Di bawah angka Froude apa saya dapat mengabaikan hambatan pembuatan gelombang pada kapal?

13

Saya ingin melakukan beberapa perhitungan hambatan yang sangat sederhana pada kapal. Harapan saya adalah bahwa menghitung resistensi gesekan kulit akan cukup untuk mendapatkan perkiraan yang baik dari resistensi lonjakan.

Karena hambatan pembuatan gelombang sangat bergantung pada kecepatan, saya berasumsi Anda dapat mengabaikannya ketika kapal berada di bawah kecepatan tertentu. Saya juga berasumsi bahwa saya harus bekerja dengan nomor Froude daripada kecepatan, untuk memperhitungkan ukuran kapal.

Saya telah melihat angka-angka Froude di bawah Fn = 0,1 dan Fn = 0,2 yang disebutkan dalam buku-buku dan di Internet, tetapi jika Anda menghitung kecepatan kapal dengan garis air 100 m, Anda dapat:

V = 0.1 \cdot \sqrt{9.81 {m/s}^{2} \cdot 100 m} \approx 3.13 m/s \approx 6.08 knot

$V = 0.1 \cdot \sqrt{9.81\ \text{m/s}^2 \cdot 100\ \text{m}} \approx 3.13\ \text{m/s} \approx 6.08\ \text{knots}$

V = 0,2 \cdot \sqrt{9,81 {Nona}^{2} \cdot 100 m} \approx 6.26 Nona \approx 12.16 knot

$V = 0.2 \cdot \sqrt{9.81\ \text{m/s}^2 \cdot 100\ \text{m}} \approx 6.26\ \text{m/s} \approx 12.16\ \text{knots}$

Nilai-nilai ini tampaknya terlalu tinggi menurut saya. 12.16 knot hampir merupakan kecepatan servis untuk beberapa kapal dan 6 knot juga cukup tinggi.

Apakah Fn = 0,1 dan Fn = 0,2 angka yang masuk akal, dan jika tidak, di bawah angka Froude apa saya harus tetap bisa mengabaikan resistensi pembuatan gelombang?

drag marine-engineering

— Mika Sundland
sumber

Saya akan bertanya apa yang membuat resistensi gelombang. en.wikipedia.org/wiki/Wave-making_resistance . Ini adalah energi untuk mendorong air keluar dari jalan dan selalu ada.

— George Herold

4

Intuisi Anda benar, itu tinggi. Namun, Anda harus bergerak sangat lambat agar resistensi pembuat gelombang dapat diabaikan. Dan karena biasanya lebih tinggi daripada gesekan kulit, saya tidak berpikir bahwa Anda secara realistis dapat mengharapkan memiliki gesekan kulit yang signifikan dan resistensi pembuatan gelombang yang dapat diabaikan. Mungkin pendekatan yang disederhanakan yang lebih baik adalah dengan mengabaikan gesekan kulit dan hanya berfokus pada hambatan pembuatan gelombang.

— Olek Wojnar
sumber

3

Apakah ini nomor Froude yang masuk akal atau tidak tergantung pada panjang kapal yang dimaksud. Untuk kapal 100 m ini mungkin tinggi tetapi untuk perahu 5 m ini akan menjadi angka yang cukup rendah.

Rasio kecepatan-ke-panjang adalah faktor kritis yang menentukan pentingnya gesekan kulit dan gelombang. Skala gesekan kulit dengan , sedangkan hambatan gelombang meningkat jauh lebih cepat. Saya belum dapat menemukan formula yang tepat dalam pencarian singkat, saya ingat ingat diberi tahu faktor . Gelombang menyeret menempatkan batas praktis pada kecepatan kapal perpindahan (non-planing) dari . $V^2$ $V^6$ $1.34L$

Untuk rasio kecil kecepatan-panjang gesekan kulit akan dominan, sedangkan untuk rasio besar, gesekan gelombang adalah penting. Sebuah nilai contoh yang saya temukan adalah bahwa gesekan kulit ~ 65% dari total drag pada kecepatan / panjang = 1.

Secara umum kapal besar akan memiliki kecepatan rendah / panjang dan gesekan kulit akan mendominasi. Di sisi lain, kapal perpindahan kecil seperti perahu kecil atau kayak akan memiliki gesekan kulit yang didominasi oleh hambatan gelombang.

