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为什么船舶的造型直观上不符合减少阻力的设计?

发布时间:2019-05-14 04:40 来源:未知 编辑:admin

  设计成这样的主要原因是船长的住处就在船尾,当时的等级制度决定了,作为上流社会的船长需要一个体面的符合其身份的住所,即使是在海上航行时。严格意义上说,这个部分就是一个设在船上的别墅,各种纷繁复杂的装饰更是巴洛克时期的特色。

  电影“怒海争锋”里船长在房间里合奏。房间里壁炉,会客就餐区,办公区一应俱全。对于这么一条500吨的小船来说,真是宽敞的不像话。

  随着航海技术和火炮技术的发展,人们发现高大的方形尾不仅影响船舶稳性,在海战时更是一个火炮的活靶子。而它巨大的尺寸和份量又导致船舶尾部结构无法承受越来越庞大的主炮。工程们尝试了很多不同的船尾形式,但是都不算很成功。

  直到风帆时代末期,蒸汽铁甲船已经出现,不同的材料给了船舶工程师修正这个问题的可能性,他们用和题主类似的思路开始了削减船尾的工作。从方形变成圆形再变成后来的流线式的长椭圆形。

  现在这种船尾形式已不多见。和方形船尾消失的原因差不多,这种设计下,舵是一半在水下,一半在水上,见泰坦尼克号尾部(浅色是水下,黑色是水上),且舵是在船体的最后面,暴露在外。另外,螺旋桨后方的船体长度有限,舵机也只能布置在毫无保护露天甲板上或者像定远一样以损失稳性的代价再盖一层来保护。在海战时,舵和舵机就成为了天然的弱点受到对方重点攻击。

  针对这个缺陷,以及舵的技术发展,军舰上改良出了一种新的船尾形式(战争是推动技术进步的第一动力)

  侧视图上红色部分是水线以下,能看到螺旋桨后方还有一部分船体在水线以下,而舵已经完全淹没在水里。舵设在船体中部,舵两侧水线附近的船体可以有效的防止舵遭到直接炮击或水面鱼雷的攻击。螺旋桨后方船体加长加高之后,有了足够的空间,舵机也从主甲板上移到了甲板之下,有了装甲保护。

  在实践中,工程师们发现采用这种船尾后,船体吃水线延长,船舶的阻力反而减小了。很快,这种形式就从军舰发展到了民船。

  和题主的感受不同的是,现在大多数商船采用的仍然是这种尾部流线型收缩的船尾形式。甲板一路方形到底的反而是少数(主要是大型集装箱船)

  看起来和自由轮不一样,其实同样是巡洋舰型尾。就是把典型巡洋舰型尾的尾尖部分劈掉,换成了一整张平板,看起来就是方的。

  商船和军舰不同,首先就要考虑经济性。完整的巡洋舰尾虽然尾部多了一些面积,但是这部分面积基本派不上大用,货舱主流都设在在船体中间,后面这点地方由于舵机的存在不能放货舱也就装不了货。尾部又没太多甲板设备需要布置。多出来的这一大块尖角结构不仅难施工而且还很重。不论减少油耗还是提高速度,降低自重都是一个不错的选择。所以船尾就变成现在这个样子

  因为集装箱船和其他货轮的有一个明显的区别是,其他货轮满载是指载重量,3万吨的船满载就是装3万吨货。集装箱船满载是指载货空间装满,2000箱的船就只有装2000箱的空间,至于这2000箱是3万吨还是4万吨影响都不太大,满载集装箱船一般都达不到设计的最大载重量。

  “尾部延长出流线的弧度也能多放点箱子吧”。“对不起,这已经延到极限了。延长的船体都在水面以上,再放上箱子尾部结构就撑不住了”。

  “那重新设计结构?” “我掀桌子了,你多放两个箱子地方我的结构自重要多出二十个箱子的份量”。

  因为尾部线条缓和,高速水流可以延船体的剖面线方向流动,有效减少了水流扭转和弯曲带来的能量损耗。高速水流会沿着流线到船体后方一点,这里就产生了一个虚拟的流线型。减少了尾部扰流的阻力。大概就是下图的意思。

