加強流體力學技術研究引領船舶海洋工程創新

摘 要:隨著國際形式的復雜變化、國際交往與運輸的頻繁以及國內陸路交通的形勢嚴峻。通過流體力學技術研究提高船舶海洋工程的創新,愛我海疆、強我國防利用科學的流體力學技術打造最完美的戰艦、魚雷、大型貨輪、客輪等客貨軍用船舶。用最快的航速、最重的承載、最先進的功能完善我國海洋工程學術領域。

關鍵詞:流體力學 技術研究 船舶 海洋工程 創新

中圖分類號:U66文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0040-021 流體特性對船舶的影響

船的出現已有數千年的歷史,從獨木舟到萬噸客貨船,從艨艟戰船到航空母艦,不論大小、簡繁,它們都屬于傳統的排水型船。船舶在保證承載力的同時很難滿足運行速度,船舶的運行速度內部是以發動機械為主,外部的流體抗阻力的設計也是決定船舶航行速度的主要原因。要提高船舶克服海水液體阻力、氣流阻力就要從流體力學的特性開始分析。

流體力學的物理狀態是依靠物體物理浮力穩定性做應力支撐點,物體在運動中于液體和氣體產生摩擦造成大量無規則熱運動時分子變化的總稱。流體是由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的,流動性和沒有固定形狀是它的基本特征。因為流體具有一定的可壓縮性,在流體的形狀改變時,流體各層之間也存在一定的運動阻力簡稱粘滯性。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時,可近似看作是理想流體,它是人們為研究流體的運動和狀態的基本參考指數。根據粘滯性數值我們可以計算出物體在運動過程中所受到的阻力(氣流阻力、液壓阻力、)物體在克服阻力狀態下運行的航速就是我們研發的主要課題。隨著近幾年研發的“消波型高速船”就流體力學實踐應用的一個成功案例。消波型高速船屬于圓舭型船,但與常規圓舭艇的型線有較大的差別,底升角比常規圓舭艇的大,最大船寬位于尾部以減少舭渦,且具有較長的尾壓浪板以消除尾波等特點。在船舶主要要素相同條件下,剩余阻力比常規圓舭艇降低10%～20%左右,總阻力降低6%～12%左右。通過消波型高速排水型船船模試驗及實船試航資料,運用回歸分析方法得到估算剩余阻力系數的回歸值,我們可以清楚的看到同等承載噸位的船舶,在同等氣候條件下運行,其速度方面具有明顯的優勢。高速船在國內得到蓬勃發展,尤其是消波型高速鋼質船由于具有優良的快速性能和較好的經濟性,在內河及沿海地區充分體現了流體力學研究在船舶海洋工程的重要性。

靜止狀態下固體的作用面上能夠同時承受剪切應力和法向應力。而流體只有在運動狀態下才能夠同時有法向應力和切向應力的作用,在靜止狀態下只能夠承受法向應力,這一應力是壓縮應力的產生稱為靜壓強。固體在力的作用下發生變形,在彈性極限內變形和作用力之間服從虎克定律,即固體的變形量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度和剪切應力有關,層流和紊流狀態它們之間的關系有所不同,在層流狀態下,二者之間服從牛頓內摩擦定律。當作用力停止時,固體可以恢復原來的形狀,而流體不能回原位只能夠停止變形。固體有一定的形狀,流體由于其變形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形狀適應容器的形狀,并可以維持下來。船舶在液態水中產生的靜壓力相對較大就是因為摩擦力增大壓力增大,航速減弱。與液體相比氣體更容易變形,因為氣體分子比液體分子稀疏得多。在一定條件下,氣體和液體的分子大小并無明顯差異,但氣體所占的體積是同質量液體的103倍。所以氣體的分子距與液體相比要大得多,分子間的引力非常微小,分子可以自由運動,極易變形,能夠充滿所能到達的全部空間。液體的分子距很小,分子間的引力較大,分子間相互制約,分子可以作無一定周期和頻率的振動,在其他分子間移動,但不能像氣體分子那樣自由移動,因此,液體的流動性不如氣體。在一定條件下,一定質量的液體有一定的體積,并取容器的形狀,但不能像氣體那樣充滿所能達到的全部空間。流體力學作用在船舶航海的數據較飛機在氣流層航行遇到的大氣流體力學作用相對較為復雜。學術研究技術要求也更高一些。因為船舶航海流體力學所涉及的不僅是液態流層、氣態流層液體,還有一個是氣體和液體交界的自由液面數據分析。艦船航行時,通過流線型船身的設計和其他抗阻性技術完善之后,水經過船的尾部所形成的旋渦產生的流體都會吸收了艦船運行中的能量,阻礙了艦船的前進,產生渦旋阻力?？梢姶肮こ虒W流體力學技術研究的重要性。通過船舶整體設計的流線型阻力值的計算測得船尾受到漩渦阻力的大小設計出阻力最小的尾部體型合理設計,來減小渦旋阻力增加船舶運行速度。是流體力學技術應用于船舶海洋工程的一個最直接的案例。

