Волновое сопротивление

Волновое сопротивление вызвано тем, что вода, обладая массой, оказывает давление на каждую точку поверхности подводной части корпуса корабля.
Этот вид сопротивления является главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих судов, так как по мере увеличения скорости оно интенсивно растет: если сопротивление трения увеличивается примерно пропорционально квадрату скорости, то волновое сопротивление возрастает примерно пропорционально четвертой степени.

Поиски способов уменьшения волнового сопротивления велись в различных направлениях и породили многочисленные предположения, многие из которых оказались фантастическими и непрактичными, а некоторые – весьма важными и перспективными.
Основными путями уменьшения волнового сопротивления являются:
придание корпусу надлежащих обводов и соотношений главных измерений, применение интерферирующих устройств, переход к полупогруженным либо многокорпусным судам, а также замена плавания динамическими принципами поддержания (глиссирование, движение на подводных крыльях или на воздушной подушке).
Также, в стадии исследования находятся некоторые необычные способы уменьшения донного вида сопротивления.

Например, любопытной может показаться идея австрийского физика и изобретателя Виктора Шаубергера под названием «активный носовой бульб». Суть его очень проста. Грубо говоря это еще один винт расположенный на носу судна.

Уже давно стало ясно, что как весло, так и винт менее эффективны, чем движительные "приспособления” рыб. Даже достигая 100% к.п.д. движителей, проблема ходкости принципиально не решается ввиду большого сопротивления воды движению судов.
Развитие движителей традиционных типов (гребное колесо, винт, водомёт,) достигло вершины. Дальнейшее их совершенствование не приводит к cущественным улучшениям.
Поэтому одним из направлений является разработка плавниковых движителей, которые по предположениям способны обеспечить существенное увеличение тяги и эффективности движения судна за счёт увеличения площади рабочих поверхностей, гидроупругого эффекта, уменьшения вызванных скоростей на рабочих поверхностях движителя, снижения сопротивления трения. В конце прошлого века американский инженер Г. Боулас построил небольшой катамаран, сочлененные корпуса которого совершали колебательные движения, подобные движениям дельфина при плавании. При движении “катамарана-дельфина” не было ни кильватерной струи, ни других значительных возмущений воды. Этой особенностью работы движителя сразу же заинтересовались в центре подводной войны США. Однако надежд американцев эти разработки не оправдали. А спустя несколько лет разработку Боуласа усовершенствовал и запатентовал росийский инженер Георгий Семенов, об этом упоминается в 3-ем выпуске журнала «Катера и яхты» 1999 года. К сожалению, дальнейшая судьба данного патента неизвестна.

Также вопросом проектирования плавниковых движителей занимался Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет. Ими исследовалось применение сразу нескольких технологических решений:
1) создавать изгиб не всего корпуса, а его части – смоченной поверхности (рис. 2);
2) разделить корпус на две разные по функциям части (в одном корпусе – груз, другой – создают тягу). В этом случае было получено судно с малой площадью ватерлинии и гибкими (либо состоящими из нескольких подвижно сочленённых частей) подводными корпусами – движителями

Созданные при этом модели показаны на рисунке.

Остановимся на интерферирующих устройствах, предназначенных для гашения волновых систем, создаваемых движущимся судном. Основной принцип их действия заключается в образовании дополнительных волновых систем, которые, взаимодействуя с системой волн судна, создают интерференцию волновых систем, способствующую снижению общего волнового сопротивления системы корпус – интерферирующее устройство.
К таким устройствам относятся: носовые бульбы, носовые подводные крылья и бортовые були.

Суда на подводных крыльях используют устройство в форме крыла для того, чтобы поднять корпус судна над водой и уменьшить силы трения и сопротивления, ограничивающие скорость передвижения обычных судов.
При движении в воде подводное крыло создает подъемную силу точно так же, как крыло самолета в воздухе. Профиль подводного крыла изогнут таким образом, что при перемещении в воде он создает суммарную силу, направленную вверх и выталкивающую судно из воды. Катера и корабли на подводных крыльях как бы летят над водой, и под водой остаются только подводные крылья и гребные винты. Корпус корабля соединяется с подводными крыльями стойками, также имеющими обтекаемую форму.
При движении тела в жидкой среде возникают силы трения и другие возмущения, препятствующие движению, которые порождают суммарную силу сопротивления движению (силу торможения). Так как плотность воды в 800 раз больше, чем плотность воздуха, то при одной и той же скорости движения крыло самолета в воздухе и уменьшенное в 800 раз (по площади) подводное крыло будут создавать одинаковую подъемную силу.

Расчеты показывают, что для увеличения скорости хода судна при той же мощности его энергетической установки достаточно увеличить площадь носовых обводов судна, а это возможно осуществить с помощью носового бульба. Его использование позволяет, как показало его практическое применение, увеличивать скорость хода судов на 10-15%.
Отношение площади поперечного сечения бульба к площади миделя называется развитостью бульба ω_б. Ее значение в зависимости от числа Фруда:
Максимальное снижение сопротивления (для быстроходных судов) Δ R = 13 – 15 % достигается при f_б = 0,15 – 0,16, однако на практике применяются бульбы значительно меньших размеров f_б ≈ 0,05, обеспечивающие Δ R = 5 – 8 %. Объясняется это тем, что сильно развитые бульбы неудобны в эксплуатации – затрудняют маневрирование, повышают сопротивление при ходе судна в балласте, затрудняют отдачу якорей.
Причем сопротивление значительно уменьшается не только при движении судна в полном грузу, но и в балластных пробегах и вообще при малых осадках. Тоесть, эффективность бульба сохраняется и при его приближении к поверхности воды. Ученые Мичиганского университета выдвинули предположение о том, что причиной уменьшения полного сопротивления может быть изменение характеристик потока, обтекающего нос и днище бульбовой носовой оконечности.
При отсутствии бульба недалеко от носа судна происходит отрыв потока, а с его установкой средняя скорость потока, обтекающего подводную часть корпуса, понижается в такой степени, что происходит уменьшение вязкостного сопротивления.
Также, было отмечено, что, помимо исключения неблагоприятных последствий возможного отрыва потока, развитый бульб обеспечивает равномерное и плавное уменьшение давления от носа к корме.
Перспективным может оказаться использование двойного бульба на комбинированных судах.

В заключение следует отметить, что путем выбора оптимальной формы носовой оконечности корпуса корабля можно существенно уменьшить затраты мощности на преодоление волнового сопротивления. Однако и в настоящее время волнообразование по-прежнему остается сложным и неблагоприятным природным явлением, которое проектант не может не учитывать.

Поиск по сайту: