加強(qiáng)流體力學(xué)技術(shù)研究引領(lǐng)船舶海洋工程創(chuàng)新

摘 要:隨著國際形式的復(fù)雜變化、國際交往與運(yùn)輸?shù)念l繁以及國內(nèi)陸路交通的形勢(shì)嚴(yán)峻。通過流體力學(xué)技術(shù)研究提高船舶海洋工程的創(chuàng)新，愛我海疆、強(qiáng)我國防利用科學(xué)的流體力學(xué)技術(shù)打造最完美的戰(zhàn)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(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

中圖分類號(hào):U66文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)08(a)-0040-021 流體特性對(duì)船舶的影響

船的出現(xiàn)已有數(shù)千年的歷史，從獨(dú)木舟到萬噸客貨船，從艨艟戰(zhàn)船到航空母艦，不論大小、簡(jiǎn)繁，它們都屬于傳統(tǒng)的排水型船。船舶在保證承載力的同時(shí)很難滿足運(yùn)行速度，船舶的運(yùn)行速度內(nèi)部是以發(fā)動(dòng)機(jī)械為主，外部的流體抗阻力的設(shè)計(jì)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)的特性開始分析。

流體力學(xué)的物理狀態(tài)是依靠物體物理浮力穩(wěn)定性做應(yīng)力支撐點(diǎn)，物體在運(yùn)動(dòng)中于液體和氣體產(chǎn)生摩擦造成大量無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)分子變化的總稱。流體是由大量的、不斷地作熱運(yùn)動(dòng)而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，流動(dòng)性和沒有固定形狀是它的基本特征。因?yàn)榱黧w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(yùn)動(dòng)阻力簡(jiǎn)稱粘滯性。當(dāng)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(yùn)動(dòng)和狀態(tài)的基本參考指數(shù)。根據(jù)粘滯性數(shù)值我們可以計(jì)算出物體在運(yùn)動(dòng)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(tài)下運(yùn)行的航速就是我們研發(fā)的主要課題。隨著近幾年研發(fā)的“消波型高速船”就流體力學(xué)實(shí)踐應(yīng)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(guī)圓舭艇的型線有較大的差別，底升角比常規(guī)圓舭艇的大，最大船寬位于尾部以減少舭渦，且具有較長(zhǎng)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(guī)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(yàn)及實(shí)船試航資料，運(yùn)用回歸分析方法得到估算剩余阻力系數(shù)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(yùn)行，其速度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高速船在國內(nèi)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(jì)性，在內(nèi)河及沿海地區(qū)充分體現(xiàn)了流體力學(xué)研究在船舶海洋工程的重要性。

靜止?fàn)顟B(tài)下固體的作用面上能夠同時(shí)承受剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力。而流體只有在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下才能夠同時(shí)有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用，在靜止?fàn)顟B(tài)下只能夠承受法向應(yīng)力，這一應(yīng)力是壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生稱為靜壓強(qiáng)。固體在力的作用下發(fā)生變形，在彈性極限內(nèi)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(yīng)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(nèi)摩擦定律。當(dāng)作用力停止時(shí)，固體可以恢復(fù)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(yīng)容器的形狀，并可以維持下來。船舶在液態(tài)水中產(chǎn)生的靜壓力相對(duì)較大就是因?yàn)槟Σ亮υ龃髩毫υ龃?，航速減弱。與液體相比氣體更容易變形，因?yàn)闅怏w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(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(yùn)動(dòng)，極易變形，能夠充滿所能到達(dá)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(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所能達(dá)到的全部空間。流體力學(xué)作用在船舶航海的數(shù)據(jù)較飛機(jī)在氣流層航行遇到的大氣流體力學(xué)作用相對(duì)較為復(fù)雜。學(xué)術(shù)研究技術(shù)要求也更高一些。因?yàn)榇昂胶Ａ黧w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(shù)據(jù)分析。艦船航行時(shí)，通過流線型船身的設(shè)計(jì)和其他抗阻性技術(shù)完善之后，水經(jīng)過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(yùn)行中的能量，阻礙了艦船的前進(jìn)，產(chǎn)生渦旋阻力?？梢姶肮こ虒W(xué)流體力學(xué)技術(shù)研究的重要性。通過船舶整體設(shè)計(jì)的流線型阻力值的計(jì)算測(cè)得船尾受到漩渦阻力的大小設(shè)計(jì)出阻力最小的尾部體型合理設(shè)計(jì)，來減小渦旋阻力增加船舶運(yùn)行速度。是流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(biāo)。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，體積也隨著變化的同時(shí)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(yùn)行的速度也隨著改變。船舶屬于運(yùn)行中的物體，在運(yùn)行過程中產(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(dāng)船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)，具有足夠的穩(wěn)性和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)一些特殊船舶所需要的穩(wěn)定平臺(tái)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(fù)合型。這就需要我們?cè)诩夹g(shù)領(lǐng)域?qū)α黧w動(dòng)力學(xué)的壓力值進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和技術(shù)論證，研究出新的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來提高船舶的穩(wěn)定航行功率，增加功效。