2 流體動力學在海洋工程的應用

流體動力學中包含了氣體流動和液體流動包括速度、壓力、密度、溫度等自然指標。不同的溫差會產生不同的空氣密度,產生的阻力也不同。液體在不同的溫度狀態下,體積也隨著變化的同時說明里其中的密度也隨著變化,阻力也隨著變化。由于阻力的變化,船舶運行的速度也隨著改變。船舶屬于運行中的物體,在運行過程中產生的粘滯值越大,摩擦力就越大行駛速度就越低。尤其是航行時,船的興波阻力的增加比船速的增加要快得多,這是排水型船的航速增加受限制的一個主要原因。當船舶在風浪中航行時,具有足夠的穩性和船體結構強度,并能保持一定的航速安全航行的能力,排水型船雖然采用各種減搖裝置,但仍無法適應一些特殊船舶所需要的穩定平臺的要求。高性能船按船舶水動力學特性及其支承原理可分為靜水浮力型、水動升力型、空氣靜升力型、空氣動升力型和復合型。這就需要我們在技術領域對流體動力學的壓力值進行詳細的數據分析和技術論證,研究出新的船舶結構設計方案來提高船舶的穩定航行功率,增加功效。

3 流體運動學在海洋工程中的應用

流體運動學運動軌跡具有一定的幾何性質,和力的具體作用的流體力學分支。流體運動比剛體運動復雜。亥姆霍茲速度分解定理指出,流體微團的運動可以分解為平動、轉動和變形。流體運動速度分解定理只在流體微團內成立。

流體質點在空間運動時所描繪的曲線稱為跡線；在流場中每一點上都與速度矢量相切的曲線稱為流線。跡線是同一流體質點在不同時刻形成的曲線,它是在拉格朗日方法中流體質點運動規律的幾何表示；流線是同一時刻不同流體質點所組成的曲線,它是在歐拉方法中流體質點運動規律的幾何表示。只有在定常運動中,兩者才重合在一起。

流體微團的一般運動可分解為平移、線變形、角變形和旋轉運動。船舶在運行中通過水面和空氣層導致液態的水進行幾何線狀流體運動狀態和大氣中遇到船舶這個物質的介入產生一定量的氣壓流動,或者產生液態渦旋和氣旋。從運動形式角度,流體運動可分為無旋運動和有旋運動。如果流體流動時所有流體微團僅做平移和變形運動,沒有旋轉運動,這時船舶的運動速度是簡單的用物理運行速度減去流體阻力就可以得到。根據有關物理量依賴于1個、2個和3個坐標,流體運動可分為一維、二維和三維運動。如果運動參數只是一個空間坐標和時間變量的函數,這樣的流動稱為一維流動。如果運動參數是兩個空間坐標和時間變量的函數,這樣的流動稱為二維流動。如果運動參數是三個空間坐標和時間變量的函數,這樣的流動稱為三維流動。在有旋運動中,處處與旋渦矢量相切的曲線稱為渦線。渦線上各流體微團繞渦線的切線方向旋轉。在旋渦場內取一非渦線且不自相交的封閉曲線,通過它的所有渦線構成一管狀曲面,稱為渦管。渦管的運動學性質為:渦通量在渦管所有橫截面上都等于同一常數,稱為渦管強度。渦管不能在流體內產生或終止,如果它不以渦環的形式存在,就只能延伸到邊界上,編輯本段連續性方程計算渦旋阻力。通過流動的角度加以運算我們才可以得出船舶航行中渦旋的阻力,在船舶設計上利用漩渦阻力進行相對應的設計方案減少阻力增加速度。

4 結語

航海工程船舶設計領域的速度和承載能力設計方案的技術參數主要來源于流體力學。流體力學從古希臘阿基米德建力了物理浮力定律和浮體穩定性到今天還沒有出現重大的發現,我們國家的流體力學的原理也僅僅停留在技術應用的范圍。流體力學的學科過于龐大它涉及了流體物理學、流體靜力學、流體動力學、流體運動學等許多學科。應用范圍也很廣涉及了量子物理運行、軍事、民事、科研等領域。流體力學技術的優化創新才能帶動航空、船舶、海運、等科研技術領域的創新。我們在學術上不斷積累中國和外國的先進理論和經驗,在實踐中不斷探索和研究流體力學在各行業中的實際應用,才能在科研和技術上推陳出新,為國家建設貢獻力量。

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