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2015-船舶阻力(2)-粘性阻力解析_图文

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船舶阻力(2) ——粘性阻力 船舶与海洋工程专业课程 主要内容 粘性阻力的特征 粘性阻力包含 摩擦阻力、粘压阻力 Rv ? R f ? Rpv 粘性阻力的特征 摩擦阻力 由边界层流动引起的 边界层的基本理论 由于粘性作用 在物体表面形成的薄层 薄层内速度小于主流区, 一般划定99%U处为边界层的边界线 随着发展逐渐变厚 粘性阻力的特征 摩擦阻力 边界层的基本理论 边界层的发展与Re数相关 随着Re数的增加,逐渐从层流发展为湍流 层流 (3.5 ~ 5.0) ? 105 过渡 3 ? 106 湍流(平板) 层流 3.5 ? 104 过渡 5 ? 105 湍流(平板) 粘性阻力的特征 摩擦阻力 边界层的基本理论 层流流动稳定,易估算 湍流流动不稳定 形成许多不同尺度的涡 难以计算 粘性阻力的特征 摩擦阻力 工程问题 在相当高Re数下边 界层理论偏差较大 实船与船模Re数对比 船模 长2米,航速2m/s 实船 长100米,航速 15Kn 粘性阻力的特征 摩擦阻力 工程问题 数值计算的结果受限 于湍流模型的准确性 小型分离加剧 自由液面的泡沫 飞溅 粘性阻力的特征 摩擦阻力 工程问题 尺度的影响十分明显 大尺度的实验开展非常困难 影响因素过多 船模 粘性阻力的特征 粘压阻力 途径1:流动分离 途径2:边界层 使流场发生变化 边界层厚度引起外部势流变化,压力变化 例如尾部为扩张流,增压,边界层使扩张效果减弱 与船体曲面相互作用,曲率的存在产生压差,导致 船体表面压力变化 摩擦阻力的计算 Re数是主要影响因素 以平板摩擦阻力为基础,修正其他影响参数 平板摩擦阻力原理 根据应力 R f ? ??? dS ? b ? ? dx 根据动量定理 R f ? b ?0 ?u(v ? u)dy 边界层内 主流 ? v v u 摩擦阻力的计算 平板摩擦阻力原理 根据动量定理 R f ? b ? ?u(v ? u)dy 0 ? ? ? 动量定理 F ? ?? ?uV ? dS 进口流量 ?v?b 上方流量 ?v?b 出口流量 2 ? ? v ?b ,通量 ? b? ?udy 0 ? ,通量 ? ?v m b? ? 0 ?udy ,通量 b ? ?u 2dy 0 摩擦阻力的计算 平板摩擦阻力原理 根据应力 R f ? ??? dS ? b ? ? dx 根据动量定理 R f ? b ? ?u(v ? u)dy 0 ? ? ? dx ? ? ? 0 ?u(v ? u)dy 动量损失厚度, 与边界层厚度相关 ? d ? u u 2 d 2 d? ?? ?u(v ? u)dy ? ?v ? (1 ? )dy ? ?v ? ? dx 0 dx 0 v v dx 摩擦阻力的计算 平板摩擦阻力原理 2? 理论结果 C f ? X 摩擦阻力的计算 光滑平板层流摩擦阻力公式 Blasius(1908) (布拉修斯)(普拉修斯)(勃拉齐) 不适用与湍流 基本不适用与船舶与海洋工程 Cf ? Rf 1 2 ?v S 2 ? 1.328Re ? 1 2 摩擦阻力的计算 光滑平板湍流摩擦阻力 速度指数分布 C f ? 0.074Re 速度对数分布 ? 1 5 Schoenherr(桑海)(1947ATTC) C f ? 0.4631 (lgRe)?2.6 Prandtl-Schlichting(普朗特-许力汀) C f ? 0.455(lgRe)?2.58 Hughes(休斯) C f ? 0.066(lgRe? 2.03)?2 摩擦阻力的计算 光滑平板湍流摩擦阻力 ?2 1957 ITTC C f ? 0.075(lgRe? 2) 过渡流 C f ? 0.455(lgRe)?2.58 ? 1700/ Re 摩擦阻力的计算 光滑平板湍流摩擦阻力 层流 普朗特-许力汀 过渡流 指数 休斯 桑海 ITTC 1957 20 15 10 5 0 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6 6 6.4 6.8 7.2 摩擦阻力的计算 光滑平板湍流摩擦阻力 层流 普朗特-许力汀 过渡流 指数 休斯 桑海 ITTC 1957 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.2 摩擦阻力的计算 光滑平板湍流摩擦阻力 阻力系数的普遍公式 从湍流边界层基本特征出发推导而来 通过级数展开 A 1 A A A ? ln Re ? ? lnC f ? ( ? ) C f ?? 2 Cf 2 2 2 ? 摩擦阻力的计算 相当平板假设 实船或船模 其阻力与同速度、长度、湿面积平板相等 显然,由于实船和船模的Re数不同,其摩擦 阻力系数是不同的 称为尺度效应 摩擦阻力的计算 相当平板假设,忽略了 表面粗糙度的影响 油漆的影响(跟材料相关) 焊缝的影响(局部粗糙度) 船体表面弯曲的影响 造成流速分布不均匀 二次流(流动变向、旋涡分离) 摩擦阻力的计算 船体表面弯曲影响摩擦阻力的修正 产生的主要原因 由于船底突出,使流动加速,导致船底压力降 低,使船的吃水发生变化,影响了湿表面积 修正公式 L 2 ? ? ( 11 . 25 ? ) ?R f ? ? B ? ? B ? 0.01? ? 2.5?(0.35 ? C p )? 1.3 ? ? Rf 5 10T ? ? ? ? ? ? 摩擦阻力的计算 船体表面弯曲影响摩擦阻力的修正 影响较小 1%~3% 一般归于粘压阻力 摩擦阻力的计算 船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正 一般粗糙度(油漆) 当Re数不同,边界层厚度不同 粗糙度的影响也不同 摩擦阻力的计算 船体表面粗糙度影响摩擦阻力的修正 Re数较低(水动力光滑) 边界层厚度远大于粗糙度,对阻力无影响 中等Re数 有一定的影响,



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