船舶快速性(船舶交通術語)

船舶快速性是指船舶在一定主機功率下以較快速度航行的性能。船舶航行時，主要受到水阻力的影響。航速越大，所受到的水阻力越大。船舶主機就是通過推進器產生的推力來克服阻力而使船舶前進的，主機效率是影響船舶快速性進而影響船舶營運效率的一個重要性能。

基本介紹

• 中文名：船舶快速性
• 外文名：ship speed and resistance
• 定義：一定功率下以較快速度航行的性能
• 學科：船舶工程
• 意義：影響船舶營運效率的一個重要性能
• 影響因素：受到的阻力和船舶推進裝置的效率

基本定義

船舶快速行駛的性能。一般是在一定主機功率下，於靜水中作直線行駛時通過測試和比較給以評定。快速性是船舶重要性能之一，其直接影響船舶的營運效率。這一性能的優劣主要決定於影響船舶行駛阻力的船型和船舶推進裝置的效率。船舶快速性的獲得可以通過兩種渠道。一條是減小船舶的阻力，另一條是提高推進效率。在相同主機功率、相同推進效率和相同推力作用下，船舶阻力越大則航速越低。而在船舶阻力一定的情況下，主機功率越大、，推進效率越高和推力越大時航速也越大。

影響因素

船舶快速性取決於兩個因素：船舶前進時受到的阻力和船舶推進裝置的效率。

阻力因素

船舶運動時，船體的水線下部分浸入水中，其餘部分則處在空氣中。因此，船舶運動時受的總阻力包括水阻力和空氣阻力。由於水的密度遠大於空氣的密度，因此水阻力是主要阻力。水阻力按產生的原因，可分為粘性阻力和興波阻力。

1、粘性阻力

由於水的粘性作用引起的阻力，包括摩擦阻力和旋渦阻力。摩擦阻力產生於水對於船體表面的粘附作用，在船舶總阻力中所占比重最大。摩擦阻力對低速船可占總阻力的80%；對高速船也要占50%左右。減小摩擦阻力的途徑是縮短船長、減小浸水表面積和提高船體的表面光潔度。旋渦阻力又稱形狀阻力或粘性壓差阻力，它是水流經船體表面時因粘性引起首尾的壓力差而形成的，其值同船體尤其是船體尾部的形狀有關。如尾部線型過於豐滿，就容易產生旋渦，增加旋渦阻力。減小旋渦阻力的途徑是加大船舶長寬比和採用流線型船體。

2、興波阻力

是船舶航行時興起的重力波引起的阻力，對高速船特別重要，其大小取決於船的航速及長度。它們的關係可用弗勞德數Fr表示：

式中v為航速（米/秒）；g為重力加速度（米/秒2）；L為船長（米）。如果Fr大於0.35，興波阻力即超過摩擦阻力而居主要地位，但一般運輸船舶的弗勞德數都在0.35以下。減小興波阻力的主要途徑是改進船型及改變航行方式。通過系列船模試驗研究，現在可以得到興波阻力較小的船型及合理的船舶主尺度比和船型係數。船舶航行時興起的波浪一般有首波和尾波二個波系。如果船型選擇適當，可以使二個波系產生有利干擾，而使興波阻力減少，如在船首設一球鼻也可產生附加波系；使波的干擾有利興波阻力減小。船舶若能脫離水面騰空航行或潛水航行，則可避免波浪的產生及不產生興波阻力。

3．渦流阻力

渦流阻力是由於船尾產生的渦流所引起的。因其與船形有關，所以又稱為形狀阻力。渦流阻力主要與船舶水下部分形狀及航速有關。速度一定時，形狀起著決定性作用。有良好線型的船體，流體質點能順利地流到尾部，流線順暢不亂，就不致產生渦流或僅產生較小渦流，因此渦流阻力就小。此外，隨著船體長寬比增加，渦流阻力也會減小。

