1、精品文檔第1章阻力估算船體型線確定以后，計(jì)算船體在不同航速下所收到的阻力是預(yù)估船舶快速性的基礎(chǔ)，本文采用系類實(shí)驗(yàn)圖譜估算發(fā)和統(tǒng)計(jì)和回歸資料估算法對(duì)船舶阻力進(jìn)行估算，獲得不同航行速度下的阻力并繪制有效馬力曲線，為螺旋槳的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1.1相關(guān)參數(shù)計(jì)算1.1.1排水體積計(jì)算運(yùn)用CAD自帶的面積測(cè)量功能，獲取每條半寬水線與基線所圍成的面積，則可得到每條水線所圍成的面積表3-1水線面面積數(shù)據(jù)250wl500wl1000wl2000wl3000wl4000wl5000wl6000wl7000wl8000wl9000wl10000wl10820wl采用梯形法計(jì)算排水體積。由于01000wl，1000

2、10000wl、10000wl10820wl的間距不相同，分三部分進(jìn)行計(jì)算。梯形法計(jì)算的表格如表4-2表3-2梯形法計(jì)算排水體積水線號(hào)水線面面積乘數(shù)面積乘積00.525015001750110000.5總和2501102.05410000.52000130001400015000160001700018000190001100000.5總和Al100015259.9100000.5108200.5總和8201603.849排水體積V35931.6海水密度P二1025.91(kg/m3)在海水中的設(shè)計(jì)排水量V=36943t設(shè)計(jì)排水體積A=Vp36009-9.、八A-A絕對(duì)誤差設(shè)計(jì)計(jì)算x100%=

3、0.217A設(shè)計(jì)誤差主要來(lái)源：各水線面面積的計(jì)算誤差采用梯形法計(jì)算的誤差浮心縱向坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)用CAD自帶的曲線面積測(cè)量工具，獲取每站位上橫剖線圍成的橫剖面積，由梯形法可計(jì)算排水體積以及浮心縱向坐標(biāo)表3-3梯形法計(jì)算和浮心縱向坐標(biāo)站號(hào)橫剖面面積乘數(shù)面積乘數(shù)矩臂面炬乘積尾封板0.5000.5004.14013.5100.500-5-7.1890.251.000-4.75-68.9230.51.000-4.5-234.5330.751.000-4.25-365.09111.000-4-469.6421.251.000-3.75-549.7351.51.000-3.5-615.2361.751.000-

4、3.25-650.80421.000-3-674.1402.251.000-2.75-671.9562.51.000-2.5-659.9562.751.000-2.25-624.34230.500-2-145.494總和4.1158030.285-5737.042-23607.9330.500-2-145.49441.000-1-315.51451.00000.00061.0001313.57770.5002142.847總和l16.46020333.408-4.584-75.4570.5002142.8477.251.0002.25607.2597.51.0002.5635.2297.751

5、.0002.75634.39381.0003621.8568.251.0003.25581.7548.51.0003.5527.511精品文檔3.75454.4979圍長(zhǎng)乘數(shù)精品文檔8.751.0009.259.59.7510總和10球首總和40.71027.08420.71320.7130.000Al1.0001.0001.0001.0000.5004.1150.5000.5004.0707359.42742.15035778.7814.254.54.75366.724267.257183.197128.65125.8915177.065-564.56121303.62-2379.76在海水

6、中設(shè)計(jì)排水量A=369t43海水密度P二1025.9g(m3/)設(shè)計(jì)排水體積V=A/pV-V絕對(duì)誤差計(jì)_計(jì)算x100%=0.642V設(shè)計(jì)一一工M浮心縱向坐標(biāo)X=吟=-0.07bVX浮心縱向坐標(biāo)距船中(L%)bx100%=-0.04LBP濕表面積計(jì)算運(yùn)用CAD自帶的曲線長(zhǎng)度測(cè)量工具，獲取每個(gè)站位上水線以下部分橫剖面曲線所圍成長(zhǎng)度。利用梯形法計(jì)算濕表面積。具體計(jì)算見(jiàn)表3-4表3-4梯形法計(jì)算濕表面積站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)00.570.50.2517.251精品文檔精品文檔0.517.510.7517.75111811.2518.2516.9711.518.511.7518.7

