Волновое сопротивление и как с ним бороться. Водоизмещающие суда.

[anonym_eDqfYKG8DN03]

За последние 100 лет скорости на наземных средствах передвижения выросли в разы, на воздушных — на порядки. А вот на воде человечество упёрлось в тупик. Если на земле и в воздухе основным ограничителем скорости является слабость энергетической установки, то в море это сопротивление воды.

Рекорд скорости, установленный русским эсминцем "Новик" 21 августа 1913 года 37,3 узла (~69 км/ч), стал фактически пределом мечтаний для крупных водоизмещающих кораблей. Рекорд "Новика" конечно побили. Перед Второй мировой очень быстро носились по Средиземному морю итальянские и французские лидеры и эсминцы, добираясь иногда до 45 узлов. Но даже эти скорости достигались считанным количеством кораблей и на очень коротких дистанциях. В целом же для боевых кораблей максимальная скорость и сегодня редко превышает 32 узла, а крейсерская скорость всегда была ниже 30 узлов. Для транспортных судов и 25 узлов было уникальным достижением, большинство из них до сих пор таскаются по морям со скоростями, не превышающими 20 узлов, то есть менее 40 км/ч. Появление дизельных, газотурбинных, даже ядерных двигателей в лучшем случае давало прибавку в скорости на несколько узлов (другое дело, что дизели и ядерные энергетические установки позволили резко повысить дальность плавания). Волновое сопротивление вставало стеной.

И так что же такое волновое сопротивление? Википедия дает нам следующие определение: "часть гидро- и аэродинамического сопротивления, характеризующая затрату энергии на образование волн, например, волн, образующихся на поверхности воды при движении корабля, ударных волн, возникающих при сверхзвуковом полете самолёта, и т. д."

При движении у носа и кормы судна создаются волны, которые с увеличением скорости становятся больше. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения в кормовой части судна возникает значительное разрежение, а в носовой - зона повышенного давления. Энергия, израсходованная на образование волн, является волновым сопротивлением, величина которого определяется скоростью и длиной судна.

Как с ним бороться:

Длинный узкий корпус

Одними из первых исследователей этого вопроса стали английский инженер, основоположник корабельной гидродинамики Уильям Фруд и его сын Роберт Эдмонд Фруд.

 

Уильям Фруд 28 ноября 1810 (Девон, Англия) – 4 мая 1879 ( Кейптаун, Южная Африка)

Роберт Эдмонд Фруд младший сын и главный помощник Фруда (1846-1924)

 

Уильям Фруд первым в мире построил опытный бассейн и стал проводить в нем эксперименты по определению сопротивления на малых моделях судов. С 1859 года он проводил эксперименты с моделями кораблей у себя дома. Сначала в Пейгнтоне, а потом в опытовом бассейне в Торквее. В1861 году Фруд отправил в Институт Военно-Морских архитекторов статью, которая оказала большое влияние на проектирование кораблей.

Отец и сын разработали теорию, позволяющую рассчитать сопротивление воды движению судна по результатам испытаний модели. Судно должно быть длиннее поперечных волн возникающих при его движении. А поскольку с ростом скорости длина поперечных волн растет, корпуса быстроходных кораблей — крейсеров, эсминцев, лайнеров — старались сделать длинными и узкими, хотя это нередко ухудшало устойчивость и вело к неоправданному увеличению других видов сопротивления — вихревого и фрикционного. Поэтому тенденцией это не стало даже для боевых кораблей, а для грузовых судов сужение корпусов было неприемлемо в принципе.

