Сопротивление образованию волн — это форма сопротивления , которая влияет на надводные плавсредства, такие как лодки и корабли, и отражает энергию, необходимую для отталкивания воды с пути корпуса. Эта энергия идет на создание волны.
Для судов с малым водоизмещением , таких как парусные или гребные лодки, основным источником сопротивления морского судна является волновое сопротивление .
Характерным свойством водных волн является дисперсия; т. е. чем больше длина волны, тем быстрее она движется. Волны, создаваемые судном, зависят от его геометрии и скорости, и большая часть энергии, отдаваемой судном для создания волн, передается воде через носовую и кормовую части. Проще говоря, эти две волновые системы, т. е. носовая и кормовая волны, взаимодействуют друг с другом, и результирующие волны отвечают за сопротивление. Если результирующая волна большая, она уносит много энергии от судна, доставляя ее на берег или туда, где волна заканчивается, или просто рассеивая ее в воде, и эта энергия должна поставляться движителем судна (или импульсом), так что судно испытывает ее как сопротивление. И наоборот, если результирующая волна мала, испытываемое сопротивление мало.
Количество и направление (аддитивное или субтрактивное) интерференции зависят от разности фаз между носовой и кормовой волнами (которые имеют одинаковую длину волны и фазовую скорость), а это является функцией длины судна по ватерлинии. Для заданной скорости судна разность фаз между носовой и кормовой волнами пропорциональна длине судна по ватерлинии. Например, если судну требуется три секунды, чтобы пройти свою собственную длину, то в какой-то момент, когда судно проходит, кормовая волна инициируется через три секунды после носовой волны, что подразумевает определенную разность фаз между этими двумя волнами. Таким образом, длина ватерлинии судна напрямую влияет на величину волнового сопротивления.
Для данной длины ватерлинии разность фаз зависит от фазовой скорости и длины волны, а они напрямую зависят от скорости судна. Для глубоководной волны фазовая скорость такая же, как и скорость распространения, и пропорциональна квадратному корню из длины волны . Эта длина волны зависит от скорости судна.
Таким образом, величина волнового сопротивления является функцией скорости судна по отношению к его длине по ватерлинии.
Простой способ рассмотрения волнового сопротивления — это рассмотрение корпуса по отношению к носовым и кормовым волнам. Если длина судна составляет половину длины генерируемых волн, результирующая волна будет очень маленькой из-за погашения, а если длина равна длине волны, волна будет большой из-за усиления.
Фазовая скорость волн определяется по следующей формуле:
где - длина волны, а - ускорение свободного падения. Подставляя соответствующее значение, получаем уравнение:
или в метрических единицах:
Эти значения, 1,34, 2,5 и очень простое 6, часто используются в правиле скорости корпуса , применяемом для сравнения потенциальных скоростей водоизмещающих корпусов, и это соотношение также является основополагающим для числа Фруда , используемого при сравнении различных масштабов плавсредств.
Когда судно превышает « соотношение скорости и длины » (скорость в узлах, деленная на квадратный корень из длины в футах) 0,94, оно начинает обгонять большую часть своей носовой волны , корпус фактически слегка оседает в воде, поскольку теперь он поддерживается только двумя пиками волн. Когда судно превышает соотношение скорости и длины 1,34, длина волны становится больше, чем корпус, и корма больше не поддерживается кильватерной струей, заставляя корму приседать, а нос подниматься. Теперь корпус начинает подниматься по своей собственной носовой волне, и сопротивление начинает увеличиваться с очень высокой скоростью. Хотя можно вести водоизмещающий корпус быстрее, чем соотношение скорости и длины 1,34, это непомерно дорого. Большинство крупных судов работают при соотношении скорости и длины значительно ниже этого уровня, при соотношении скорости и длины менее 1,0.
Поскольку волновое сопротивление основано на энергии, необходимой для отталкивания воды от корпуса, существует ряд способов минимизировать его.
Уменьшение водоизмещения судна путем устранения избыточного веса является наиболее простым способом уменьшения сопротивления, создаваемого волнами. Другой способ - сформировать корпус таким образом, чтобы он создавал подъемную силу при движении по воде. Полуводоизмещающие корпуса и глиссирующие корпуса делают это, и они способны преодолеть барьер скорости корпуса и перейти в область, где сопротивление увеличивается с гораздо меньшей скоростью. Недостатком этого является то, что глиссирование практично только на небольших судах с высоким отношением мощности к весу, таких как моторные лодки. Это непрактичное решение для большого судна, такого как супертанкер .
Корпус с тупым носом должен очень быстро отталкивать воду, чтобы пройти, и это высокое ускорение требует большого количества энергии. При использовании тонкого носа с более острым углом, который отталкивает воду с пути более постепенно, количество энергии, требуемой для вытеснения воды, будет меньше. Современной вариацией является конструкция , пронзающая волны . Общее количество воды, которое должно быть вытеснено движущимся корпусом, и, таким образом, вызывающее волновое сопротивление, равно площади поперечного сечения корпуса, умноженной на расстояние, пройденное корпусом, и не останется прежним при увеличении призматического коэффициента для того же lwl, того же водоизмещения и той же скорости.
Особый тип носа, называемый бульбовым , часто используется на крупных судах для снижения волнового сопротивления. Бульб изменяет волны, создаваемые корпусом, изменяя распределение давления перед носом. Из-за характера его разрушительного воздействия на носовую волну существует ограниченный диапазон скоростей судна, в котором он эффективен. Бульбовый нос должен быть правильно спроектирован, чтобы смягчить волновое сопротивление конкретного корпуса в определенном диапазоне скоростей. Бульб, который работает для одной формы корпуса судна и одного диапазона скоростей, может быть пагубным для другой формы корпуса или другого диапазона скоростей. Поэтому при проектировании бульбового носа необходимы надлежащая конструкция и знание предполагаемых скоростей и условий эксплуатации судна.
Если корпус спроектирован для работы на скоростях, существенно меньших скорости корпуса , то можно усовершенствовать форму корпуса по его длине, чтобы уменьшить волновое сопротивление на одной скорости. Это практично только в том случае, если коэффициент полноты корпуса не является существенной проблемой.
Поскольку полуводоизмещающие и глиссирующие корпуса генерируют значительную подъемную силу в процессе эксплуатации, они способны преодолевать барьер скорости распространения волн и работать в областях с гораздо меньшим сопротивлением, но для этого они должны быть способны сначала преодолеть эту скорость, что требует значительной мощности. Эта стадия называется переходной стадией, и на этой стадии скорость волнового сопротивления самая высокая. Как только корпус преодолеет горб носовой волны, скорость увеличения волнового сопротивления начнет значительно снижаться. [1] Глиссирующий корпус поднимется, отрывая корму от воды, и его дифферент будет высоким. Подводная часть глиссирующего корпуса будет небольшой во время режима глиссирования. [2]
Качественная интерпретация графика волнового сопротивления заключается в том, что водоизмещающий корпус резонирует с волной, которая имеет гребень около носа и впадину около кормы, потому что вода отталкивается на носу и оттягивается назад на корме. Глиссирующий корпус просто давит на воду под собой, поэтому он резонирует с волной, которая имеет впадину под собой. Если его длина примерно в два раза больше, то он, следовательно, будет иметь только квадратный корень (2) или в 1,4 раза большую скорость. На практике большинство глиссирующих корпусов обычно движутся намного быстрее. При четырехкратной скорости корпуса длина волны уже в 16 раз длиннее корпуса.
