Волновое сопротивление

При движении судна на поверхности воды возникают волны, которые являются причиной появления волнового сопротивления. Возникновение волн обусловлено в основном весомостью воды и мало зависит от ее вязкости. Из рассмотрения характера распределения гидродинамических давлений по длине корпуса при движении судна (рис.94) видно, что давление в оконечностях выше, чем давление в невозмущенной области, а в средней части - ниже. Это является при-

 

чиной деформации свободной поверхности воды, так как давление на ней всегда равно атмосферному. В районе носа и кормы повышенное давление вызывает местное повышение уровня воды, а пониженное давление в средней части корпуса - понижение его. Такая деформация дает начало колебаниям воды под действием сил тяжести, которые наблюдаются в виде судовых волн двух групп - носовой и кормовой.

 

Рис.94. Схема образования Рис.95. Схема расходящихся

судовых волн и поперечных волн

 

Каждая из этих групп разделяется в свою очередь на две системы волн - расходящихся (с короткими гребнями) и поперечных (рис.95). Гребни расходящихся волн носовой и кормовой групп располагаются по обоим бортам судна в эшелонном порядке, и если соединить их середины, то получаются практически прямые линии, направленные под углом α = 18 20⁰ к ДП судна. Каждый гребень расходящихся волн составляет с ДП угол β = 2α. Поперечные волны располагаются между расходящимися волнами по нормали к ДП судна. Носовая поперечная волна возникает несколько позади форштевня и начинается с вершины. Кормовая поперечная волна возникает в районе кормовой оконечности судна и начинается с впадины (рис.22). Длина гребня каждой последующей поперечной волны больше, чем предыдущей, а высоты волн соответственно уменьшаются. Носовая группа волн обладает большей интенсивностью - уровень воды в носовой оконечности судна поднимается на большую высоту и этот подъем распределяется на большей площади, чем в кормовой оконечности. При относительной скорости судна Fr < 0,15 практически наблюдаются только расходящиеся волны. С увеличением скорости судна интенсивность поперечных волн возрастает, а расходящиеся

 

волны становятся малозаметными. Длина поперечной волны (расстояние между соседними гребнями) зависит от скорости судна и определяется по формуле:

λ = 0,64v²,

где v - скорость судна, м/с.

Из данной формулы видно, что с изменением скорости судна меняется длина волны. Поэтому может оказаться, что при некоторых скоростях судна может получиться совпадение фаз, когда гребни носовых волн накладываются на гребни кормовых, в результате чего за кормой судна образуется волны увеличенной высоты (неблагоприятная интерференция). При других скоростях происходит частичное гашение носовыми поперечными волнами кормовых волн (благоприятная интерференция), что приводит к уменьшению волнового сопротивления. Благоприятным в отношении волнового сопротивления скоростям соответствуют впадины на кривой (рис.96) ζ_в (Fr). Для достижения благоприятной интерференции волн на скорости полного хода на некоторых судах сужают носовые обводы в районе ватерлинии с одновременным вытягиванием вперед в виде бульба погруженной части оконечности.

Волновое сопротивление определяется по формуле

R_в = 0,5 ζ_в ρv²Ω,

где ζ_в - коэффициент волнового сопротивления.

Теоретическое определение коэффициента волнового сопротивления ζ_в связано с трудоемкими и сложными вычислениями, поэтому чаще используют экспериментальный метод. В результате модельных испытаний проводимых в опытовом бассейне определяется коэффициент ζ_в обычно в совокупности с коэффициентом сопротивления формы ζ_ф. Коэффициент волнового сопротивления (рис.96) зависит от числа Фруда Fr = v / . Как следует из графика ζ_в = ζ_в (Fr), при Fr = 0,35 0,50волновое сопротивление R_в наибольшее и является одной из главных составляющих полного сопротивления судна (40 60%). При уменьшении числа Фруда, R_в уменьшается и при Fr < 0,15 практически отсутствует. Рис.96. Зависимость ζ_в от Fr