[原创]弗洛德数对舰船性能的影响

这是小弟第一次在海军论坛里发技术贴。因为不是液态流体动力学专业,在这方面的专业知识知道得有限,随便献下丑。希望高人多多指教。。。


作战用的舰只必须在战斗中有一定的抗打击能力,当在战斗中受损时也必须还要有一定的生存能力。 战舰需要强大的动力系统和灵活的操纵性以执行它的任务,并有能力单独行驶到出事地点。军舰的种类划分取决于这些条件在它的设计中被强调的程度。


为了要有这些抗折磨抗打击能力。船舶(Hull)内部必须被分割为一舱一舱的,并设有消防器具等的损坏控制系统。小型军舰为了速度和操纵性而牺牲了抗打击能力和武器装备,反之,大型舰只为了有足够火力和生存能力而牺牲速度和操纵性。如果不能及时到达事发地点、完成任务然后返航,再大的军舰也没有意义。


当远洋执行任务时,军舰必须要有足够的速度,并经得起海上环境折腾的能力,所以军舰的大小非常重要。要在大洋中有足够的速度和生存能力,船只的吨位必须要大。船只的最大速度相对于船身长度之间的关系称为“船体速度”(Hull Speed)。例如,要达到30节的船体速度,船舶必须至少550英尺长。 无论军用或民用船只都离不开这个关系,只要是常规设计的船舶小船永远无法高速行驶。同样的,如果要在15英尺高的巨浪中正常航行,船舶就必须至少500英尺长,较小的船只只能减低速度,否则就无法有可靠的稳定性。


虽然有很多非常规的船舶设计能让小船可以达到较高的速度,例如双体船、V型船舶设计、水翼船等等,但是这些船只一样不能在大风大浪间行驶。在大浪中必须降低速度以确保安全。这不一定说小船绝对不能在大浪中行驶,只是说如果要在大浪中行驶小船就必须突破常规行驶状态,或降低速度,要不然就会如下图一样腾空飘起。当船只在空中飘就很危险,这已经超过液体动力学的范围了。

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本文重点是关于船只因为弗洛德数(Froude Number)而限制的最大航速。弗洛德数是船舶设计必须考虑的相似准则数。由于船舶在水中的阻力来源于1.水与船体的摩擦,2.消失在浪波中的能量,这里称为波阻(Wave Drag)。船舶的弗洛德数与波阻有直接关系,而弗洛德数是由船舶长度与速度构成,所以船只的最大常规航速因船舶长度而异。当然速度也和船舶宽度有关系,可是那是船体与液体的摩擦的阻力关系,不是波阻的关系。注意弗洛德数的用法与雷诺数一样,是参照同样的设计同样的宽度才有相似标准。简单来说就是同样的宽度同样的形状船舶长度才能和速度成正比。不同宽度、不同设计的船舶都有各自的弗洛德数标准。


弗洛德数相等于液体动力学的马赫数。只是把音速换位浪波的速度。弗洛德数在船体设计的应用起源于速度与船舶长度的比例,即

V/sqrt(L)

这里V是速度(节),L是长度(英尺)。

所以必须把波浪的因素考虑进去。而在这里能够把速度与长度比例无单位化。注意波浪在水中的速度有关的就是地心引力g值。所以就变成弗洛德数 Fr = V/sqrt(gL)。把单位统一化后速度V就变成(m/s),引力值g为(m/s/s),长度L为(m)。当把弗洛德数平方后,Fr2 = V^2/g/L跟浪波的能量有关,所以也跟波浪的特性有关,也就是说Fr2和动能成正比。


船舶的形状都是按照其设计速度优化的,速度越高要求的船长宽比也越大。船舶激起的浪波波长必须和船舶长度相配。在低弗洛德数(低速度/长度比),波阻相对低于水的摩擦阻力。当速度(弗洛德数)增加,波阻也随着增加(参考下图的黑线不是直线,而是一波一波跳跃的增加),当波阻达到一个“临界速度”(黑线和红线交叉处,也就是所谓的“船体速度”),也就是说波阻开始超越摩擦阻力。通常这会发生在F = 0.4,常规船只能在这个弗洛德数下航行。为了达到更大的速度,船舶必须加长把弗洛德数保持在F = 0.4以下。 大型船只只有军舰才有高推力把弗洛德数推到F = 0.4以上,这样会完全改变了船只正常航行的模式。


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上图中的例子只有护卫舰(Frigate)和驱逐舰(Destroyer)才能在Fr = 0.4 以上航行,也就是说这些舰只有足够的动力突破正常航行模式。当船只速度超过Fr = 0.4时,激起的波浪就高度会忽然增加,从而增加在浪波中消耗的能量。下图的阿利伯克舰在非常规模式(Fr > 0.4)航行。


