Odolnost proti vlnění - Wave-making resistance

MS Viking Grace vytváření vln v klidném moři při nízké rychlosti.

Odolnost proti vlnění je forma táhnout který ovlivňuje povrchová plavidla, jako jsou lodě a lodě, a odráží energii potřebnou k vytlačování vody z trupu. Tato energie jde do vytváření vlny.

Fyzika

Graf síly proti rychlosti pro výtlačný trup, se značkou v a poměr rychlosti a délky ze dne 1.34

Pro malé výtlačné trupy, jako jsou plachetnice nebo veslice, je hlavním zdrojem vlnový odpor tažení námořní lodi.

Hlavní vlastností vodních vln je rozptýlení; tj. čím delší je vlna, tím rychleji se pohybuje. Vlny generované lodí jsou ovlivňovány její geometrií a rychlostí a většina energie dané lodí pro vytváření vln je přenášena do vody přídí a zádí. Jednoduše řečeno, tyto dva vlnové systémy, tj. Příďové a záďové vlny, na sebe vzájemně působí a výsledné vlny jsou odpovědné za odpor.

Fázová rychlost hlubinných vln je úměrná druhé odmocnině vln vlnová délka generovaných vln a délka lodi způsobí rozdíl ve fázích vln generovaných příďovými a záďovými částmi. Existuje tedy přímý vztah mezi délkou ponoru a velikostí vlnového odporu. Rychlost šíření vln, což znamená totéž jako fázová rychlost hlubinné vlny, je nezávislá na délce trupu způsobujícího vlnu, ale místo toho závisí na rychlosti trupu.

Jednoduchým způsobem, jak zvážit vlnový odpor, je podívat se na trup ve vztahu k přídi a zádi. Pokud je délka lodi poloviční délky generovaných vln, bude výsledná vlna kvůli zrušení velmi malá a pokud je délka stejná jako vlnová délka, bude vlna kvůli zesílení velká.

Rychlost fáze ${displaystyle c}$ vln je dáno následujícím vzorcem:

${displaystyle c = {sqrt {{frac {g} {2pi}} l}}}$

kde ${displaystyle l}$ je délka vlny a ${displaystyle g}$ gravitační zrychlení. Nahrazení v příslušné hodnotě pro ${displaystyle g}$ získá rovnici:

${displaystyle {mbox {c v uzlech}} přibližně 1,341 obrázků {sqrt {mbox {délka v ft}}} přibližně {frac {4} {3}} obrázků {sqrt {mbox {délka v ft}}}}$

nebo v metrický Jednotky:

${displaystyle {mbox {c v uzlech}} přibližně 2,429 obrázků {sqrt {mbox {délka v m}}} přibližně {sqrt {6 obrázků {mbox {délka v m}}}}} přibližně 2,5 obrázku {sqrt {mbox {délka v m}}}}$

Tyto hodnoty, 1,34, 2,5 a velmi snadné 6, se často používají v rychlost trupu orientační pravidlo používané k porovnání potenciálních rychlostí posunutí trupů a tento vztah je rovněž zásadní pro Froude číslo, který se používá při srovnání různých stupnic plavidel.

Když plavidlo překročí „poměr rychlosti a délky „(rychlost v uzlech dělená druhou odmocninou délky ve stopách) 0,94, začíná předbíhat většinu svých luk vlna, trup se ve vodě ve skutečnosti mírně usazuje, protože je nyní podporován pouze dvěma vlnovými vrcholy. Vzhledem k tomu, že plavidlo překračuje poměr rychlosti a délky 1,34, vlnová délka je nyní delší než trup a záď již není podporována brázdou, což způsobí, že záď dřepne a příď se zvedne. Trup nyní začíná stoupat svou vlastní vlnou luku a odpor se začíná zvyšovat velmi vysokou rychlostí. I když je možné řídit výtlačný trup rychleji než poměr rychlosti a délky 1,34, je to neúnosně nákladné. Většina velkých plavidel pracuje při poměru rychlosti a délky hluboko pod touto úrovní, při poměru rychlosti a délky pod 1,0.

Způsoby snižování vlnového odporu

Vzhledem k tomu, že odpor při vytváření vln je založen na energii potřebné k vytlačování vody z trupu, existuje řada způsobů, jak to lze minimalizovat.

Snížený posun

Nejjednodušší způsob, jak snížit odpor vln, je snížení posunutí plavidla odstraněním nadváhy. Dalším způsobem je tvarovat trup tak, aby se generoval výtah jak se pohybuje ve vodě. Semi-výtlačné trupy a hoblování trupy to dělají a jsou schopné prorazit rychlost trupu bariéra a přechod do říše, kde se odpor zvyšuje mnohem nižší rychlostí. Nevýhodou je, že hoblování je praktické pouze na menších plavidlech s vysokým poměrem výkonu k hmotnosti, jako jsou motorové čluny. Není to praktické řešení pro velké plavidlo, jako je supertanker.