推進效率因素

為了使船舶能以一定的速度向前行進，必須有一個與阻力大小相等、方向相反的推力。這個推力通常是依靠推進器推水向後而產生的。最常見的推進器是裝在船尾部水下的螺旋槳。由於螺旋槳工作時會使一部分水流產生向後和旋轉的運動，因而要耗去一部分功率，使螺旋槳的效率在理論上不可能接近1，同時由於螺旋槳是在船尾複雜的流場中工作，受到不均勻水流的影響，使效率更低。螺旋槳高速運轉時，槳葉上水流壓力下降，當下降到水的汽化壓力時，水就變成汽，形成氣泡，效率進一步下降，使推進效率很低。因此，對船舶推進的研究很為迫切。既要對螺旋槳本身的工作情況進行理論探討和科學實驗，又要分析螺旋槳在船尾水流中的具體工作條件，研究船體對螺旋槳的影響，這樣才能設計出接近於理想的螺旋槳，使船舶獲得儘可能高的推進效率。

快速性良好的船舶，除應具有優秀的船型使航行時產生的阻力最小以外，還必須具有良好的推進性能，使主機的功率得到充分利用。研究船舶快速性的方法有理論分析、船模試驗和實船測試等三種。其中船模試驗仍是目前獲得船舶快速性資料的主要手段。

發展趨勢及成果

1、國內外技術水平現狀及發展趨向

船舶快速性是船舶流體力學學科中最老的一個分支。目前，在實驗研究方面，巨觀的測試技術已經比較成熟，加上科研人員的經驗，其結果已能較好地解決大多數實際工程問題。現在的趨勢是向微觀測試技術發展和細化性能指標的測試；在理論研究方面，雖有較長歷史，並也獲得了許多有效方法，但由於船型幾何的複雜性和湍流計算的困難，大多數方法存在較大局限性；興波和粘性阻力，流場特徵和船體與螺旋槳的干擾計算等基礎性的研究也未能達到真正實用的水平。目前的發展趨向是在巨型計算機上直接求解真實流體的基本方程，以提高解的精度和真實性，但迄今尚未看到肯定的希望；在經驗研究方面，由於積累的數據相對於其它性能還比較多，再加上複雜的統計方法能在計算機上運行，故實用方法越來越多且也越來越精細。今後的努力方向主要是資料庫技術及其套用，很明顯，積累的數據越多，數據管理越科學，其結果就越實用，越精細，這條道路是解決實際工程問題的捷徑。

2．國內外近期科研成果

在船舶快速性的實驗研究方面，近期的努力側重於流態顯示和流場測量等微觀測量技術，在國外取得了明顯的成果。雷射測量技術和計算機技術的聯合套用，不僅獲得了船體周圍以及船體與附體交接部等複雜流動區域的流動圖案，而且從定性觀測開始向定量分析過渡。目前，低雷諾數下的顯示技術成果倍出，旋渦、二次流等複雜流動現象已能清晰展示，但最實用的高雷諾流動的顯示尚未找到任何方法，仍只能藉助於細微流場的測量和分析進行研究。熱線、熱膜流速儀和雷射測速儀是近代流場測量的基本手段。目前，湍流平均速度、脈動、雷諾應力等測量成果甚多，為理論計算提供依據和校核標準，但在物理模型的改造方面，特別是對近壁流動和角隅流動等的湍流模式的建立，未見突出成果。國內畦微觀測量方面的研究僅處於起步階段，建立了突出體、孔穴等非常規性的測力手段，使艦船快速性試驗更加細化。

在理論研究方面，國外近期的工作側重於流場計算，通過巨型計算機求解粘性流動的雷諾方程，研究複雜、耗資甚大，但進展不快，其成果的實用性與相對簡單的邊界層理論相比並未取得明顯的改善。目前在三元船體尾部流場、船體與附體或船體與螺旋槳的干擾流場儀及考慮自由液面影響的粘性流動計算等方面都取得了成果，或者說是得到了一些定性的結果，但因物理模型方面的進展遠不如數學方法，大多數結果的普遍適用性差，還未達到實用的程式，即使是經典的興波阻力和粘性阻力研究，近期也未取得明顯的成果，國內這方面的理論研究屬跟蹤階段。