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相比下面这张阿利伯克在Fr稍小于0.4的情况下航行,显然下图消失于浪波中的能量小于上图。注意海面都是几乎平静的。可以看出来下图55号舰几乎在Fr = 0.4(船体速度,也就是横波的波长和船的长度一样时)下航行。哪里看出来?因为下图55号舰全长度里只有两个波峰:船头劈出来的一个和船尾拉出来的一个。


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要解释浪波根弗洛德数的关系,就必须谈到横波(Transverse Wave)和岔波(Diverging Wave)。参考下图,岔波在船只行驶时呈“八”字分开,横波却是横着连接左右边的岔波。无论横波或岔波,它们与船舶平行的波长是一样的。


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当船行驶在Fr < 1 时会产生横波,但是当Fr超过1时横波就会消失。下左图是当Fr数小于1时的横波和岔波的图案,而右图是当Fr大于1时横波消失。


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下图展示岔波和横波各自的阻力与Fr数的关系。基本上横波的阻力到 Fr = 0.5 巅峰之后就开始下降,到Fr=1时就几乎可以忽略不计了。也就是说横波消失了。但是岔波阻力一直可以随着Fr数增加,到Fr = 1后就几乎不会再增加。再把横波和岔波的阻力加起来(下图黑线)也就是第二张图中的黑线。注意船长L位于Fr = 0.4 处(船体速度)。

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以下是单体船电脑模拟的尾波,当弗洛德数渐渐增加,尾波变化的比较。采样的范围是10个船长乘于10个船长的正方形。当Fr=0.3,船低速航行时,横波的波长刚好是船体长度的一半,船头造成的波与船尾造成的波刚好波峰碰在一起,产生更高的波峰。当Fr升到0.35时,一部分船头劈开的浪波开始与船尾的浪波互相抵消,造成的波阻比先前Fr=0.3时减少了。这就是先前提到为什么波阻会是一波一波跳跃的随着弗洛德数增加。注意当Fr = 0.3 时在10个船舶长度里可以容纳20个波(可见19个),而当Fr = 0.35 时是15个波(可见14个)。

当Fr=0.4时横波的波长和船的长度L一样。“船首造成的波峰与船尾造成的波峰又碰在一起,造成共振,浪波又比先前高,波阻也更高。船在的这个航行速度就叫“船体速度”。常规船体设计航行速度就限制在这里,这也是水的摩擦力和波阻相等的时候。这里可以看出波峰高度有跳跃性的增加,从而增加在浪波中消耗的能量。理论上这个时候10个船舶长度里可以容纳10个波。

当Fr=0.6,波长比船舶长。这个时候船首开始飘起,船尾开始陷到波槽里去。尾波开始往外呈弧形岔开。这个弧形岔开的程度在Fr=1时就非常明显。这个时候应为波的阻力巨大,耗油量也非常惊人。当Fr > 1 时横波不见了。再看看Fr=1.5时,水的动升力大于浮力,基本船舶是飘起来的。


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所以要在常规状态达到的速度越高,船舶的长度就要越大,除非使用非常规设计,基本上船的航速就限制在船长等于波长,速度越快波峰与波峰之间的长度越大。为了增加速度,许多大型船只的船首都球鼻艏设计(下图),目的为了增加船长,随着船体速度也会增加。当然球鼻艏的目的不止这些,在球鼻艏形成的压缩波会把部分船体产生的波抵消掉,从而增加效率。而且球鼻艏也会增加船首的浮力。

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下图三艘不同长度的舰艇在同一速度下行驶,在一样的速度下,不同长度的舰只就会有不同的弗洛德数,舰体越长弗洛德数越小。在同一速度下,波长是一样的。但是因为补给舰比驱逐舰长,所以补给舰的船长容纳了6-7个波长,而驱逐舰只有5个。当然航空母舰可以容纳更多的波长,但是因为Fr数低,波峰也低,所以浪波不明显。反过来补给舰形成的浪波比航母高,因为它的Fr数相对比航母大。再看看驱逐舰,因为三艘舰艇里它的Fr数最高,所以波浪最明显。也因为这样航母有可能达到的最大常规速度比驱逐舰、巡洋舰等大,当然也要有足够的推动力才能然航母达到船体速度。

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当然,海面的状况也影响船只的正常速度。下图说明了不同船体设计在不同海面状况的适应速度。这里可以看到船体离水面越高,能在大浪中的稳定性就越高。基本上双体船的速度比单体的高(V形船底也很高),因为个别船体较大的长宽比提高速度。但是在波涛汹涌的海面也必须减速,除非加高船体(绿线)。

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解放军的022艇就是这种双体设计,这种设计能够确保在恶劣的海面环境下依然有足够的速度。

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本文内容于 2008-3-12 11:50:59 被哺乳纲啮齿目编辑

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