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讨论主题:弗洛德数对舰船性能的影响[重贴]
2008-07-16 22:28
          
楼主
发表心情 作战用的舰只必须在战斗中有一定的抗打击能力,当在战斗中受损时也必须还要有一定的生存能力。 战舰需要强大的动力系统和灵活的操纵性以执行它的任务,并有能力单独行驶到出事地点。军舰的种类划分取决于这些条件在它的设计中被强调的程度。

为了要有这些抗折磨抗打击能力。船舶(Hull)内部必须被分割为一舱一舱的,并设有消防器具等的损坏控制系统。小型军舰为了速度和操纵性而牺牲了抗打击能力和武器装备,反之,大型舰只为了有足够火力和生存能力而牺牲速度和操纵性。如果不能及时到达事发地点、完成任务然后返航,再大的军舰也没有意义。

当远洋执行任务时,军舰必须要有足够的速度,并经得起海上环境折腾的能力,所以军舰的大小非常重要。要在大洋中有足够的速度和生存能力,船只的吨位必须要大。船只的最大速度相对于船身长度之间的关系称为“船体速度”(Hull Speed)。例如,要达到30节的船体速度,船舶必须至少550英尺长。 无论军用或民用船只都离不开这个关系,只要是常规设计的船舶小船永远无法高速行驶。同样的,如果要在15英尺高的巨浪中正常航行,船舶就必须至少500英尺长,较小的船只只能减低速度,否则就无法有可靠的稳定性。

虽然有很多非常规的船舶设计能让小船可以达到较高的速度,例如双体船、V型船舶设计、水翼船等等,但是这些船只一样不能在大风大浪间行驶。在大浪中必须降低速度以确保安全。这不一定说小船绝对不能在大浪中行驶,只是说如果要在大浪中行驶小船就必须突破常规行驶状态,或降低速度,要不然就会如下图一样腾空飘起。当船只在空中飘就很危险,这已经超过液体动力学的范围了。
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本文重点是关于船只因为弗洛德数(Froude Number)而限制的最大航速。弗洛德数是船舶设计必须考虑的相似准则数。由于船舶在水中的阻力来源于1.水与船体的摩擦,2.消失在浪波中的能量,这里称为波阻(Wave Drag)。船舶的弗洛德数与波阻有直接关系,而弗洛德数是由船舶长度与速度构成,所以船只的最大常规航速因船舶长度而异。当然速度也和船舶宽度有关系,可是那是船体与液体的摩擦的阻力关系,不是波阻的关系。注意弗洛德数的用法与雷诺数一样,是参照同样的设计同样的宽度才有相似标准。简单来说就是同样的宽度同样的形状船舶长度才能和速度成正比。不同宽度、不同设计的船舶都有各自的弗洛德数标准。

弗洛德数相等于液体动力学的马赫数。只是把音速换位浪波的速度。弗洛德数在船体设计的应用起源于速度与船舶长度的比例,即
V/sqrt(L)
这里V是速度(节),L是长度(英尺)。
所以必须把波浪的因素考虑进去。而在这里能够把速度与长度比例无单位化。注意波浪在水中的速度有关的就是地心引力g值。所以就变成弗洛德数 Fr = V/sqrt(gL)。把单位统一化后速度V就变成(m/s),引力值g为(m/s/s),长度L为(m)。当把弗洛德数平方后,Fr2 = V^2/g/L跟浪波的能量有关,所以也跟波浪的特性有关,也就是说Fr2和动能成正比。

船舶的形状都是按照其设计速度优化的,速度越高要求的船长宽比也越大。船舶激起的浪波波长必须和船舶长度相配。在低弗洛德数(低速度/长度比),波阻相对低于水的摩擦阻力。当速度(弗洛德数)增加,波阻也随着增加(参考下图的黑线不是直线,而是一波一波跳跃的增加),当波阻达到一个“临界速度”(黑线和红线交叉处,也就是所谓的“船体速度”),也就是说波阻开始超越摩擦阻力。通常这会发生在F = 0.4,常规船只能在这个弗洛德数下航行。为了达到更大的速度,船舶必须加长把弗洛德数保持在F = 0.4以下。 大型船只只有军舰才有高推力把弗洛德数推到F = 0.4以上,这样会完全改变了船只正常航行的模式。

