摘 要:隨著(zhù)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(guò)流體力學(xué)技術(shù)研究提高船舶海洋工程的創(chuàng )新,愛(ài)我海疆、強我國防利用科學(xué)的流體力學(xué)技術(shù)打造最完美的戰艦、魚(yú)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(jìn)的功能完善我國海洋工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:流體力學(xué) 技術(shù)研究 船舶 海洋工程 創(chuàng )新
中圖分類(lèi)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(wàn)噸客貨船,從艨艟戰船到航空母艦,不論大小、簡(jiǎn)繁,它們都屬于傳統的排水型船。船舶在保證承載力的同時(shí)很難滿(mǎn)足運行速度,船舶的運行速度內部是以發(fā)動(dòng)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(xué)的特性開(kāi)始分析。
流體力學(xué)的物理狀態(tài)是依靠物體物理浮力穩定性做應力支撐點(diǎn),物體在運動(dòng)中于液體和氣體產(chǎn)生摩擦造成大量無(wú)規則熱運動(dòng)時(shí)分子變化的總稱(chēng)。流體是由大量的、不斷地作熱運動(dòng)而且無(wú)固定平衡位置的分子構成的,流動(dòng)性和沒(méi)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(shí),流體各層之間也存在一定的運動(dòng)阻力簡(jiǎn)稱(chēng)粘滯性。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時(shí),可近似看作是理想流體,它是人們?yōu)檠芯苛黧w的運動(dòng)和狀態(tài)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(dòng)過(guò)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(tài)下運行的航速就是我們研發(fā)的主要課題。隨著(zhù)近幾年研發(fā)的“消波型高速船”就流體力學(xué)實(shí)踐應用的一個(gè)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(xiàn)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(cháng)的尾壓浪板以消除尾波等特點(diǎn)。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(guò)消波型高速排水型船船模試驗及實(shí)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(yōu)勢。高速船在國內得到蓬勃發(fā)展,尤其是消波型高速鋼質(zhì)船由于具有優(yōu)良的快速性能和較好的經(jīng)濟性,在內河及沿海地區充分體現了流體力學(xué)研究在船舶海洋工程的重要性。
靜止狀態(tài)下固體的作用面上能夠同時(shí)承受剪切應力和法向應力。而流體只有在運動(dòng)狀態(tài)下才能夠同時(shí)有法向應力和切向應力的作用,在靜止狀態(tài)下只能夠承受法向應力,這一應力是壓縮應力的產(chǎn)生稱(chēng)為靜壓強。固體在力的作用下發(fā)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(guān),層流和紊流狀態(tài)它們之間的關(guān)系有所不同,在層流狀態(tài)下,二者之間服從牛頓內摩擦定律。當作用力停止時(shí),固體可以恢復原來(lái)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(lái)。船舶在液態(tài)水中產(chǎn)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(wú)明顯差異,但氣體所占的體積是同質(zhì)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(dòng),極易變形,能夠充滿(mǎn)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(wú)一定周期和頻率的振動(dòng),在其他分子間移動(dòng),但不能像氣體分子那樣自由移動(dòng),因此,液體的流動(dòng)性不如氣體。在一定條件下,一定質(zhì)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(mǎn)所能達到的全部空間。流體力學(xué)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(xué)作用相對較為復雜。學(xué)術(shù)研究技術(shù)要求也更高一些。因為船舶航海流體力學(xué)所涉及的不僅是液態(tài)流層、氣態(tài)流層液體,還有一個(gè)是氣體和液體交界的自由液面數據分析。艦船航行時(shí),通過(guò)流線(xiàn)型船身的設計和其他抗阻性技術(shù)完善之后,水經(jīng)過(guò)船的尾部所形成的旋渦產(chǎn)生的流體都會(huì )吸收了艦船運行中的能量,阻礙了艦船的前進(jìn),產(chǎn)生渦旋阻力?？梢?jiàn)船舶工程學(xué)流體力學(xué)技術(shù)研究的重要性。通過(guò)船舶整體設計的流線(xiàn)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(lái)減小渦旋阻力增加船舶運行速度。是流體力學(xué)技術(shù)應用于船舶海洋工程的一個(gè)最直接的案例。
2 流體動(dòng)力學(xué)在海洋工程的應用