7、5121912.2519.2512.519.512.7519.75130.5100.5部分和4.12部分和4.12站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)站號(hào)橫剖面圍長(zhǎng)乘數(shù)圍長(zhǎng)乘數(shù)30.5尾封板1.380.54103.710.551部分和10.5445861球首0.000.570.5109.920.5部分和部分和20.19331總和677.795計(jì)算濕表面積S=6377.7m925計(jì)算設(shè)計(jì)船濕表面積S=644m82設(shè)計(jì)絕對(duì)誤差（100%）S-S_計(jì)算100%=1.09S設(shè)計(jì)1.2阻力估算船舶在水中航行所受的水阻力可分為船舶在靜水中航行時(shí)的靜水阻力和波浪中的洶濤阻力兩部分。船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力與船體

8、周圍的流動(dòng)現(xiàn)象密切有關(guān)。根據(jù)觀察，船體周圍的繞流運(yùn)動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，但主要有以下三種流動(dòng)現(xiàn)象：（1）興波阻力：船體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中興起波浪，簡(jiǎn)稱興波阻力。興波阻力包括產(chǎn)生穩(wěn)定的船行波和不穩(wěn)定的破波。由于船行波的產(chǎn)生，改變了船體表面的壓力分布情況，船首的波峰使首部壓力增加，而船尾的波谷是尾部壓力降低，于是產(chǎn)生首尾流體動(dòng)壓力差，形成阻力。從能量觀點(diǎn)看，無(wú)論是船行波還是破波都具有一定的能量，這些能量必然由船體供給。這種由于船體運(yùn)動(dòng)不斷興波而耗散能量所產(chǎn)生的阻力稱為興波阻力，一般用Rw表示。（2）摩擦阻力：當(dāng)船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于水的粘性，在船體周圍形成“邊界層”，從使船體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到粘性切應(yīng)力，亦即船體表面產(chǎn)

9、生了摩擦力，它在運(yùn)動(dòng)方向的合力便是船體摩擦阻力，用Rf表示.（3）粘壓阻力：在船體曲度驟變出，特別是較豐滿船的尾部常會(huì)產(chǎn)生旋渦。旋渦產(chǎn)生的根本原因也是由于水具有粘性。旋渦處的水壓力下降，從而改變了沿船體表面的壓力分布情況。這種有粘性引起船體前后壓力不平穩(wěn)產(chǎn)生的阻力稱為粘壓阻力，用Rpv表示。從能量觀點(diǎn)看，克服粘壓阻力所做的功耗散為旋渦能量。粘壓阻力習(xí)慣也叫旋渦阻力。在阻力計(jì)算方面，對(duì)于各類阻力的計(jì)算已有很多相關(guān)的研究。對(duì)于摩擦阻力，一般分為相當(dāng)平板摩擦阻力和計(jì)及船型椅子的阻力增加系數(shù)kRf,并有了很多的經(jīng)驗(yàn)公式可供阻力估算；粘壓阻力和興波阻力的計(jì)算通常采用尾流測(cè)量法，隨著邊界層非線性理論研究的

10、深入和流體力學(xué)理論（CFD）的發(fā)展，粘壓阻力和興波阻力的理論計(jì)算得到了很多發(fā)展，并在實(shí)際中得以運(yùn)用，但目前的理論方法還不能正確地計(jì)算船舶阻力?，F(xiàn)有的阻力估算通常按傅汝德分類方法將船體靜水阻力分為相當(dāng)平板摩擦阻力和剩余阻力。本文進(jìn)行阻力估算均采用了傅汝德分類方法。根據(jù)現(xiàn)有資料和設(shè)計(jì)的船型參數(shù)，選擇泰勒系列圖譜法、艾亞（Ayre）法、蘭潑-凱勒（Lap-Keller）法進(jìn)行阻力估算。1.2.1航速預(yù)設(shè)船舶在不同的航速下航行具有不同的雷偌數(shù)和傅汝德數(shù)，因此不同的航行速度具有遭受的阻力不同。在進(jìn)行阻力估算前，必須先預(yù)設(shè)一組航速。集裝箱船的航速一般為2225kn,經(jīng)濟(jì)航速為17kn，本船設(shè)計(jì)航速為17.