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上图中的例子只有护卫舰(Frigate)和驱逐舰(Destroyer)才能在Fr = 0.4 以上航行,也就是说这些舰只有足够的动力突破正常航行模式。当船只速度超过Fr = 0.4时,激起的波浪就高度会忽然增加,从而增加在浪波中消耗的能量。下图的阿利伯克舰在非常规模式(Fr > 0.4)航行。

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相比下面这张阿利伯克在Fr稍小于0.4的情况下航行,显然下图消失于浪波中的能量小于上图。注意海面都是几乎平静的。可以看出来下图55号舰几乎在Fr = 0.4(船体速度,也就是横波的波长和船的长度一样时)下航行。哪里看出来?因为下图55号舰全长度里只有两个波峰:船头劈出来的一个和船尾拉出来的一个。

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要解释浪波根弗洛德数的关系,就必须谈到横波(Transverse Wave)和岔波(Diverging Wave)。参考下图,岔波在船只行驶时呈“八”字分开,横波却是横着连接左右边的岔波。无论横波或岔波,它们与船舶平行的波长是一样的。

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当船行驶在Fr 1 时横波不见了。再看看Fr=1.5时,水的动升力大于浮力,基本船舶是飘起来的。

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所以要在常规状态达到的速度越高,船舶的长度就要越大,除非使用非常规设计,基本上船的航速就限制在船长等于波长,速度越快波峰与波峰之间的长度越大。为了增加速度,许多大型船只的船首都球鼻艏设计(下图),目的为了增加船长,随着船体速度也会增加。当然球鼻艏的目的不止这些,在球鼻艏形成的压缩波会把部分船体产生的波抵消掉,从而增加效率。而且球鼻艏也会增加船首的浮力。
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下图三艘不同长度的舰艇在同一速度下行驶,在一样的速度下,不同长度的舰只就会有不同的弗洛德数,舰体越长弗洛德数越小。在同一速度下,波长是一样的。但是因为补给舰比驱逐舰长,所以补给舰的船长容纳了6-7个波长,而驱逐舰只有5个。当然航空母舰可以容纳更多的波长,但是因为Fr数低,波峰也低,所以浪波不明显。反过来补给舰形成的浪波比航母高,因为它的Fr数相对比航母大。再看看驱逐舰,因为三艘舰艇里它的Fr数最高,所以波浪最明显。也因为这样航母有可能达到的最大常规速度比驱逐舰、巡洋舰等大,当然也要有足够的推动力才能然航母达到船体速度。
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当然,海面的状况也影响船只的正常速度。下图说明了不同船体设计在不同海面状况的适应速度。这里可以看到船体离水面越高,能在大浪中的稳定性就越高。基本上双体船的速度比单体的高(V形船底也很高),因为个别船体较大的长宽比提高速度。但是在波涛汹涌的海面也必须减速,除非加高船体(绿线)。
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解放军的022艇就是这种双体设计,这种设计能够确保在恶劣的海面环境下依然有足够的速度。
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点击数:164 | 回复数:30
2008-07-16 23:15
    
第2楼
发表心情又见啮齿的技术贴~先顶再看


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繁星似水/落雪无声
2008-07-20 13:11
    
第3楼
发表心情一定要顶!
铁血太多技术盲了!


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【厦门警备区】: 甘领【职务】: 军区副政委
【参谋编号】: xmjb-0002 【警备区军衔】: 少将
为了祖国,放弃窝里斗!
2008-07-21 08:48
    
第4楼
发表心情继续支持!


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2008-07-23 13:59
    
第5楼
发表心情楼主改帖名叫
解密022为什么先进!


