摘 要:随着国际形式的复杂变化、国际交往与运输的频繁以及国内陆路交通的形势严峻。通过流体力学技术研究提高船舶海洋工程的创新,爱我海疆、强我国防利用科学的流体力学技术打造最完美的战舰、鱼雷、大型货轮、客轮等客货军用船舶。用最快的航速、最重的承载、最先进的功能完善我国海洋工程学术领域。
关键词:流体力学 技术研究 船舶 海洋工程 创新
中图分类号:U66文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0040-021 流体特性对船舶的影响
船的出现已有数千年的历史,从独木舟到万吨客货船,从艨艟战船到航空母舰,不论大小、简繁,它们都属于传统的排水型船。船舶在保证承载力的同时很难满足运行速度,船舶的运行速度内部是以发动机械为主,外部的流体抗阻力的设计也是决定船舶航行速度的主要原因。要提高船舶克服海水液体阻力、气流阻力就要从流体力学的特性开始分析。
流体力学的物理状态是依靠物体物理浮力稳定性做应力支撑点,物体在运动中于液体和气体产生摩擦造成大量无规则热运动时分子变化的总称。流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,流动性和没有固定形状是它的基本特征。因为流体具有一定的可压缩性,在流体的形状改变时,流体各层之间也存在一定的运动阻力简称粘滞性。当流体的粘滞性和可压缩性很小时,可近似看作是理想流体,它是人们为研究流体的运动和状态的基本参考指数。根据粘滞性数值我们可以计算出物体在运动过程中所受到的阻力(气流阻力、液压阻力、)物体在克服阻力状态下运行的航速就是我们研发的主要课题。随着近几年研发的“消波型高速船”就流体力学实践应用的一个成功案例。消波型高速船属于圆舭型船,但与常规圆舭艇的型线有较大的差别,底升角比常规圆舭艇的大,最大船宽位于尾部以减少舭涡,且具有较长的尾压浪板以消除尾波等特点。在船舶主要要素相同条件下,剩余阻力比常规圆舭艇降低10%～20%左右,总阻力降低6%～12%左右。通过消波型高速排水型船船模试验及实船试航资料,运用回归分析方法得到估算剩余阻力系数的回归值,我们可以清楚的看到同等承载吨位的船舶,在同等气候条件下运行,其速度方面具有明显的优势。高速船在国内得到蓬勃发展,尤其是消波型高速钢质船由于具有优良的快速性能和较好的经济性,在内河及沿海地区充分体现了流体力学研究在船舶海洋工程的重要性。
静止状态下固体的作用面上能够同时承受剪切应力和法向应力。而流体只有在运动状态下才能够同时有法向应力和切向应力的作用,在静止状态下只能够承受法向应力,这一应力是压缩应力的产生称为静压强。固体在力的作用下发生变形,在弹性极限内变形和作用力之间服从虎克定律,即固体的变形量和作用力的大小成正比。而流体则是角变形速度和剪切应力有关,层流和紊流状态它们之间的关系有所不同,在层流状态下,二者之间服从牛顿内摩擦定律。当作用力停止时,固体可以恢复原来的形状,而流体不能回原位只能够停止变形。固体有一定的形状,流体由于其变形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形状适应容器的形状,并可以维持下来。船舶在液态水中产生的静压力相对较大就是因为摩擦力增大压力增大,航速减弱。与液体相比气体更容易变形,因为气体分子比液体分子稀疏得多。在一定条件下,气体和液体的分子大小并无明显差异,但气体所占的体积是同质量液体的103倍。所以气体的分子距与液体相比要大得多,分子间的引力非常微小,分子可以自由运动,极易变形,能够充满所能到达的全部空间。液体的分子距很小,分子间的引力较大,分子间相互制约,分子可以作无一定周期和频率的振动,在其他分子间移动,但不能像气体分子那样自由移动,因此,液体的流动性不如气体。在一定条件下,一定质量的液体有一定的体积,并取容器的形状,但不能像气体那样充满所能达到的全部空间。流体力学作用在船舶航海的数据较飞机在气流层航行遇到的大气流体力学作用相对较为复杂。学术研究技术要求也更高一些。因为船舶航海流体力学所涉及的不仅是液态流层、气态流层液体,还有一个是气体和液体交界的自由液面数据分析。舰船航行时,通过流线型船身的设计和其他抗阻性技术完善之后,水经过船的尾部所形成的旋涡产生的流体都会吸收了舰船运行中的能量,阻碍了舰船的前进,产生涡旋阻力。可见船舶工程学流体力学技术研究的重要性。通过船舶整体设计的流线型阻力值的计算测得船尾受到漩涡阻力的大小设计出阻力最小的尾部体型合理设计,来减小涡旋阻力增加船舶运行速度。是流体力学技术应用于船舶海洋工程的一个最直接的案例。
2 流体动力学在海洋工程的应用