3 流體運(yùn)動(dòng)學(xué)在海洋工程中的應(yīng)用

流體運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)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(yùn)動(dòng)比剛體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜。亥姆霍茲速度分解定理指出，流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)可以分解為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形。流體運(yùn)動(dòng)速度分解定理只在流體微團(tuán)內(nèi)成立。

流體質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)所描繪的曲線稱為跡線；在流場(chǎng)中每一點(diǎn)上都與速度矢量相切的曲線稱為流線。跡線是同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻形成的曲線，它是在拉格朗日方法中流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的幾何表示；流線是同一時(shí)刻不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線，它是在歐拉方法中流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的幾何表示。只有在定常運(yùn)動(dòng)中，兩者才重合在一起。

流體微團(tuán)的一般運(yùn)動(dòng)可分解為平移、線變形、角變形和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。船舶在運(yùn)行中通過水面和空氣層導(dǎo)致液態(tài)的水進(jìn)行幾何線狀流體運(yùn)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(yùn)動(dòng)形式角度，流體運(yùn)動(dòng)可分為無旋運(yùn)動(dòng)和有旋運(yùn)動(dòng)。如果流體流動(dòng)時(shí)所有流體微團(tuán)僅做平移和變形運(yùn)動(dòng)，沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)速度是簡(jiǎn)單的用物理運(yùn)行速度減去流體阻力就可以得到。根據(jù)有關(guān)物理量依賴于1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)坐標(biāo)，流體運(yùn)動(dòng)可分為一維、二維和三維運(yùn)動(dòng)。如果運(yùn)動(dòng)參數(shù)只是一個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的函數(shù)，這樣的流動(dòng)稱為一維流動(dòng)。如果運(yùn)動(dòng)參數(shù)是兩個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的函數(shù)，這樣的流動(dòng)稱為二維流動(dòng)。如果運(yùn)動(dòng)參數(shù)是三個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的函數(shù)，這樣的流動(dòng)稱為三維流動(dòng)。在有旋運(yùn)動(dòng)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(tuán)繞渦線的切線方向旋轉(zhuǎn)。在旋渦場(chǎng)內(nèi)取一非渦線且不自相交的封閉曲線，通過它的所有渦線構(gòu)成一管狀曲面，稱為渦管。渦管的運(yùn)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(shù)，稱為渦管強(qiáng)度。渦管不能在流體內(nèi)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(xù)性方程計(jì)算渦旋阻力。通過流動(dòng)的角度加以運(yùn)算我們才可以得出船舶航行中渦旋的阻力，在船舶設(shè)計(jì)上利用漩渦阻力進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案減少阻力增加速度。

4 結(jié)語

航海工程船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的速度和承載能力設(shè)計(jì)方案的技術(shù)參數(shù)主要來源于流體力學(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(wěn)定性到今天還沒有出現(xiàn)重大的發(fā)現(xiàn)，我們國家的流體力學(xué)的原理也僅僅停留在技術(shù)應(yīng)用的范圍。流體力學(xué)的學(xué)科過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(yùn)動(dòng)學(xué)等許多學(xué)科。應(yīng)用范圍也很廣涉及了量子物理運(yùn)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(yùn)、等科研技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。我們?cè)趯W(xué)術(shù)上不斷積累中國和外國的先進(jìn)理論和經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用，才能在科研和技術(shù)上推陳出新，為國家建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

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