流體動(dòng)力學(xué)中包含了氣體流動(dòng)和液體流動(dòng)包括速度、壓力、密度、溫度等自然指標。不同的溫差會(huì )產(chǎn)生不同的空氣密度,產(chǎn)生的阻力也不同。液體在不同的溫度狀態(tài)下,體積也隨著(zhù)變化的同時(shí)說(shuō)明里其中的密度也隨著(zhù)變化,阻力也隨著(zhù)變化。由于阻力的變化,船舶運行的速度也隨著(zhù)改變。船舶屬于運行中的物體,在運行過(guò)程中產(chǎn)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(shí),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(gè)主要原因。當船舶在風(fēng)浪中航行時(shí),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(wú)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(dòng)力學(xué)特性及其支承原理可分為靜水浮力型、水動(dòng)升力型、空氣靜升力型、空氣動(dòng)升力型和復合型。這就需要我們在技術(shù)領(lǐng)域對流體動(dòng)力學(xué)的壓力值進(jìn)行詳細的數據分析和技術(shù)論證,研究出新的船舶結構設計方案來(lái)提高船舶的穩定航行功率,增加功效。
3 流體運動(dòng)學(xué)在海洋工程中的應用
流體運動(dòng)學(xué)運動(dòng)軌跡具有一定的幾何性質(zhì),和力的具體作用的流體力學(xué)分支。流體運動(dòng)比剛體運動(dòng)復雜。亥姆霍茲速度分解定理指出,流體微團的運動(dòng)可以分解為平動(dòng)、轉動(dòng)和變形。流體運動(dòng)速度分解定理只在流體微團內成立。
流體質(zhì)點(diǎn)在空間運動(dòng)時(shí)所描繪的曲線(xiàn)稱(chēng)為跡線(xiàn)；在流場(chǎng)中每一點(diǎn)上都與速度矢量相切的曲線(xiàn)稱(chēng)為流線(xiàn)。跡線(xiàn)是同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻形成的曲線(xiàn),它是在拉格朗日方法中流體質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)規律的幾何表示；流線(xiàn)是同一時(shí)刻不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線(xiàn),它是在歐拉方法中流體質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)規律的幾何表示。只有在定常運動(dòng)中,兩者才重合在一起。
流體微團的一般運動(dòng)可分解為平移、線(xiàn)變形、角變形和旋轉運動(dòng)。船舶在運行中通過(guò)水面和空氣層導致液態(tài)的水進(jìn)行幾何線(xiàn)狀流體運動(dòng)狀態(tài)和大氣中遇到船舶這個(gè)物質(zhì)的介入產(chǎn)生一定量的氣壓流動(dòng),或者產(chǎn)生液態(tài)渦旋和氣旋。從運動(dòng)形式角度,流體運動(dòng)可分為無(wú)旋運動(dòng)和有旋運動(dòng)。如果流體流動(dòng)時(shí)所有流體微團僅做平移和變形運動(dòng),沒(méi)有旋轉運動(dòng),這時(shí)船舶的運動(dòng)速度是簡(jiǎn)單的用物理運行速度減去流體阻力就可以得到。根據有關(guān)物理量依賴(lài)于1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)坐標,流體運動(dòng)可分為一維、二維和三維運動(dòng)。如果運動(dòng)參數只是一個(gè)空間坐標和時(shí)間變量的函數,這樣的流動(dòng)稱(chēng)為一維流動(dòng)。如果運動(dòng)參數是兩個(gè)空間坐標和時(shí)間變量的函數,這樣的流動(dòng)稱(chēng)為二維流動(dòng)。如果運動(dòng)參數是三個(gè)空間坐標和時(shí)間變量的函數,這樣的流動(dòng)稱(chēng)為三維流動(dòng)。在有旋運動(dòng)中,處處與旋渦矢量相切的曲線(xiàn)稱(chēng)為渦線(xiàn)。渦線(xiàn)上各流體微團繞渦線(xiàn)的切線(xiàn)方向旋轉。在旋渦場(chǎng)內取一非渦線(xiàn)且不自相交的封閉曲線(xiàn),通過(guò)它的所有渦線(xiàn)構成一管狀曲面,稱(chēng)為渦管。渦管的運動(dòng)學(xué)性質(zhì)為:渦通量在渦管所有橫截面上都等于同一常數,稱(chēng)為渦管強度。渦管不能在流體內產(chǎn)生或終止,如果它不以渦環(huán)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(guò)流動(dòng)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(jìn)行相對應的設計方案減少阻力增加速度。
4 結語(yǔ)
航海工程船舶設計領(lǐng)域的速度和承載能力設計方案的技術(shù)參數主要來(lái)源于流體力學(xué)。流體力學(xué)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(méi)有出現重大的發(fā)現,我們國家的流體力學(xué)的原理也僅僅停留在技術(shù)應用的范圍。流體力學(xué)的學(xué)科過(guò)于龐大它涉及了流體物理學(xué)、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、流體運動(dòng)學(xué)等許多學(xué)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(lǐng)域。流體力學(xué)技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng )新才能帶動(dòng)航空、船舶、海運、等科研技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng )新。我們在學(xué)術(shù)上不斷積累中國和外國的先進(jìn)理論和經(jīng)驗,在實(shí)踐中不斷探索和研究流體力學(xué)在各行業(yè)中的實(shí)際應用,才能在科研和技術(shù)上推陳出新,為國家建設貢獻力量。
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