阻力的处理方法,1、傅汝德换算法：将粘压阻力并入兴波阻力统称为剩余阻力。,2、上世纪50年代提出的换算法：将粘压阻力以形状因子的形式并入摩擦阻力统称为粘性阻力。,27,2-6 船舶粘性阻力理论计算概述,一、边界层理论计算概述,1、积分法：以边界层的 动量积分方程为基础，但遇到的困难是无法求出边界层内的速度分布，往往在计算之前先假定某种速度分布形式。,2、微分法：直接求解边界层的偏微分方程，但在求解时须引进所谓湍流模式来定量描述雷诺应力项。,28,二、N-S方程理论计算概述,1、由于RANS方法本身并不封闭，须引进所谓湍流模式来定量描述雷诺应力，能否正确给出湍流模式至关重要。,2、数值计算的方法和技巧。离散方法选取是否适当、网格划分是否恰当以及计算网格的自动生成在数值计算至关重要。,目前运用N-S方程理论计算粘性阻力时，应注意,