Определение аэродинамических усилий

На надводной части корпуса

Для определения составляющих аэродинамической силы используются выражения:

; .

(1.4)

Здесь ,  – безразмерные коэффициенты сил , ;

 – плотность воздуха, ;

 – площадь проекции надводной поверхности судна на плоскость мидель-шпангоута, ;

 – площадь парусности (площадь проекции надводной поверхности судна на диаметральную плоскость), ;

 – скорость кажущегося ветра на уровне центра парусности, м/с.

Ветровой момент, действующий на судно:

.

(1.5)

Здесь  – расстояние от точки приложения силы  (центра давления) до центра масс судна.

Для определения коэффициентов ,  используют результаты продувок в аэродинамических трубах моделей надводной части судов. На основе обработки результатов этих испытаний получены следующие расчетные выражения:

– для морских судов

; .

(1.6)

– для речных судов

; .

(1.7)

Характерные зависимости аэродинамических нагрузок от направления между воздушным потоком и ДП судна представлены на рис. 1.4.

Точка приложения аэродинамической силы в соответствии со свойствами крыла смещается от центра парусности (ЦП) навстречу потоку воздуха, т.е. при носовых курсовых углах ветра – в сторону носовой части, а при кормовых курсовых углах – в корму. Величина смещения зависит от курсового угла кажущегося ветра: чем острее угол атаки между ДП и направлением ветра, тем дальше от ЦП смещается точка приложения аэродинамической силы. Максимальное смещение точки приложения аэродинамической силы (при курсовых углах, близких к 0 и 180 градусам) составляет в среднем приблизительно четверть длины судна, т.е. , а при курсовых углах кажущегося ветра, равных 90 градусам, точка приложения аэродинамической силы совпадает с центром парусности (ЦП).

Рис. 1.4. Зависимости аэродинамических усилий и момента от направления кажущегося ветра

Физический смысл понятия геометрический центр парусности поясним с помощью рис. 1.5.

Рис. 1.5. К понятию геометрический центр парусности судна

Как видно из рис. 1.5, ЦП – это геометрическая характеристика, представляющая собой центр тяжести фигуры, т.е. площади . Очевидно, что положение ЦП зависит от архитектуры надводного борта и палубных надстроек судна, степени его загрузки, наличия палубного груза и др.

В общем случае на корпус судна действует не только поперечная аэродинамическая сила, вызывающая дрейф, но и момент этой силы, стремящийся развернуть судно вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс (ЦМ) и кренящий момент, величина которого зависит от аппликаты ЦП (возвышения над ЦМ).

Плечо поперечной аэродинамической силы  относительно ЦМ можно определить по формуле

,

(1.8)

здесь  – абсцисса ЦП судна.

Величина  принимается положительной, если ЦП смещен в нос от ЦМ, и отрицательной – при его смещении в корму (на грузовых судах с кормовой надстройкой величина геометрического центра парусности составляет от –3 до –12 м, а на пассажирских судах – от +0,5 до +2,5 м). Следует помнить, что положение ЦМ по длине приблизительно совпадает с мидель-шпангоутом только при посадке судна на ровный киль. При наличии дифферента ЦП смещается в сторону противоположную смещению ЦМ, что приводит к существенному изменению  и, следовательно, . Практические наблюдения показывают, что суда в балласте при курсовых углах кажущегося ветра от нуля до шестидесяти градусов обычно уваливаются по ветру, а при ветрах кормового направления 120–180 градусов приводятся к ветру.

Для оценки управляемости судна в условиях ветра необходимо определить угол ветрового дрейфа и угол перекладки рулевых органов , потребный для обеспечения управляемого движения судна заданным курсом. Совместное решение второго и третьего уравнения системы (1.3) относительно неизвестных и позволяет получить расчетные выражения для их определения в виде:

,

(1.9)

где

; .

(1.10)

Коэффициенты преобразования ,  для каждого вида судов можно найти в справочной литературе [7].