利用船体前后水压的压力差工作的船体动力设计

志勰

新型的船体动力设计分析,并针对不同的船体提出的动力分析。采用本项设计,可大大题船体在水中的运动速度。


    在水中运动的船体通过两种方法都可以提高其在水中的运动速度,一种是减小船体在水中的阻力,另一种是增加船体在水中动力。

    我们知道,船体在水中的阻力和地面上物体的摩擦力是不同的。在一个平面上运动的物体起摩擦阻力和运动速度没有关系。这一点可参见机械运动的能量体系。但是,在水中运动的船体所受到的阻力依赖于水给于船体运动方向的正向和反向的这个水的压力,水的这个压力可以认为同船体的运动速度成正比。关于这个问题,可参见物体在介质中运动动力的原理——海洋动力。

    因此,提高船体在海水中的运动速度,降低阻力比增加动力更为划算。

    1、海水对船体阻力和船体沿运动方向截面积的影响

    船体在水中静止时,谁给于船体的各个方向的水压都是相等的。但是,运动的船体则不是了。船体前方的水给于船体的压力要远大于船体后方给于水的压力。这就是海水对船体的主要的阻力。(如图)

    减少船体的这种阻力,传统采用将船体的结构做成

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流水线的形状,但是对于船体沿运动方向上截面积很大的船体来说,这种阻力也是很大的,并且仍然成为船体在运动过程中的主要的阻力。那么,如何有效的最低限度的减少这种阻力呢?

    采用传统的方法将水相对于船体的相对运动造成的压力,采用流水线的船体结构虽然可以将船体前、后方给于水的压力所形成的阻力进行降低。但是对于船体沿运动方向的截面积很大的时候,流水线的形状给于船体的阻力也是非常大的,那么采用流水线的模式则不能对船体在运动过程中的阻力进行有效的降低了。那么,对于这种沿运动方向截面积很大的船只是不是就不能将阻力降低了呢?

    2、阻力最小的船体结构模式

    与普通的船体外观结构设计恰恰相反,如果要最大限度的降低船体在水中运行的阻力,那么就不能采用传统方法中采用流水线的船体模式对船体进行设计。而采用方形的船体设计。如图:

hydl-jsh-2.gif (5904 字节)     如果船体运动到我们眼前,那么在船体前方的水,必然要绕过船体。这样,就会给船体造成阻力。虽然我们采用流水线的船体结构模式对船体进行设计,但绕过船体的水不会有任何的减少,流水线的船体模式只是将这种阻力降低。

    那么,从这个图上我们可以看到,其实还存在比传统流水线的模式更好的船体结构模式。这种模式就是让水在船体的中间穿过。尤其是对于大型和巨型的船只。让船体前方的水从船体的中间穿过可以将船体前方阻碍船体运动的阻力降低到最小,甚至可以略而不计,而对船体运动形成阻碍的作用力则主要是船体侧面的水和船体的摩擦阻力。我在物体在

介质中运动动力的原理——海洋动力中提到过这个问题,这种阻力和船体前方和船体后方所形成的压力阻力使可以略而不计的。这样,可以认为,这种结构(如图)是在水中运动所受到阻力最小的船体结构。(中间是空的。) hydl-jsh-3.gif (1381 字节)

    3、阻力最小的船体结构的力学特点

   做成如上的严格的船体形状是没有任何意义的,因为船体的意义就在于运载,人或者货物。如上的设计则没有容纳人或者货物的空间。因此,船体的设计不能是上面的这种严格的结构。应该是如下的结构。如图:

hydl-jsh-4.gif (2261 字节)     左边这个图,可以认为是一个这种最小阻力船体的截面图。将船体的前端和后端装上螺旋桨。前端的螺旋桨将船体前端的水抽到船的内部水通道中,而后端的螺旋桨则将船内水通道中的水抽到船的尾部外面。

    这样的解说大家可能会产生这样会浪费能源的感觉。其实则不是这样的。

  从图中我们可以看到,这个船体内部的水通道在船体的前、后端截面积要大(,截面积要小删除时间2001.5.24)。那么,中间截面积比较小的地方,则是水的阻力比较大的地方,同时也是船和水流作用比较强烈的地方。那么,这需要一个水压来维持水的正常流动。前面的螺旋桨和后面的螺旋桨仅仅是起到建立船头和船尾存在水压的差别,同时也是推动船体在水中运动的动力所在。

  当然,我们也可以将螺旋桨建立在船体的内部,比如建立在水通道的中间。螺旋桨前面的水压会减小,螺旋桨后面的水压会增大。在计算动力的时候,除了螺旋桨本身的动力之外,还可以存在一个由水压所形成的给于装载货物的地方下端的动力。这种方法使船体所受阻力最小的。

   对于这种类型的船体的动力计算可以采用水压的方法进行计算:

   一、将螺旋桨动力系统安装在船体水通道的前后两端,那么可以采用水压的方法来计算船体的动力。

       可以采用船体后方的水给于船体的压力减去船体前端的水给于船体的压力。

       这种方法可适用于大型或者巨型的船只作为动力方案。由于船体的阻力降到最低,那么在动力相同的情况下,其航行速度应远大于采用流水线形的船体设计。

   二、将螺旋桨动力系统安装在船体水通道的中间,仍然可以采用水压的方法来计算船体的动力

      由于将螺旋桨安装在船体水通道的中间,那么这种计算方法则和上一种类型不同了。这一种可采用螺旋桨前后的水压差形成的作用力,加上螺旋桨后端的水给于水通道的上方向前的作用力减去螺旋桨前端的水压给于水通道上方阻止船体向前的作用力。

      这种方法可适用于中小型船只作为动力方案。由于船体水通道的中间的截面积较小,那么水流的速度较快,建议采用高速螺旋桨作为动力螺旋桨。

   4、减少船体阻力设计的缺点和适用范围

      如上方案的设计目的主要是减少船体的阻力,有很大的优点,就是可以大大提高船体的运动速度。但也有一个缺点,这就是潜水量的问题。在船只潜入相同体积的水中,由于这种方案设计的船体有一个减少船体在水中阻力的水的通道,那么相对来说,潜水量量相同的情况下,有效载重量要小于相同的,减少水对船体阻力的流水线形设计的船只。

      在使用范围上,除了不能适用于潜水体积最小,载重量最大的船体要求之外,别的都可以找到相应的船体模式。比如潜艇。

      说明一下:在投票调查中,由于收到反对票148票,占总投票的30.14%,但也是一个不小的数字,另一方面潜艇民用的较少,因此这里不再探讨。感兴趣的朋友根据这种减少阻力的特点不难得到潜艇适用的模式。

2001.5.21


发布时间  2001.5.23日    发布人:志勰      发布站点    物理科学探疑