11、5kn預(yù)設(shè)航速為1522kn，則Fr=0.1900.282。根據(jù)船型分類，屬于中速船范圍。1.2.2泰勒法阻力估算（1）運(yùn)用泰勒系列剩余阻力系數(shù)C圖譜插值求出不同預(yù)設(shè)航速下的剩余阻r力系數(shù)，如表3-5，具體插值計(jì)算示例見(jiàn)附錄表3-5插值后的剩余系數(shù)假定航速1515.51616.51717.51818.5Fr盡1000Cr假定航速1919.52020.52121.522Fr=7gL1000Cr2）按桑海公式計(jì)算相當(dāng)平板摩擦阻力系數(shù)C二0.4631(lgRe)（3）粗糙度附加值（4）總阻力系數(shù)（5）總阻力（N）（6）取附體系數(shù)k二0.03,apR二R（1+k）+Rtstapaa計(jì)算得到的總阻力如表

12、3-6AC二0.4X10-3fC二C+AC+CtffrR=C1pv2St12空氣阻力系數(shù)C二0.1x10-3，總阻力aa表3-6泰勒法估算總阻力艾亞法阻力估算艾亞法阻力估算步驟（1）由設(shè)計(jì)船舶的Fr和VNL及L/A1/3值在艾亞法標(biāo)準(zhǔn)船型系數(shù)C值查得0相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)船型的C值；0（2）根據(jù)Fr或V21由標(biāo)準(zhǔn)方形系數(shù)C及標(biāo)準(zhǔn)浮心縱向位置x表插值該集裝箱船對(duì)bcc應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)方形系數(shù)C及標(biāo)準(zhǔn)浮心縱向位置x；bccB對(duì)實(shí)船進(jìn)行修正，包括方形系數(shù)C的修正，寬度吃水比石的修正、浮心縱向位置bcTx的修正、水線長(zhǎng)度L的修正。cwl計(jì)算得到的總阻力如表3-7表3-7艾亞法估算阻力1.2.4蘭潑-凱勒法阻力估算蘭潑

13、-凱勒法阻力估算步驟：根據(jù)船舶的C和x值，由蘭潑-凱勒法的浮心位置分組圖決定使用何組圖譜進(jìn)行內(nèi)pc插VSS根據(jù)實(shí)船的=及C值，由選定的C圖譜獲取C的值，計(jì)算得到C的CLPrArArpmm值因圖譜以L/B=6.5給出，根據(jù)計(jì)算船的L/B值進(jìn)行修正摩擦阻力系數(shù)由桑海公式算出，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)根據(jù)船長(zhǎng)選取AC=0.2X10-3f計(jì)算總阻力系數(shù)及總阻力圖譜以B/T=2.4給出，在獲得總阻力R后，對(duì)總阻力做修正tBAR=10(-2.4)x0.5%RtTt經(jīng)過(guò)修正后的實(shí)船總阻力為R=R+ARtt取附體系數(shù)k=0.03，空氣阻力系數(shù)C=0.1x10-3，總阻力apaaR=R(1+k)+Rtstapaa計(jì)算的阻

14、力值如表3-8表3-8蘭潑-凱勒法估算阻力1.3阻力換算與比較實(shí)驗(yàn)船型為長(zhǎng)度為122m的幾何相似船型，給定的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行比較前需進(jìn)行阻力換算，消除船體尺度所引發(fā)的誤差。上世紀(jì)5060年代甚至更早些年代，船模與實(shí)船間的換算關(guān)系都是采用二因次法，即將船舶阻力劃分為摩擦阻力與剩余阻力兩部分，換算到實(shí)船時(shí)再加上粗糙度補(bǔ)貼。這對(duì)早期的軍船、小型船舶及方形系數(shù)不大的船舶是可行的，但隨著船越造越大，方形系數(shù)也大大增加，再將服從雷諾定律的粘性阻力、漩渦阻力以及其他一些阻力分量都?xì)w入剩余阻力中是不適宜的，甚至?xí)霈F(xiàn)實(shí)船比模型還光滑的謬論，于是就出現(xiàn)了三因次換算法。對(duì)于方形系數(shù)較大的低速船，進(jìn)行模型和實(shí)船阻

15、力換算時(shí)通常采用三因次換算法；對(duì)于中高速船，進(jìn)行模型和實(shí)船阻力換算時(shí)通常采用二因次換算方法本文的Fr=0.190.284,屬于中高速船舶，因此本文采用了二因次換算法，即傅汝德?lián)Q算。為計(jì)算方便，將實(shí)船阻力系數(shù)應(yīng)用傅汝德阻力換算換算為122m實(shí)驗(yàn)船的阻力系數(shù)，并在相當(dāng)船速下進(jìn)行比較。1.3.1阻力系數(shù)換算總阻力系數(shù)125R-1兀1/2PV2V2/3傅汝德阻力換算125-+(s)(C-C-AC)122s兀f122fsf三種計(jì)算方法得到的阻力經(jīng)換算后的總阻力系數(shù)為表3-9經(jīng)傅汝德?lián)Q算后的總阻力系數(shù)122泰勒122艾亞122蘭潑1.3.2阻力比較將換算后的總阻力系數(shù)與相當(dāng)速度下試驗(yàn)得到的阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較