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0
2008-07-23 14:51
    
第6楼
发表心情好文章!羡慕。


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0
2008-07-23 16:09
    
第7楼
发表心情楼上的,谢谢你对我们总队的支持!


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为了祖国,放弃窝里斗!
2008-07-23 17:50
    
第8楼
发表心情晕,还以为是弗洛伊德呢!


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打开心灵一扇窗
2008-07-23 17:59
    
第9楼
发表心情啮尺真的很猛。我是学自动化的。大概是专业原因。最烦铁血里一群人不讲技术的瞎嚷嚷。
努力学习中


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0
2008-07-23 19:23
    
第10楼
发表心情啮齿兄

能不能把“暴风雪”高速鱼雷的“超空泡”说一下。


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昨天你哪去了?
2008-07-24 08:48
    
第11楼
发表心情超空泡?
昨天还看到有人在百度知道那到处讨答案呢!


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2008-07-24 13:20
    
第12楼
发表心情我只学过空气流体 水流体不懂

这个超空泡效应。我只是看过一些简单介绍。应该是水的一种现象,具体到这现象特征如何我就不知道了。还有那个超空泡鱼雷只能走直线,也应该是超空泡无法变向。但为什么,我手头上没有理论根据。

想请教一下。


齿兄,最后一个图我没太看懂 顺便简单说明一下,或标记明显一些。


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昨天你哪去了?
2008-07-24 14:23
    
第13楼
发表心情啮齿以后发帖前定要构思个足够震撼的标题。
2008-07-24 21:13
    
第14楼
发表心情
 以下是引用于泽龙 在第10楼的发言:
啮齿兄

能不能把“暴风雪”高速鱼雷的“超空泡”说一下。

这个。。。简单来说就是在物体周围的水变成低压水汽包住物体来减少水和物体接触产生的阻力。最近我比较忙所以没时间看书研究清楚一下再发帖。等年底吧。


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超音速的啮齿动物
2008-07-24 21:17
    
第15楼
发表心情
 以下是引用于泽龙 在第12楼的发言:
我只学过空气流体 水流体不懂

这个超空泡效应。我只是看过一些简单介绍。应该是水的一种现象,具体到这现象特征如何我就不知道了。还有那个超空泡鱼雷只能走直线,也应该是超空泡无法变向。但为什么,我手头上没有理论根据。

想请教一下。


齿兄,最后一个图我没太看懂 顺便简单说明一下,或标记明显一些。

嘿嘿!学空气的就可以看懂水动力的。至少很多东西可以共用的,不至于连基础都没有而看不懂。去找本书看看吧。。。


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超音速的啮齿动物
2008-07-24 21:28
    
第16楼
发表心情
 以下是引用于泽龙 在第12楼的发言:
我只学过空气流体 水流体不懂

这个超空泡效应。我只是看过一些简单介绍。应该是水的一种现象,具体到这现象特征如何我就不知道了。还有那个超空泡鱼雷只能走直线,也应该是超空泡无法变向。但为什么,我手头上没有理论根据。

想请教一下。


齿兄,最后一个图我没太看懂 顺便简单说明一下,或标记明显一些。

铁血网提醒您:点击查看大图
你说这个吗?就是说各种船体设计在不同的浪高可以作出的速度。Speed是速度你看得懂吧?然后海面状态:Calm是平静的海面,high是高浪波的海面。低双体船在风平浪静时可以很快,当浪高增大就要减速了。高双体船在风平浪静时速度没有低双体船高,但是在大风大浪间却可以保持速度。其他应该可以看懂了吧?
本文内容为我个人原创作品,申请原创加分


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超音速的啮齿动物
2008-07-25 08:32
    
第17楼
发表心情嗯最后一个图再细说一下!


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2008-07-25 23:12
    
第18楼
发表心情
 以下是引用甘领 在第3楼的发言:
一定要顶!
铁血太多技术盲了!


说别人技术盲,你懂多少?都是业余的,口气不要那么大!

请问此帖和声纳帖都是原创吗?帖子我只知道两种,自己写的就是原创,不是自己写的麻烦加个转贴,重贴是什么贴?