流体动力学中包含了气体流动和液体流动包括速度、压力、密度、温度等自然指标。不同的温差会产生不同的空气密度,产生的阻力也不同。液体在不同的温度状态下,体积也随着变化的同时说明里其中的密度也随着变化,阻力也随着变化。由于阻力的变化,船舶运行的速度也随着改变。船舶属于运行中的物体,在运行过程中产生的粘滞值越大,摩擦力就越大行驶速度就越低。尤其是航行时,船的兴波阻力的增加比船速的增加要快得多,这是排水型船的航速增加受限制的一个主要原因。当船舶在风浪中航行时,具有足够的稳性和船体结构强度,并能保持一定的航速安全航行的能力,排水型船虽然采用各种减摇装置,但仍无法适应一些特殊船舶所需要的稳定平台的要求。高性能船按船舶水动力学特性及其支承原理可分为静水浮力型、水动升力型、空气静升力型、空气动升力型和复合型。这就需要我们在技术领域对流体动力学的压力值进行详细的数据分析和技术论证,研究出新的船舶结构设计方案来提高船舶的稳定航行功率,增加功效。
3 流体运动学在海洋工程中的应用
流体运动学运动轨迹具有一定的几何性质,和力的具体作用的流体力学分支。流体运动比刚体运动复杂。亥姆霍兹速度分解定理指出,流体微团的运动可以分解为平动、转动和变形。流体运动速度分解定理只在流体微团内成立。
流体质点在空间运动时所描绘的曲线称为迹线；在流场中每一点上都与速度矢量相切的曲线称为流线。迹线是同一流体质点在不同时刻形成的曲线,它是在拉格朗日方法中流体质点运动规律的几何表示；流线是同一时刻不同流体质点所组成的曲线,它是在欧拉方法中流体质点运动规律的几何表示。只有在定常运动中,两者才重合在一起。
流体微团的一般运动可分解为平移、线变形、角变形和旋转运动。船舶在运行中通过水面和空气层导致液态的水进行几何线状流体运动状态和大气中遇到船舶这个物质的介入产生一定量的气压流动,或者产生液态涡旋和气旋。从运动形式角度,流体运动可分为无旋运动和有旋运动。如果流体流动时所有流体微团仅做平移和变形运动,没有旋转运动,这时船舶的运动速度是简单的用物理运行速度减去流体阻力就可以得到。根据有关物理量依赖于1个、2个和3个坐标,流体运动可分为一维、二维和三维运动。如果运动参数只是一个空间坐标和时间变量的函数,这样的流动称为一维流动。如果运动参数是两个空间坐标和时间变量的函数,这样的流动称为二维流动。如果运动参数是三个空间坐标和时间变量的函数,这样的流动称为三维流动。在有旋运动中,处处与旋涡矢量相切的曲线称为涡线。涡线上各流体微团绕涡线的切线方向旋转。在旋涡场内取一非涡线且不自相交的封闭曲线,通过它的所有涡线构成一管状曲面,称为涡管。涡管的运动学性质为:涡通量在涡管所有横截面上都等于同一常数,称为涡管强度。涡管不能在流体内产生或终止,如果它不以涡环的形式存在,就只能延伸到边界上,编辑本段连续性方程计算涡旋阻力。通过流动的角度加以运算我们才可以得出船舶航行中涡旋的阻力,在船舶设计上利用漩涡阻力进行相对应的设计方案减少阻力增加速度。
4 结语
航海工程船舶设计领域的速度和承载能力设计方案的技术参数主要来源于流体力学。流体力学从古希腊阿基米德建力了物理浮力定律和浮体稳定性到今天还没有出现重大的发现,我们国家的流体力学的原理也仅仅停留在技术应用的范围。流体力学的学科过于庞大它涉及了流体物理学、流体静力学、流体动力学、流体运动学等许多学科。应用范围也很广涉及了量子物理运行、军事、民事、科研等领域。流体力学技术的优化创新才能带动航空、船舶、海运、等科研技术领域的创新。我们在学术上不断积累中国和外国的先进理论和经验,在实践中不断探索和研究流体力学在各行业中的实际应用,才能在科研和技术上推陈出新,为国家建设贡献力量。
参考文献
[1]I.K.A.P.Utama and A.F.Molland.Experimental and Numerical Investigations into Catamaran Viscous Resistance[J].FAST,2001(2):295-306.
[2]张志荣,李百齐,赵峰.船舶粘性流动计算中湍流模式应用的比较[J].水动力学研究与进展,2004,19(5):637-642.
[3]刘应中.船舶兴波阻力理论[M].北京:国防工业出版社,2003.
[4]戴遗山,段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论[M].北京:国防工业出版社,2008.
[5]许辉.小水线面双体船粘性流数值模拟[D].武汉理工大学,2004.
[6]林小平;潜艇水动力计算及型线生成研究[D].武汉理工大学,2005.
[7]谢斌.双尾船粘性流场数值模拟[D].武汉理工大学,2006.
[8]何文生.对转螺旋桨推进鱼雷的流体动力特性数值计算研究[D].西北工业大学,2007.
[9]魏淑惠.偏心环空流场的CFD模拟[D].大庆石油学院,2007.
[10]李佳.近水面航行潜体若干水动力的数值模拟[D].哈尔滨工程大学,2007.
[11]秦江涛.低速肥大船型粘性流数值模拟[D].武汉理工大学,2007.