Jemný vstup

Trup s tupým lukem musí velmi rychle odtlačovat vodu, aby mohl projít, a to vysoko akcelerace vyžaduje velké množství energie. Použitím a pokuta úklona, s ostřejším úhlem, který vytlačuje vodu z cesty pozvolněji, bude množství energie potřebné k vytlačení vody menší. Moderní variantou je propíchnutí vlnou design. Celkové množství vody, které má být přemístěno pohybujícím se trupem, a tím způsobí odpor způsobující vlnění, je průřezová plocha vzdálenosti trupu krát, po které trup cestuje, a nezůstane stejná, když se zvýší hranolový koeficient pro stejnou vlnu a stejný zdvih a stejnou rychlost.

Cibulovitý luk

Speciální typ luku, nazývaný a baňatý luk, se často používá na velkých energetických plavidlech ke snížení vlnového odporu. Žárovka mění vlny generované trupem změnou rozložení tlaku před úklonou. Vzhledem k povaze jeho destruktivního zásahu do příďové vlny existuje omezený rozsah rychlostí plavidla, přes který je efektivní. Cibulovitý luk musí být správně navržen tak, aby zmírňoval vlnový odpor konkrétního trupu v určitém rozsahu rychlostí. Žárovka, která pracuje pro tvar trupu jedné lodi a pro jeden rozsah rychlostí, by mohla poškodit jiný tvar trupu nebo jiný rozsah rychlostí. Při navrhování baňatého luku je proto nezbytný správný návrh a znalost zamýšlených provozních rychlostí a podmínek lodi.

Filtrování tvaru trupu

Pokud je trup konstruován pro provoz při rychlostech podstatně nižších než rychlost trupu pak je možné vylepšit tvar trupu podél jeho délky, aby se snížil vlnový odpor při jedné rychlosti. To je praktické pouze tam, kde blokový koeficient trupu není významným problémem.

Semi-posunutí a hoblování trupů

Graf ukazující poměr odporu a hmotnosti jako funkce poměru rychlosti a délky pro výtlaky, polotlaky a hoblovací trupy

Vzhledem k tomu, že polotlačné a hoblovací trupy generují v provozu značné množství vztlaku, jsou schopny prolomit bariéru rychlosti šíření vln a pracovat v říších s mnohem nižším odporem, ale k tomu musí být schopné nejprve tlačit kolem toho rychlost, která vyžaduje značný výkon. Tato fáze se nazývá přechodová fáze a v této fázi je rychlost vlnového odporu nejvyšší. Jakmile se trup dostane přes hrb příďové vlny se rychlost nárůstu vlnového odporu začne výrazně snižovat.^[1] Hoblovací trup se zvedne a vyčistí záď vody a jeho obložení bude vysoké. Podvodní část hoblovacího trupu bude během hoblovacího režimu malá.^[2]

Kvalitativní interpretace grafu vlnového odporu spočívá v tom, že výtlačný trup rezonuje s vlnou, která má hřeben poblíž jeho přídě a koryto poblíž jeho zádi, protože voda je tlačena pryč na přídi a stažena zpět na záď. Hoblovací trup jednoduše tlačil dolů na vodu pod ním, takže rezonuje vlnou, která má pod sebou koryto. Pokud má přibližně dvojnásobnou délku, bude mít pouze druhou odmocninu (2) nebo 1,4násobek rychlosti. V praxi se většina hoblovacích trupů obvykle pohybuje mnohem rychleji. Při čtyřnásobné rychlosti trupu je vlnová délka již 16krát delší než trup.

Viz také

Reference

^ Squire, H. B (1957). „Pohyb jednoduchého klínu podél vodní hladiny“. Sborník královské společnosti v Londýně. Řada A, Matematické a fyzikální vědy. 243 (1232): 48–64. Bibcode:1957RSPSA.243 ... 48S. doi:10.1098 / rspa.1957.0202. JSTOR 100279.
^ Sukas, Omer Faruk; Kinaci, Omer Kemal; Cakici, Ferdi; Gokce, Metin Kemal (01.04.2017). "Hydrodynamické posouzení hoblovacích trupů pomocí nadsazených mřížek". Aplikovaný oceánský výzkum. 65: 35–46. doi:10.1016 / j.apor.2017.03.015. ISSN 0141-1187.

Na téma vysokorychlostních monohullů, Daniel Savitsky, emeritní profesor, Davidson Laboratory, Stevensův technologický institut

[1] Squire, H. B (1957). „Pohyb jednoduchého klínu podél vodní hladiny“. Sborník královské společnosti v Londýně. Řada A, Matematické a fyzikální vědy. 243 (1232): 48–64. Bibcode:1957RSPSA.243 ... 48S. doi:10.1098 / rspa.1957.0202. JSTOR 100279.

[2] Sukas, Omer Faruk; Kinaci, Omer Kemal; Cakici, Ferdi; Gokce, Metin Kemal (01.04.2017). "Hydrodynamické posouzení hoblovacích trupů pomocí nadsazených mřížek". Aplikovaný oceánský výzkum. 65: 35–46. doi:10.1016 / j.apor.2017.03.015. ISSN 0141-1187.

[1]

[2]