Носовой бульб

Как это работает

Главный резерв снижения волнового сопротивления водоизмещающего судна заключается в уменьшении высоты и массы носовой волны, возникающей в зоне повышенного гидродинамического давления при встрече движущегося корпуса с невозмущенной еще массой воды. Высота этой волны и ее профиль зависят от распределения гидродинамического давления вблизи форштевня и водоизмещения по длине корпуса, от остроты обводов носовой оконечности судна. Волновое сопротивление может быть снижено в результате использования принципа интерференции — наложения двух последовательных волновых систем таким образом, чтобы они взаимно гасили друг друга. Одно из конструктивных решений этой задачи состоит в применении бульбовых обводов носовой оконечности судна. Бульб, представляющий собой хорошо обтекаемое тело, движущееся под водой впереди форштевня судна, формирует свою собственную волну. Поток воды, сбегающий с бульба, подходит к месту подъема гребня носовой волны с пониженным давлением (если бы не было корпуса судна, то здесь образовалась бы впадина на поверхности воды). Происходит наложение впадины волны от бульба на гребень волны от форштевня. В результате носовая волна «оседает», уменьшается также высота поперечных волн по всей длине судна

 

1 — профиль волны у корпуса без бульба; 2 — профиль волны, полученный с помощью бульба.

 

Носовые бульбы, как правило применяются при скоростях, близких к максимальной скорости судна.Такие условия сделали применение бульбов стандартом для более или менее крупных морских судов (как пассажирских, так и грузовых), которые обычно эксплуатируются в пределах небольшого диапазона скоростей, близких к максимальным. Бульбы практически не используются на прогулочных судах, особенно на парусных, поскольку парусные суда – используют широкий диапазон скоростей.

История появления

Впервые бульб был установлен в США на броненосце Делавэр, который был пущен на воду в 1910 году и был разработан Дэвидом Уотсоном Тэйлором, главным конструктором американского ВМФ. Точкой отсчета в проектировании кораблей типа "Делавер", видимо, следует считать летнюю конференцию в Ньюпорте в 1905 г., где провели детальное обсуждение проекта предыдущих линкоров. Конференция рекомендовала разработать новую форму носовой оконечности, основной задачей которой было бы обеспечение мореходности. Выдающаяся вперед носовая оконечность кораблей следующих проектов проектировалась уже не как таран, а как раннее воплощение идеи бульба — для снижения волнового сопротивления движению корабля.

 

Схема линкора «North Dacota»

 

В 1920-х другие страны экспериментировали с носовым бульбом, установив их на немецкие пассажирские лайнеры Бремен и Европа. «Бремену», построенному в 1929 году, удалось завоевать желанную Голубую ленту Атлантики, показав среднюю скорость 27,9 узлов (51,7 км / ч).

 

Лайнер "Бремен" на верфи

 

В 1935 году французский лайнер «Нормандия» во время перехода через Атлвнтику смогла достичь скорость 28.92 узлов (56 км / ч).Это был, несомненно, успешный рейс. «Нормандия» отобрала Голубую ленту Атлантики у предыдущего рекордсмена, итальянского лайнера «Рекс». На мачте «Нормандии» взвился голубой вымпел длиной 30 метров — по метру за каждый узел. Членам команды выдали по бронзовому медальону со словами "Голубая лента Атлантики — «Нормандия»".

В создании лайнера принимал активное участие русский инженер-эмигрант Владимир Юркевич.

 

Влади́мир Ива́нович Юрке́вич (5 июня 1885, Москва — 14 декабря 1964, Нью-Йорк)

 

В 1911 году русское морское ведомство объявило конкурс на проектирование новых линейных крейсеров для Балтийского флота. В нем в числе прочих предприятий участвовали Балтийский и Адмиралтейский заводы. На первом обводы корпуса разрабатывал В. Юркевич, на втором — его бывший однокурсник Я. Хлытчиев. В ходе этих работ Юркевич сделал очень важное изобретение. В начале XX века в центре внимания кораблестроителей находилась проблема преодоления волнового сопротивления, быстро растущего с увеличением скорости хода судов. И большинство проектировщиков устремились в направлении, указанном двумя английскими исследователями — отцом и сыном Фрудами. Как раз по этой столбовой дороге и пошел Я. Хлытчиев, придавший линейному крейсеру Адмиралтейского завода традиционные очертания. Юркевич же предложил необычное решение: более короткий и широкий корпус с резко заостренной кормой и носом, в нижней части которого было сделано бульбообразное утолщение. Испытание моделей такой формы в Петербургском опытовом бассейне дало ошеломляющий результат: при прочих равных условиях форма Юркевича неизменно показывала экономию в мощности машин на 10-15 процентов! Почти на десять лет оторванный от работы по специальности, Юркевич считал, что за эта время мировое судостроение ушло далеко вперед, что его открытие и его методы проектирования корпусов давно уже устарели. Но это было не так.

