第2章 粘性阻力-2014.7.ppt

船体周围流场及粘性阻力成因 船体摩擦阻力确定方法 减小船体摩擦阻力的途径 粘压阻力 粘性阻力 定义： 由于流体的粘性作用而产生的作用在船体上的阻力。 粘性阻力包括摩擦阻力和粘压阻力。 2.1 船体周围流场及粘性阻力成因 摩擦阻力和粘压阻力的形成与船体周围流体 的流动状态有关。 船体周围流场及粘性阻力成因 实际船体周围的流场包括三个区域：主流区、边界层区和旋涡区（由边界层离体产生的）。在边界层和旋涡区存在粘性作用，而主流区可以忽略粘性作用，简化为理想流体。 根据相对性原理，认为船体不动，水从无穷远处以船舶运动速度U流向船体。在理想流体假设下，忽略粘性，船体表面对流体无阻滞作用，流体沿船体表面滑过，船体表面即一个流面，如左上图中下半部所示。在前驻点A的流速为零，根据伯努利方程，该点压力最大。流体由A点运动到C点的过程中，在压力差的作用下，速度逐渐增大，压力逐渐减小，到达C点时流速达到最大，压力为最小值，所以AC段称为减压段；流体由C点运动到B点的过程中，速度逐渐减小，压力逐渐增大，到达后驻点B时流速降为零，压力增为最大值，所以CB段称为增压段。 从能量的角度来说，在AC段流体的压能逐渐转化为动能，在CB段动能又逐渐转化为压能，因此在运动过程中机械能守恒，所以流体在AC段获得的动能，在CB段又全部转化为压能，船体前后压力分布对称。即船体在理想流体中作匀速直线运动时，阻力等于零。这也是流体力学中介绍的理想流体中的达朗贝尔疑题。 然而在实际流动中，由于水的粘性作用，在船体表面形成边界层，边界层内存在着剪切应力。在剪切应力的作用下，流体由A点运动到C点的过程中，尽管也存在着与理想流体类似的速度逐渐增大，压力逐渐减小，压能转化为动能的过程。但是由于剪切应力的作用，消耗了能量，流体在C点所获得的动能不如理想流体假设下的大。同时，在CB段，由于剪切应力和与运动方向相反的压差力的双重作用，流体到达D点附近时速度已经降为零，动能全部耗尽，同时在DB段压力差的作用下，流体产生回流，在D点产生流体的离体，形成旋涡区，如左上图中上半部分所示。 在粘性流体中，由于存在能量的消耗，船体前后流动不对称，导致了船体前后压力分布的不对称。与理想流体相比，实际流动中不仅有剪切应力的作用，还有船体前后压差力的作用。 船体表面的剪切应力在船舶运动方向上的投影沿船体表面积分，所得的合力就是摩擦阻力。 由于粘性作用，船体前后压力分布不对称，由此产生的压差力即为粘压阻力，也称为形状阻力或旋涡阻力。 船体周围流场及粘性阻力成因 从能量观点出发： 当船舶在静水面上航行时，由于粘性作用必然带动一部分流体与其一起运动，即边界层。而为了带动这部分流体（水），船体就必须不断地向这部分流体提供能量，因而产生摩擦阻力。 在船尾部流体离体形成旋涡需要消耗能量，一部分旋涡被冲向后方的同时，在船尾又持续不断地产生新的旋涡，因而船体必须源源不断地为这部分流体提供能量，而这部分能量的损耗就是以粘压阻力的形式表现的。 2.2 摩擦阻力的确定方法 由于船体形状复杂，目前应用理论方法精确计算船体摩擦阻力还不能付诸工程实用，在船舶工程中还不得不沿用佛汝德提出的相当平板假定（理论）。 相当平板假定（理论）： 假设具有相同长度、相同湿表面积、相同运动速度的船体和光滑平板的摩擦阻力相同。 应用相当平板假定（理论）得到的摩擦阻力与船体的实际摩擦阻力之间是存在一定差异的。 边界层和摩擦阻力 一、平板边界层 边界层和摩擦阻力 一、平板边界层 假设顺着水流流动方向放置一薄平板，水流以均匀速度v流经平板，由于水具有粘性，平板表面处的水质点被吸附在平板上，故平板表面上的流速为零。随着与平板表面距离y的增加，流速逐渐增加；当y增加至某一距离δ时，其流速达到与来流速度相同。我们称存在粘性作用的这一薄层水流为边界层，δ称为界层厚度。在平板各处均取距离相应为δ的点连成一个界面，即界层边界。 影响边界层厚度的主要因素是流速V、距板前端O点的距离x以及流体运动粘性系数ν（或局部雷诺数： )。 如果V、x一定，当Rex很大时，表示流体粘性作用很小， δ就很小。理想流体可以看做流体运动粘性系数ν=0的实际流体，其雷诺数Re=∞，边界层厚度δ=0。 边界层和摩擦阻力 一、平板边界层 边界层内存在两种流动状态：平板前端部分，