船舶快速性取决于两个因素:船舶前进时受到的阻力和船舶推进装置的效率。
船舶运动时,船体的水线下部分浸入水中,其余部分则处在空气中。因此,船舶运动时受的总阻力包括水阻力和空气阻力。由于水的密度远大于空气的密度,因此水阻力是主要阻力。水阻力按产生的原因,可分为粘性阻力和兴波阻力。
1、粘性阻力
由于水的粘性作用引起的阻力,包括摩擦阻力和旋涡阻力。摩擦阻力产生于水对于船体表面的粘附作用,在船舶总阻力中所占比重最大。摩擦阻力对低速船可占总阻力的80%;对高速船也要占50%左右。减小摩擦阻力的途径是缩短船长、减小浸水表面积和提高船体的表面光洁度。旋涡阻力又称形状阻力或粘性压差阻力,它是水流经船体表面时因粘性引起首尾的压力差而形成的,其值同船体尤其是船体尾部的形状有关。如尾部线型过于丰满,就容易产生旋涡,增加旋涡阻力。减小旋涡阻力的途径是加大船舶长宽比和采用流线型船体。
2、兴波阻力
是船舶航行时兴起的重力波引起的阻力,对高速船特别重要,其大小取决于船的航速及长度。它们的关系可用弗劳德数Fr表示:
式中v为航速(米/秒);g为重力加速度(米/秒2);L为船长(米)。如果Fr大于0.35,兴波阻力即超过摩擦阻力而居主要地位,但一般运输船舶的弗劳德数都在0.35以下。减小兴波阻力的主要途径是改进船型及改变航行方式。通过系列船模试验研究,可以得到兴波阻力较小的船型及合理的船舶主尺度比和船型系数。船舶航行时兴起的波浪一般有首波和尾波二个波系。如果船型选择适当,可以使二个波系产生有利干扰,而使兴波阻力减少,如在船首设一球鼻也可产生附加波系;使波的干扰有利兴波阻力减小。船舶若能脱离水面腾空航行或潜水航行,则可避免波浪的产生及不产生兴波阻力。
3.涡流阻力
涡流阻力是由于船尾产生的涡流所引起的。因其与船形有关,所以又称为形状阻力。涡流阻力主要与船舶水下部分形状及航速有关。速度一定时,形状起着决定性作用。有良好线型的船体,流体质点能顺利地流到尾部,流线顺畅不乱,就不致产生涡流或仅产生较小涡流,因此涡流阻力就小。此外,随着船体长宽比增加,涡流阻力也会减小。
为了使船舶能以一定的速度向前行进,必须有一个与阻力大小相等、方向相反的推力。这个推力通常是依靠推进器推水向后而产生的。最常见的推进器是装在船尾部水下的螺旋桨。由于螺旋桨工作时会使一部分水流产生向后和旋转的运动,因而要耗去一部分功率,使螺旋桨的效率在理论上不可能接近1,同时由于螺旋桨是在船尾复杂的流场中工作,受到不均匀水流的影响,使效率更低。螺旋桨高速运转时,桨叶上水流压力下降,当下降到水的汽化压力时,水就变成汽,形成气泡,效率进一步下降,使推进效率很低。因此,对船舶推进的研究很为迫切。既要对螺旋桨本身的工作情况进行理论探讨和科学实验,又要分析螺旋桨在船尾水流中的具体工作条件,研究船体对螺旋桨的影响,这样才能设计出接近于理想的螺旋桨,使船舶获得尽可能高的推进效率。
快速性良好的船舶,除应具有优秀的船型使航行时产生的阻力最小以外,还必须具有良好的推进性能,使主机的功率得到充分利用。研究船舶快速性的方法有理论分析、船模试验和实船测试等三种。其中船模试验仍是获得船舶快速性资料的主要手段。