Для начала руководство фирмы Пеноэ поручило Юркевичу спроектировать обводы лайнера «Атлантик». «Против тех улучшений, которые мне удалось получить в 1912 году, — вспоминал потом он, — я значительно изменил и расширил свои методы составления чертежа обводов, пользуясь сильно вогнутыми ватерлиниями с точкой перегиба, соответствующей данной скорости. Первые же испытания в бассейне моей модели для «Атлантика» подтвердили правильность этого метода, и я был совершенно убежден, что для будущего трансатлантика можно сделать чертеж обводов, который даст не меньше 15 процентов экономии на сопротивлении или увеличении скорости на полтора узла, что позволит вместо 29 узлов подойти к 31 узлу… Потребовалось два года непрерывных усилий, чтобы доказать пригодность моего метода и для такого гиганта, как «Нормандия»…

В первом же рейсе в мае-июне 1935 года «Нормандия» улучшила рекорд «Рекса», пройдя в западном направлении со средней скоростью 29,92 узла, а на обратном пути доведя рекорд до 30,31 узла, первой преодолев 30-узловой барьер. Однако ровно через год — в августе 1936 года — «Куин Мэри» побила рекорд «Нормандии», которая, однако, в скором времени сумела вернуть себе оба рекорда: в западном направлении она прошла со средней скоростью 30.58 узла, а в восточном — 31,2 узла, первой преодолев и 31-узловой рубеж. Но в августе 1938 года «Куин Мэри» окончательно закрепила за собой первенство с результатами соответственно 30,99 и 31,69 узла. Голубая Лента Атлантики на следующие 14 лет перешла Англии… Однако какой ценой досталась эта победа! Полуузловое преимущество в скорости хода «Куин Мэри» достигла ценой колоссального расточения мощности: ее машины развивали 200 тыс. л. с. — на 40 тыс. л. с. больше, чем у «Нормандии». «Да при такой мощности, — говорил Юркевич. — «Нормандия» развила бы 34 узла!».

В 1933 году, Юркевич получил патенты на изобретенную им форму корпуса уменьшенного сопротивления.

 

Нос "Нормандии"

 

Конструкцию носового бульба развили и применяли в Японии. Некоторые корабли эпохи Второй мировой войны, такие, как линкор «Ямато» и лёгкий крейсер «Ойодо», имели носовые бульбы. Однако японские исследования в этой области вели политики конфиденциальности и особо не распространились на западный мир, поэтому, многие из достижений в данной области были утеряны после войны.

 

Фото носа самой большой и подробной модели корабля "Ямато" в Японии

 

Постоянные эксперименты со временем значительно улучшили геометрию бульб, однако они не испльзовались широко, до тех пор, пока в их разработку не применили методы компьютерного моделирования.

 

Бульб современного судна

Бульб Mont Ventoux столкнувшегося с китом, подобные столкновения происходят 1-2 раза в год

 

http://shipdesign.ru...man/Froude.html

http://www.pravmir.r...ira-yurkevicha/

http://www.chaskor.r...man/Froude.html

[Sergius_Grey]

Уважаемый ТС, тема Ваша довольно интересна и познавательна, но не могли бы Вы те части текста, которые печатали сами, проверить на грамматическую правильность ?

ЗЫ: Пример - "сопративление"

[McPro]

Вот вопрос при столкновении кит умирает? или есть какой то шанс выжить?

[Black_Hunter]

McPro (07 Авг 2013 - 21:30) писал:

Вот вопрос при столкновении кит умирает? или есть какой то шанс выжить?

У кита? Или у корабля?

[anonym_eDqfYKG8DN03]

McPro (07 Авг 2013 - 21:30) писал:

Вот вопрос при столкновении кит умирает? или есть какой то шанс выжить?

В случаи который показан на фото - кит погиб. Не думаю что у кита есть шансы выжить при таком раскладе, если уж тараном топили бронированные корабли.