Гідродинамічний опір корпусу, Судновий Журнал
Швидкість руху судна обмежується гідродинамічними опорами, які надає водне середовище на предмети, що рухаються. Ці сили зростають у міру зростання швидкості, внаслідок чого судно набуває саме ту швидкість, при якій сили опору порівнюються з силою тяги вітрила.
Механізм виникнення сил гідродинамічного опору корпусу в цілому аналогічний механізму аеродинамічних сил лобового опору вітрила, розглянутих у розділах 3.1.2 і 3.1.3. Вони можуть бути розкладені на три складові: сили тертя, сили вихроутворення і сили хвилеутворення. Лише остання складова не знаходить аналогій в теорії вітрила, оскільки в повітряному потоці відсутня гранична поверхня, на якій би виникали хвилі, подібні хвиль на поверхні води.
Так само як і при обтіканні повітряним потоком вітрила, при русі корпусу судна у воді навколо нього утворюється шар рідини як би прилипає до поверхні корпусу (прикордонний шар). У межах цього шару швидкість частинок води змінюється від нуля до швидкості судна, і відбувається тертя шарів рідини один про одного. Перебіг рідини в прикордонному шарі в залежності від умов обтікання може бути ламінарним, коли струмені води плавно обгинають корпус, або турбулентним, при якому виникають потоки, що перемішуються, мікроскопічні вихори, і товщина прикордонного шару значно збільшується. Тертя при ламінарному обтіканні набагато нижче ніж при турбулентному. Його величина і умова переходу ламінарного обтікання в турбулентне характеризується числом Рейнольдса Re аналогічно тому, як ми це бачили в теорії вітрила. Що стосується корпусу судна справедливі самі розрахунки, які миробили для вітрила (розділ 3.1.3.1), якщо в них змінити характерну швидкість обтікання і розмір профілю, що обтікається, а в'язкість повітря замінити на в'язкість води. Характерні швидкості V вітрильних туристських суден рідко перевищують 10 км/год, або 3 м/сек. Довжина корпусу по ватерлінії знаходиться в межах 5 м. В'язкість води = 1,2 ∙ 10 -6 м 2 /сек. Ці значення параметрів дають величину числа Рейнольдса Re = VL/ν близько 1 10 6 . Судячи з рис. 3.9, саме в цій області відбувається перехід ламінарної течії в турбулентне, при якому коефіцієнт тертя зростає в 6 разів. Конкретна точка переходу визначається формою і гладкістю корпусу. Досліди показують, що при дзеркально гладкому корпусі ламинарное обтікання зберігається до швидкостей, відповідних Re = 5∙10 6 , що спостерігається при 4,5 км/год для судна п'ятиметрової довжини і 6 км/год для триметрового судна.
Реальні матеріали, з яких виготовляють оболонку корпусу, не мають «дзеркальної» гладкістю, тому в більшості випадків у прикордонному шарі існує дві області: передня частина корпусу обтікається ламінарно, а задня – турбулентно. Хороші результати дає оболонка «гладка на дотик», тобто така, шорсткість якої не відчувається рукою. Використання як оболонка грубих тканин, що не мають плівкового покриття, з цієї точки зору, не може бути рекомендовано: така оболонка турбулізує обтічний потік вже на першому метрі від носа судна.
За рахунок вибору матеріалу корпусу та його акуратного виготовлення можна знизити коефіцієнт опору в два рази. На малих швидкостях, коли немає помітного хвилеутворення, це веде до прямого збільшення швидкості судна. Оскільки сила тертя пропорційна квадрату швидкості Fтр = ½ κ ρ V 2 S(тут κ – коефіцієнт тертя, ρ – щільність води та S – змочена поверхня), то зниження κ удвічі призведе до збільшення V на 70%. Інакше кажучи, гладке судно на легкому бризі замість швидкості 2 км/год матиме 3,5 км/год.
З зазначеної вище формули також випливає, що сила тертя тим нижча, що менше змочена поверхня S. Оскільки ця величина знижується при наближенні форми ватерліній до кола, вона значно менша у швертботів, ніж у багатокорпусників з витягнутими корпусами. Так, площа змоченої поверхні швертбота типу «Мева» можна оцінити величиною 1,5 м3, а катамарана з поплавцями 5 м - величиною 2 м2. Ця різниця веде до пропорційної переваги в швидкості швертботів при слабкому вітрі, яке ще посилюється тим, що у швертбота легше домогтися ламінарного обтікання по всій змоченій поверхні.
Рухаючись по поверхні води, судно зміщує її маси з рівноважного положення: ніс судна розсуває водне середовище в сторони; при цьому частина води зміщується вгору, звільняючи простір, який займає корпус судна. У районі корми відбувається зворотний процес: звільнений корпусом простір заповнюється водою, яка набуває при цьому горизонтальну швидкість, спрямовану до осі судна, а також вертикальну швидкість, спрямовану вгору. Обидва процеси зміщення води призводять до утворення хвиль – носової хвилі та кормової хвилі. З певним огрубленням цю картину можна уявити таким чином, що ніс судна весь час в'їжджає на носову хвилю, рухаючись як би в гору, а корма залишає за собою западину, в яку її тягне назад частина ваги, не має опори. При цьому і ніс і корми ніби знаходяться на похилій поверхні і частина ваги судна, спрямованавздовж цієї поверхні вниз, гальмує рух. Дія цих сил і пояснюють механізм хвильового опору.
На освіту носової і кормової хвиль йде частина енергії, що отримується судном від вітрила. Вкладена в хвилю енергія розсіюється по поверхні води системою хвиль, що розходяться в сторони від судна і залишаються за кормою (див. рис. 3.30).