铁血国防知识扫盲教导总队,招牌不小,扛的动吗?就靠网上转帖扫盲?

拜托,如果不是原创贴就加上“转贴”两个字,不要用“重帖”两个字来吓唬人!


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0
2008-07-26 08:49
    
第19楼
发表心情楼上发嘛火?
这是楼主原创的
只是看的人少,沉了
现在重新帖一下
标“重贴”免得版主给误会了!
你晓得不?


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2008-07-26 08:58
    
第20楼
发表心情再说
你的知识就不是从别的地方“转”的?
我们集合网络上的精华,让大家来学习,有什么错?


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2008-07-26 09:03
    
第21楼
发表心情甘领道友,如果按原创来说的话,这里面没有几个帖是真正原创的,
因为他们全部来自于书本,杂志,还有各种媒体,而现在的许多原创只是把书本上的知识,
变了一种方式出现在了论坛,其实与剽窃并没有什么区别,
而如果要真正算原创的话,那应该是根据某些自己看到的问题,发表自己的想法与见解,那么才叫真正的原创
很可惜的是,我们好多的小道友,就是连这些“原创”都没有看过,所以在他们眼中,这个原创两个字用起来也不算为过
(一家之言,个人想法,欢迎指正)


本文内容于 2008-7-26 11:10:12 被snowdunk编辑


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其实,爱国与卖国,没有多大的区别,
因为,话都是从人嘴里说的,有时,肛门出现了便密,
屁也会从嘴里出来,
很不幸,我不是在骂人,这种事,还真的会出现,
真的………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2008-07-26 09:13
    
第22楼
发表心情
 以下是引用snowdunk 在第21楼的发言:
楼上的道友,如果按原创来说的话,这里面没有几个帖是真正原创的,
因为他们全部来自于书本,杂志,还有各种媒体,而现在的许多原创只是把书本上的知识,
变了一种方式出现在了论坛,其实与剽窃并没有什么区别,
而如果要真正算原创的话,那应该是根据某些自己看到的问题,发表自己的想法与见解,那么才叫真正的原创
很可惜的是,我们好多的小道友,就是连这些“原创”都没有看过,所以在他们眼中,这个原创两个字用起来也不算为过
(一家之言,个人想法,欢迎指正)


呵呵
人家误会了
不要批评过了!


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2008-07-26 11:22
    
第23楼
发表心情
 以下是引用甘领 在第22楼的发言:
 以下是引用snowdunk 在第21楼的发言:
楼上的道友,如果按原创来说的话,这里面没有几个帖是真正原创的,
因为他们全部来自于书本,杂志,还有各种媒体,而现在的许多原创只是把书本上的知识,
变了一种方式出现在了论坛,其实与剽窃并没有什么区别,
而如果要真正算原创的话,那应该是根据某些自己看到的问题,发表自己的想法与见解,那么才叫真正的原创
很可惜的是,我们好多的小道友,就是连这些“原创”都没有看过,所以在他们眼中,这个原创两个字用起来也不算为过
(一家之言,个人想法,欢迎指正)


呵呵
人家误会了
不要批评过了!

对不起,道友,可能你才是误会了,我和snjjs,应该是同盟,这里先说一下,如果snjjs与你们进行论战的的话,我想我会和snjjs站在一起的,但是放心,我们不会用脏话来骂人的,只会用道理来说明自己的想法,他是以纯技术帖的方式与你们进行文字反驳,而我会对你们的话语进行评论分析,并且在可能的时候会发文反驳,不过,如果你们只是发纯技术帖,并且如果有思维方面的评论并且不出现什么漏洞的话,那么可能没有我什么事,如果你们的评论帖出现了我所看到的漏洞,那么不好意思,我想我就要参战了,呵呵,希望你们不要介意,我们的目的只是大家互相切磋,互相进步而己,我想你们也不愿意看到铁血上只有YY帖,而没有真正有意义,并且可以长大家知识的帖子吧