16、4兀vCD計(jì)算設(shè)計(jì)船在預(yù)設(shè)航速下的速度系數(shù)()=廠Ge根據(jù)設(shè)計(jì)船的預(yù)設(shè)航速下的速度系數(shù)計(jì)算相應(yīng)速度下試驗(yàn)船的航速根據(jù)以后的實(shí)驗(yàn)航速下的阻力系數(shù)插值得到計(jì)算航速下的122比較三種不同計(jì)算方法經(jīng)轉(zhuǎn)換后的值與試驗(yàn)船的進(jìn)行比較，計(jì)算誤差122表3-10相當(dāng)航速下計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較相當(dāng)航速(kn)1515.51616.51717.518Froud122ITTC122122泰勒絕對(duì)誤差(100%)122艾亞絕對(duì)誤差(100%)122蘭潑絕對(duì)誤差(100%)相當(dāng)航速(kn)1919.52020.52121.522Froud122ITTC122122泰勒絕對(duì)誤差（100%）122艾亞絕對(duì)誤差（100%）122

17、蘭潑絕對(duì)誤差（100%）圖3-1計(jì)算阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)圖3-2計(jì)算阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)誤差比較誤差分析由以上計(jì)算可知，計(jì)算阻力與船舶實(shí)驗(yàn)阻力具有一定的誤差，且不同的計(jì)算方法的誤差不同。由圖3-2可知，蘭潑法的整體誤差較小，一般低于5%，泰勒法和艾亞發(fā)的誤差均較大，且誤差隨航速分布成方向。對(duì)于不同的計(jì)算方法，誤差主要來(lái)源主要有一下幾個(gè)方面：（1）阻力分類計(jì)算方法引發(fā)的誤差：本文中阻力的估算均采用的是傅汝德阻力分類方法，將船體阻力分為相當(dāng)平板年的摩擦阻力和剩余阻力。傅汝德把船體阻力分成互不相關(guān)的兩個(gè)獨(dú)立部分，忽略了兩者的相互聯(lián)系；其次，傅汝德將行波阻力和粘壓阻力這兩種不同性質(zhì)的阻力成分合并成

18、剩余阻力，并認(rèn)為符合傅汝德比較定律，在理論上是不恰當(dāng)?shù)?；最后，船體形狀的復(fù)雜的三因次物體，其周圍的流動(dòng)情況與平板相比顯然有一定的差別，因此，用相當(dāng)平板阻力代替船體摩擦阻力必然是有誤差的。（2）阻力估算方法引發(fā)的誤差：泰勒法的母型船為一巡洋艦，阻力性能較好，因此對(duì)航速較高、船型較痩的雙螺旋漿船用此法較為恰當(dāng)。本設(shè)計(jì)船為單螺旋槳集裝箱船，方形系數(shù)C二0.675，船型雖瘦，在一定程度上符合計(jì)算的要求，但b仍存在較大誤差。同時(shí)，泰勒系列圖譜的1000V/L37.0，而設(shè)計(jì)船的1000V/L=7.47，差值時(shí)采用了外插進(jìn)行剩余阻力C的計(jì)算。r艾亞法船型系列的統(tǒng)計(jì)資料代表著20實(shí)際40年代以前的船型，隨之

19、時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)在的船型較過(guò)去有了很大的改變，因此艾亞法雖適用范圍較廣，對(duì)中、低速船的估算結(jié)果與船模實(shí)驗(yàn)的吻合程度尚好，但誤差能較大。同時(shí)，艾亞法所需的主要參數(shù)X在用梯形法計(jì)算中本身存在誤差，再用于阻力估算中產(chǎn)生的誤差c較其他方法更大。蘭潑-凱勒法的阻力估算結(jié)果與船模實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，存在的誤差主要源于對(duì)圖譜的讀數(shù)上。（3）阻力換算引發(fā)的誤差：本文才用了傅汝德阻力換算方法，即二因次阻力換算。二因次阻力換算引發(fā)的誤差如（1）中分析類似，不再做過(guò)多分析。1.4本章小結(jié)本章在型線確定及繪制完畢后，進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證以及阻力估算。通過(guò)計(jì)算排水體積、濕表面積、浮心縱向坐標(biāo)等，可以得出計(jì)算參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在的誤