Хвилі, що розходяться, є серією гребенів, фронт яких розгорнутий приблизно під кутом 20° до курсу судна незалежно від його швидкості. Швидкість фронту розбіжних хвиль Vф ≈ V sin20° ≈ 0,3 V, де V – швидкість судна.
Поперечні хвилі поширюються в межах конуса розбіжних хвиль зі швидкістю рівної швидкості судна. Довжина хвиль жорстко пов'язана з їх швидкістю формулою λ = 0,64 V 2.
Кормові хвилі зазвичай бувають помітно нижчими за носові, що пояснюється втратою частини енергії на тертя і вихреутворення при обтіканні корпусу. В районі корми, через взаємодію з корпусом, вода частково вже рухається разом із судном, так що хвилі утворюються не так інтенсивно. Хвилі, що розходяться зазвичай набагато крутіше і коротше поперечних.
При швидкостях руху, притаманних туристських вітрильних суден, на довжині корпусу міститься кілька довжин поперечної носової хвилі. В залежності від співвідношення довжини хвилі і довжини корпусу змінюється характер взаємодії носової і кормової поперечних хвиль. У тих сприятливих випадках, коли западина однієї хвилі припадає на гребінь іншої, відбувається їх взаємне погашення, слід судна стає більш спокійним, і хвильовий опір відносно знижується. Навпаки, збіг гребенів носової та кормової хвиль є несприятливою подією. Особливо воно несприятливе, колидовжина хвилі порівнюється з довжиною корпусу. При цьому настає настільки різке посилення хвилетворення і підвищення опору руху, що практично ця ситуація є граничною для збільшення швидкості судна в режимі водовипромінюючого плавання. Типове розбірне вітрильне судно довжиною 4 - 5 м не може перевершити межу швидкості 5 вузлів (9 км/год). При цьому, чим довше корпус, тим вище досяжна для судна швидкість. Тому при сильних вітрах катамарани з вузькими і довгими корпусами мають перевагу перед швертботами. Ця перевага обумовлена не тільки великим значенням граничної швидкості, але також і меншим коефіцієнтом хвилетворення, так як вузький корпус меншою мірою розсуває воду і утворює менш значні хвилі.
З теорії хвиль відомо, що енергія хвилі пропорційна квадрату її висоти h2. У такій мірі від висоти хвилі залежить і сила опору. У свою чергу черга висота носової хвилі визначається тією відстанню, на яку потрібно відкинути воду при русі судна - шириною корпусу. Отже, можна вважати, що опір пропорційно квадрату ширини судна (при одній і тій же швидкості). Корпус байдарки шириною 0,8 м відчуває в 4 рази менший опір хвильовтворенню, ніж швертбот шириною 1,6 м. звичайно, за умови руху без дрейфу, строго вздовж осьової лінії).
Правда, все це відноситься до опору одиночного корпусу, а у багатокорпусників зазвичай два корпуси одночасно знаходяться у воді і хвилетворення на них відбувається спільно. З цього випливає, що силу опору потрібно помножити на 2. Але і в такому випадку перевагавузькокорпусних суден залишається очевидним. Ця перевага спостерігається в тому випадку, коли кожен з корпусів утворює хвилю незалежно від іншого. Якщо хвилі, що виникають у корпусів, складаються один з одним, їх сумарна енергія і опір зростає також у квадратній залежності. Тому якби хвилі цілком збігалися один з одним, їх висота зросла б у 2 рази, а опір – у 4 рази. Але як ми бачили вище, хвилі утворюються тільки в межах досить вузького конуса, і при широко розведених корпусах накладаються один на одного тільки частково.
У тих випадках, коли хвильові конуси перетинаються ззаду корми судна, ми можемо вважати, що їх взаємодія не позначається на характері обтікання корпусів і не впливає на хвильовий опір. Іншими словами, для отримання всіх переваг вузькокорпусного катамарана його корпусу повинні бути розведені на таку відстань, при якій хвильові конуси перетинаються за кормою. Оцінка показує, що для цього необхідно забезпечити відстань між осями корпусів приблизно рівну їх довжині. Це пов'язано зі значними конструкційними складнощами і практично ніколи не реалізується для туристських судів. Реально туристські катамарани через взаємодію хвильових систем від двох корпусів не забезпечують максимально можливого зниження хвильового опору. Але при конструюванні судна потрібно намагатися по можливості сильніше розвести корпуси один від одного. Зазвичай вважається задовільним рішенням розвести корпуси на половину їхньої довжини. При меншій відстані кожен корпус входить у межі хвильового конуса іншого корпусу, хвилі накладаються один на одного, і все судно починає гнати хвилю як монолітна конструкція.
Конструкціятримарана повинна також задовольняти вимогу достатньої відстані між основним корпусом і поплавком, що відкренює . Але оскільки тримаренний поплавець зазвичай набагато вже основного корпусу, він викликає не настільки сильне хвилеутворення, і взаємодія хвиль менш значно, ніж у катамаранів. Якщо відплавний поплавець набагато коротший за основний корпус, то з'являється можливість впливати на хвилеутворення вибором місця розташування коротких поплавців – близько середини корпусу. При зміщенні поплавців до носа відбуватиметься збільшення хвилеутворення за рахунок складання носових хвиль. При зміщенні до корми будуть складатися кормові хвилі, що не так шкідливо, але небажано. При центральному розташуванні поплавців навпаки поперечні хвилі основного корпусу зменшуватимуться за рахунок накладання на них у протифазі поплавкових хвиль при режимі максимальної швидкості, коли довжина хвилі порівнюється з довжиною основного корпусу. Це сприятиме відносному зниженню хвилі і досягненню судном вищої швидкості при досить сильному вітрі.