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其实,爱国与卖国,没有多大的区别,
因为,话都是从人嘴里说的,有时,肛门出现了便密,
屁也会从嘴里出来,
很不幸,我不是在骂人,这种事,还真的会出现,
真的………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2008-07-26 12:10
    
第24楼
发表心情
 以下是引用snowdunk 在第21楼的发言:
甘领道友,如果按原创来说的话,这里面没有几个帖是真正原创的,
因为他们全部来自于书本,杂志,还有各种媒体,而现在的许多原创只是把书本上的知识,
变了一种方式出现在了论坛,其实与剽窃并没有什么区别,
而如果要真正算原创的话,那应该是根据某些自己看到的问题,发表自己的想法与见解,那么才叫真正的原创
很可惜的是,我们好多的小道友,就是连这些“原创”都没有看过,所以在他们眼中,这个原创两个字用起来也不算为过
(一家之言,个人想法,欢迎指正)


呵呵!按照这样只有科学家才能在这里发原创技术帖。这样即使是专业人士也要去闭关几个月才会看得懂。可是为什么科学家要来这里发?人家可以发在专业的学术资料库,搞不好还因此出名了呢!搞不好还得了诺贝尔呢!还有,军事的东西在这里发符合你标准的东西搞不好明天不是被国安请去喝茶,就是被美国CIA把你从人间蒸发了!


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超音速的啮齿动物
2008-07-26 12:42
    
第25楼
发表心情
 以下是引用snowdunk 在第23楼的发言:
 以下是引用甘领 在第22楼的发言:
 以下是引用snowdunk 在第21楼的发言:
楼上的道友,如果按原创来说的话,这里面没有几个帖是真正原创的,
因为他们全部来自于书本,杂志,还有各种媒体,而现在的许多原创只是把书本上的知识,
变了一种方式出现在了论坛,其实与剽窃并没有什么区别,
而如果要真正算原创的话,那应该是根据某些自己看到的问题,发表自己的想法与见解,那么才叫真正的原创
很可惜的是,我们好多的小道友,就是连这些“原创”都没有看过,所以在他们眼中,这个原创两个字用起来也不算为过
(一家之言,个人想法,欢迎指正)


呵呵
人家误会了
不要批评过了!

对不起,道友,可能你才是误会了,我和snjjs,应该是同盟,这里先说一下,如果snjjs与你们进行论战的的话,我想我会和snjjs站在一起的,但是放心,我们不会用脏话来骂人的,只会用道理来说明自己的想法,他是以纯技术帖的方式与你们进行文字反驳,而我会对你们的话语进行评论分析,并且在可能的时候会发文反驳,不过,如果你们只是发纯技术帖,并且如果有思维方面的评论并且不出现什么漏洞的话,那么可能没有我什么事,如果你们的评论帖出现了我所看到的漏洞,那么不好意思,我想我就要参战了,呵呵,希望你们不要介意,我们的目的只是大家互相切磋,互相进步而己,我想你们也不愿意看到铁血上只有YY帖,而没有真正有意义,并且可以长大家知识的帖子吧

行啊
我本来就水平不行
楼主等人是我找来的水平高的
我这个“扫盲教导总队”从来不禁止成员互相辩论
因为辩论能增加帖子知名度,可以发现我们掌握的知识的漏洞,这样能更好的普及军事知识嘛
本来我就是初学者,只是觉得很多比我更初学的人还在大言不惭,于是就挂了这大牌子引你们这些高手出来的!

欢迎你来我的公社挑刺!
也欢迎你加入!
如何?


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2008-07-26 12:52
    
第26楼
发表心情在我认为这种行为叫“吃不到葡萄,就说葡萄酸。”

有本事你也发个技术贴咱大家从你的宝贴上也学到一些知识。

天天除了驳这个就是驳那个,这发个技术贴,都是国际通用标准你驳不成了,就来找[原创]的麻烦。

没发过几个主贴,天天在回复里驳这个驳那个,不晓得你们想要的世界是什么样的。


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昨天你哪去了?