20、差較小，型線設(shè)計(jì)和繪制基本合格。本章采用了三種阻力估算方法：泰勒系列圖譜法、艾亞法、蘭潑-凱勒法。與船模實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較可知，蘭潑-凱勒法對(duì)本設(shè)計(jì)船的適用性較好，估算值與實(shí)驗(yàn)阻力值誤差較小。第四章型線變換4.1基本公式本船型線設(shè)計(jì)系用“1-Cp”方法進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。其基本公式為5dx=(i-tCpLLp1-Cpf2前體）dx=(1-x)5CpaLpp1-Cpa2后體）4.2浮心的確定母型船的浮心為:-1.16米；設(shè)計(jì)船的浮心為:-1.1米。4.3繪制無(wú)因次橫剖面面積曲線利用EXCEL表格，計(jì)算母型船各站處的橫剖面面積，如表4-2所列。站號(hào)母型船各站橫剖面面積（m2）站號(hào)母型船各站橫剖面面

21、積（m2）03.2671118.0815.351217.2128.0561315.77310.471414.06412.621511.82514.6169.39616.455176.735718.049184.11819.23191.69919.92001020.19表4-2母型船各站橫剖面面積4.4系數(shù)的確定母型船資料：垂線間長(zhǎng)Lpp0=37m,菱形系數(shù)Cp0=0.608,浮心縱向坐標(biāo)xbO=-O.O31。設(shè)計(jì)船資料：垂線間長(zhǎng)Lpp=34m,菱形系數(shù)Cp=0.588,浮心縱向坐標(biāo)xb=-0.028。C=C+2.25X“=0.608+2.25x(-0.031)=0.538；pf0p0b0C=C

22、-2.25X=0.608-2.25x(-0.031)=0.678；pa0p0b0Cpf=Cp+2.25Xb=0.588+2.25x(-0.028)=0.525；C=C-2.25X=0.588-2.25x(-0.028)=0.651；papb8C=C-C協(xié)=0.525-0.538=-0.013；pfpfpf08C=C-C=0.651-0.678=-0.027；papapa08C丿1-C協(xié)=-0.02818C/1-C尸-0.0839。pfpf0papa019號(hào)站移動(dòng)距離：Axl9=(1-0.9)Cpf/l-Cpf)x(Lpp0/2)18號(hào)站移動(dòng)距離：Axl8=(1-0.8)(5Cpf/1-Cpf)

23、x(Lpp0/2)17號(hào)站移動(dòng)距離：Ax17=(1-0.7)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)16號(hào)站移動(dòng)距離：Ax16=(1-0.6)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)15號(hào)站移動(dòng)距離：Ax15=(1-0.5)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)14號(hào)站移動(dòng)距離：Ax14=(1-0.4)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)13號(hào)站移動(dòng)距離：Ax13=(1-0.3)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)12號(hào)站移動(dòng)距離：Ax12=(1-0.2)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)11號(hào)站移動(dòng)距離：Ax11=(1-0.1)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0

24、/2)10號(hào)站移動(dòng)距離：Ax10=0。9號(hào)站移動(dòng)距離：Ax9=(1-0.1)Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.9)x(-0.0281)x18.5=-0.052m。=(1-0.8)x(-0.0281)x18.5=-0.104m。=(1-0.7)x(-0.0281)x18.5=-0.156m。=(1-0.6)x(-0.0281)x18.5=-0.208m。=(1-0.5)x(-0.0281)x18.5=-0.260m。=(1-0.4)x(-0.0281)x18.5=-0.312m。=(1-0.3)x(-0.0281)x18.5=-0.364m。=(1-0.2)x(-0.0281)x

25、18.5=-0.416m。=(1-0.1)x(-0.0281)x18.5=-0.468m。=(1-0.1)x(-0.0839)x18.5=-1.400m。8號(hào)站移動(dòng)距離：Ax8=(l-0.2)Cpa/l-Cpa)x(LppO/2)=(1-0.2)x(-0.0839)xl8.5=-1.242m。7號(hào)站移動(dòng)距離：Ax7=(1-0.3)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.3)x(-0.0839)x18.5=-1.087m。6號(hào)站移動(dòng)距離：Ax6=(1-0.4)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.4)x(-0.0839)x18.5=-0.931m。5號(hào)站移動(dòng)距離：Ax5=(1-0.5)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.5)x(-0.0839)x18.5=-0.776m。4號(hào)站移動(dòng)距離：Ax4=(1-0.6)(5Cpa