Способы снижения сопротивления воды движению судна

Основные составляющие сопротивления — вязкостное и волновое — преобладают в общем балансе у водоизмещающих судов, поэтому наиболее перспективным является изыскание возможности уменьшения именно этих составляющих. Знание закономерностей формирования сопротивления позволяет наметить и пути его целенаправленного изменения.

Методы снижения вязкостного сопротивления.

Вязкостное сопротивление — основная составляющая сопротивления воды для большинства транспортных судов. Соответственно наибольшие выгоды сулит уменьшение именно этой составляющей.

Современные суда относятся к категории хорошо обтекаемых тел — их сопротивление формы невелико и близко к своему нижнему пределу (при заданных значениях коэффициента общей полноты б). Следовательно, единственный путь существенного снижения вязкостного сопротивления может быть реализован только за счет его основной составляющей — сопротивления трения. Последняя определяется течением жидкости в пристеночной области (см. гл. 3), изменение характеристик которого и может привести к благоприятному эффекту. Здесь можно выделить два направления: а) ламинаризацию течения в пограничном слое; б) подачу в пристеночную область газа или жидкости с физическими свойствами, отличными от таковых у воды.

При ламинарном режиме обтекания коэффициент сопротивления трения (3.12) существенно ниже, чем при турбулентном [см. (3.15)]. Это различие при числах Рейнольдса, характерных для морских транспортных судов, теоретически может достигать одногодвух порядков. Следовательно, ламинаризация пограничного слоя может привести к существенному снижению сопротивления трения. Реальное использование этой идеи применительно к судам может быть осуществлено либо за счет создания демпфирующих покрытий, либо путем отсоса пограничного слоя.

Нанесенные на поверхность тела податливые покрытия в некоторых случаях снижают сопротивление трения в 1,5—2,0 раза вплоть до чисел Рейнольдса Re = 2 10⁷. Однако сложность изготовления подобных покрытий, нестабильность их упругих характеристик и в определенной степени случайность достижения требуемого положительного эффекта не позволяют сегодня использовать этот метод снижения сопротивления.

Отсос пограничного слоя может быть распределенным (по всей поверхности тела) либо сосредоточенным через специальные щели, заданным образом расположенные по длине тела. В принципе отсос позволяет обеспечить ламинарный режим течения в пограничном слое при любых числа Рейнольдса. При этом может быть получен ощутимый эффект даже с учетом энергетических потерь на отсос жидкости. Теоретические оценки показывают, что при характерных для судов числах Re — 10⁸+10⁹ оптимальный распределенный отсос может снизить сопротивление трения в шесть-семь раз. Сегодня, однако, эта идея не находит практической реализации; она наталкивается на непреодолимые пока препятствия конструктивного (сложность создания эффективной системы отсоса) и технологического (слишком жесткие требования к состоянию-поверхности, которая должна быть очень гладкой) свойства.

Идея использования «воздушной смазки» — создания тонкой газовой прослойки между поверхностью тела и окружающей жидкостью — достаточно стара.

Экспериментальные исследования показали, что реализация этой идеи на практике возможна лишь на плоских участках днища. Сегодня воздушная смазка находит ограниченное применение только на судах внутреннего плавания. Так, на барже водоизмещением D = 3270 т в рабочем диапазоне скоростей движения (v = 12+18 км/ч) был получен выигрыш в сопротивлении около 25%.

На морских транспортных судах воздушная смазка применения пока не находит. Это объясняется, во-первых, гораздо меньшей, чем у судов внутреннего плавания, долей смоченной поверхности, приходящейся на плоский участок днища, а во-вторых, — дестабилизирующим влиянием качки.

В последнее время искусственная газовая кавитация используется на малых быстроходных судах. Тонкая газовая или воздушная прослойка создается на плоских горизонтальных либо близких к таковым участках днища. При этом сопротивление движению глиссирующего катера снижается на 30—35%.

Изменения физических свойств жидкости в пристеночной области можно достичь и другим путем — за счет введения высокомолекулярных соединений — полимеров. Незначительная их добавка в воду приводит к существенному, в два-три раза, снижению поверхностного трения. Концентрация полимеров настолько мала (10−4—10"6), что объяснить получаемый эффект изменением плотности или вязкости невозможно. Дело в том, что полимеры придают воде новые качества, переводят ее в разряд аномальных (неньютоновских) жидкостей. При этом резко уменьшается поперечная составляющая пульсационной скорости и, как следствие, турбулентного обмена в пограничном слое, снижаются энергетические потери и их эквивалент — сопротивление трения. Соответственно эффект от добавки полимеров имеет место только при турбулентном режиме обтекания тела.

Практическая реализация этого способа возможна лишь путем введения полимеров в пристеночную область через щели либо перфорированную поверхность, а также за счет покрытия тела растворимыми обмазками. В обоих случаях эффективность снижается — уменьшение сопротивления составляет не более 15—50%. Это обстоятельство, высокая стоимость полимеров и недостаточно изученные экологические последствия их использования объясняют тот факт, что данный способ снижения вязкостного сопротивления пока не находит применения.