  不过要提到的是,方尾的设计仅仅适用于高速情况下,而且尾部线型要和速度相匹配。在一般货船的航速下,方尾是增加阻力的。

  去年的新发明,左边是船尾,右边是船头。据称可以消波以增加燃油效率,并且减少船舶纵摇的情况。

  蟹妖,能收到所学专业问题的邀请很开心,虽然我的方向跟阻力已经没什么关系了,但是我还是想强答一波,由于没有实际船厂工作的经验,所以有错误的地方望轻喷。

  题主自己也说了,水线面以下的形状跟我们想得不太一样,尾部其实是逐渐收缩的,既可以减小阻力也可以提高尾流对桨效的促进作用,上面布置成方形是为了舱容、造价等考虑,尤其对于低速船而言。

  至于艏部嘛,船艏是用来前进破浪的呀,迎流面积肯定不能太大,做成尖形无可厚非,至于球鼻首我记得它不但不会增加阻力反而会减小阻力。题主又问了,那你只把水线面以下做成尖形不就行吗?这个好像还真不可以,大海中浪还是很大的,船艏做成方形的话我觉得早晚会因为迎浪和上浪被拍坏。

  其实前面的一些回答都已经比较全面了,如果想更深入了解,建议可以读一下船舶设计原理以及船体阻力学。

  这个问题属于船舶工程里面的设计与性能方向,与我的研究方向不大相关,不过也简单的说一下,可能有不准确的地方欢迎指正。

  首先要搞清楚一个概念,一般来说我们将船主甲板以下的部分称为船体,主甲板以上称为上层建筑。而在研究船体性能的过程中,主要还是针对船体部分。

  船舶设计中有一个很著名的指数叫做EEDI,也就是能效设计指数,简单来说,就是船舶消耗的能量换算成CO2排量和船舶有效能量换算成CO2排量的比例指数。而IMO对不同船舶的EEDI指数也有明确的要求。

  提这个是为了说明,船舶设计并不是一个单纯的减阻、减重或是流线优化的过程,而是综合各个方面的一个权衡的过程。

  题主所提到的俯视图,其实看到的是上层建筑的轮廓(也可能是船体干舷部分),这一部分根据不同类型的船功能可能是装载货物装载集装箱装载客人等等当然还有布置一些船上必须构建的功能,作为船东而言当然是希望方形指数越大越好,而且水面以上部分主要受风阻,相较水阻而言占整体阻力比率较小。

  而主甲板以下部位,虽然也有载货载运功能,但基本都是设计成流线型的,也就是题主所提到的减阻还有提高最高航速。除此,一些减阻结构及附件也都是布置在水面以下。

  总之,这样的设计主要是为了提高船舶能耗比以及满足不同功能性船舶运营要求的一种权衡。

  题主说的没有什么问题,事实上船舶水下水平剖面与楼主所画类似。但是既然问的是水上部分,那球鼻首、艉部线性就暂时不提了,而且这部分知识网上资料足够多,题主可以查询。

  关于方尾的问题,实际上还有巡洋舰尾等,俯视图的形状都差不多。这里需要引入一个“虚长度”的概念,这个“虚”的长度是指船体水线面型线向后延伸的一部分“虚”的船体。

  流体是一个非常复杂的力学问题,传统解法只能解决部分理想流体的问题,现在处理时一般采用有限元和边界元的方法,但是运算极其耗时。在上述方法应用之前,船舶的流体力学问题大体上是通过水池模型实验得到的,而在试验中,我们发现在船尾部分是否有一个延伸的线性,影响不大。因此,将艉部线性截断,可以节约成本,也减小船体总长度。至于到底截在什么地方,一般而言,能保护住舵系即可。(这里提一下,水下部分的船长是有多重考虑的,如航行区域、波的叠加等)

  对于首部线型,楼主话的有问题。两侧的双曲线是向内收的,而非外扩。必须指出的是我们讨论的是船,而不是潜艇。船首激起的兴波最终还是要落回海内,而其激起、回落是无论什么线型都无法避免的,而要尽量减少的是兴波的破碎。在波浪经过球鼻首后,最好是通过船体外板进行导向,以避免直接破碎。因此,对于高速船舶,这种导向线性越明显,而对于一些低速船,很多也采用了类似于题主二图的设计,我们称之为直首型船。

  船身是细长 还是粗短 是重视稳性 还是别的 要不要考虑船艏的空间利用,,一大堆东西要综合考虑

  没有绝对的船型,但有理论研究,数值计算和船模,实船试验得来的各种数据,并直接反映到船型上。比如

  1,散货船,油轮等船舶,考虑的是经济效益,装载量较大,因此船型一般比较丰满,所以船首并不像题主说的那样尖瘦。但这样阻力性能是相对差一些,牺牲了船速,但人装的多呀 。

  2,高速船。考虑的是快速性。这时候就需要尖瘦的船首了,以减小兴波阻力。通过研究我们知道,兴波阻力是和波宽和波高的平方成正比,而在船舶高速航行中,兴波阻力占总阻力的主要部分,所以尖的船首是有利于减小兴波的。另外其实如果观察地仔细,一些游艇,快艇的首部还有折角线,压浪条,也是为了减小兴波,或者说减小飞溅阻力的。军舰则通常设置消波水翼。

  对于高速船设置方尾的问题,如果观察的仔细,船尾部分的纵剖线是比较平直的,可以减小高速水流的扭转,因而减小阻力。很容易想到,如果设置收缩的船尾,高速水流会在船尾急剧收缩,可能会产生漩涡,会大大地增加阻力。这里还有一个虚长度的概念,方尾,水流其实是被引流到船体后方相当一段长度的位置,就相当于是在收缩船尾了。

  水阻力是空气阻力的800倍,主要解决水阻力就好。上建的设计基本不考虑阻力,最多考虑受风面积,这还是出于稳性的考虑。

  虽然是学船的,到后来偏向结构了,流体接触交少了。但还是有点印象。水滴型流线确实减阻,所以鱼雷潜艇之流基本都是那个模样,但是船舶不同。

  1,减少与水面的接触面积,代表有水翼艇,小水线,尖首,即穿浪船。要求船体很尖,想根箭一样。

  3,方尾。方尾会因为流线形成一个叫“虚长度”的概念,不尽快,还方便转身。

  基本上我所知道的快速船基本上就这些东西。至于集装箱船,油船等船型,减阻是一个设计目的,此外,装载量、载重、发动机功率、螺旋桨效率等,船东都有硬性要求,比起阻力最小,更要求经济性最高。所以设计上就要考虑很多了。

  而且,一个新船型,要设计的东西很多,各种参数多达上百个要重新设计。因此各大船舶设计制造单位一般很少随便就开发,一般都是在已有的满足各种规范的船型(母型船)在此基础上修改。省时省力还安全。

  所以,参加个初高中,大学船模比赛,会发现各种线型新奇,设计好看的船模。但到实际上去参加个船舶展(海事展),会发现基本所有船型一个样。

  第一名的答案已经把船舶水线以上的船型设计说的很清楚了,咱们可以聊聊水线以下的船型设计。

  船型设计中重要步骤是确定船型参数,就是指确定表征船体水线以下部分的一些特征参数的数值和几何形状。但需要注意的一点是船舶设计是一个必须考虑各种因素的综合性问题,船型参数的选择应顾及总体布置、工艺结构、快速性、耐波性、稳性、航区和经济性等多方面既有联系又有矛盾的各种要求。

  所以题主要知道船型设计可分为水线以上的船型和水线以下的船型,两者设计是有区别的,且都需要考虑多个因素,水线以下的船型设计首先需要考虑的就是船型对船舶阻力的影响。

  首先说说船型对阻力性能的影响,船型对阻力性能的影响与船速密切联系,在不同速度范围内,船型参数对阻力的影响不仅程度上不同,甚至还有本质上的差别,

  因此,所谓的阻力性能优良的船型是对某一定速度范围而言,换句话说,优良的船型随速度而异,低速时阻力性能好的船型,在高速时反而不佳。高速时阻力性能好的船型,在低速时不一定好。 目前研究一般水面排水型船的阻力问题,较普遍的是按照傅汝德数将各类船舶分为低速船

  又引申到船舶阻力可分为三个部分:摩擦阻力(与船体湿表面积有关)、形状阻力(与船型有关)和兴波阻力(与水面波浪有关)。

  低速船航速较低,兴波阻力很小,摩擦阻力和粘压阻力占主要成分,因此在设计这类船舶时,重点在于减小摩擦阻力和粘压阻力,因此这类船设计的较为肥短,目的在于获得较小的船体湿表面积以减小摩擦阻力,但这类船由于型线较短且型线变化较快,易于引起尾部漩涡,导致粘压阻力增大。(这涉及到流体力学知识,边界层的问题)

  中速船的航速增加,兴波阻力增大,设计过程中要减小兴波阻力,也要防止其他阻力成分的增长,这类船设计的较为瘦削。

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