— nivag
sumber

2

"Kecepatan lambung" sebenarnya adalah rasio kecepatan terhadap akar kuadrat panjang. Untuk membuat segalanya lebih membingungkan, panjang berada di kaki, dan kecepatan ada di simpul. Begitulah konstanta 1,34 muncul. (ProTip: Jangan pernah membicarakannya lagi!)

Resistensi gelombang ( ) mulai naik dengan cepat pada nomor Froude (Fr) sekitar 0,35. Di bawah Fr, biasanya kecil dibandingkan dengan gesekan kulit dan komponen seret hidrodinamik lainnya. $R_w$ $R_w$

Sekarang, misalnya, biarkan koefisien hambatan gelombang didefinisikan sebagai , di mana adalah kepadatan air, adalah kecepatan kapal, dan adalah permukaan yang dibasahi (statis) area lambung. $C_w = R_w/(0.5 \rho U^2 S)$ $\rho$ $U$ $S$

Di air yang dalam, meningkat kira-kira seperti Fr ke kekuatan ke-6. $C_w$

Angka Froude berbasis kedalaman adalah , di mana adalah percepatan gravitasi, dan adalah kedalaman air. $F_h = U/\sqrt{g h}$ $g$ $h$

Untuk air dengan kedalaman hingga, dapat meningkat hampir seperti Fh ke daya ke-10 seperti . Setelah melalui (nilai kritis) , resistensi gelombang mulai berkurang, dan itu bisa lebih rendah daripada di air yang dalam untuk nomor Froude (Fr) berbasis panjang yang sama. $C_w$ $F_h \rightarrow 1$ $F_h =1$

$F_h < 1$ biasanya disebut sebagai sub-kritis; adalah super-kritis, dan (kira-kira) adalah trans-kritis. $F_h > 1$ $0.9 < F_h < 1.1$

Dalam rezim trans-kritis, lambung kapal juga mengalami kekuatan dan momen yang secara signifikan mengubah sikapnya sehubungan dengan permukaan air bebas yang tidak terganggu. Trim dan heave lambung dikenal sebagai "squat". Fenomena ini sulit diprediksi secara akurat. Ini dapat memiliki beberapa efek pada resistensi tetapi, yang lebih penting, di air dangkal ada juga bahaya kapal mendarat di dasar laut. Ini dapat menyebabkan kerugian besar dalam pendapatan, dan ada juga kematian yang disebabkan oleh fenomena tersebut.

Pola gelombang untuk kedalaman terbatas cukup menarik ...

Ketika memasuki rezim trans-kritis, pola gelombang berubah secara dramatis. Sudut bentuk-V terbuka dan menjadi 90 derajat pada . $F_h$ $F_h = 1$

Untuk kecepatan sub-kritis, gelombang transversal (gelombang tegak lurus terhadap jalur kapal) terlihat jelas. Dalam aliran super-kritis, gelombang transversal menghilang. (Singkatnya, mereka tidak bisa mengikuti kapal).

PENGUNGKAPAN: Pola-pola ini dibuat menggunakan Flotilla program saya (gratis).

Lebih banyak pola dapat ditemukan di:

www.cyberiad.net/wakeimages.htm

— Lysistrata
sumber

1

Anda benar bahwa nomor Froude (Fr) sangat penting untuk ketahanan gelombang.

The jawaban yang diberikan oleh nivag mengenai rasio kecepatan-panjang (juga dikenal sebagai "speed lambung") tidak benar. Batas itu sering dikutip, tetapi adalah mitos bahwa entah bagaimana mustahil bagi lambung perpindahan untuk melampauinya. Kapal dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari yang disiratkan rasio itu, tetapi untuk kapal konvensional, kebutuhan energi biasanya mahal.

$1.34 L$

Selain dari gesekan kulit, Anda juga perlu mempertimbangkan "tarik bentuk". Komponen ini dapat menjadi penting untuk lambung gemuk (yaitu yang memiliki rasio panjang terhadap balok yang kecil, L / B) pada Fr rendah. Sebuah kapal tunda akan memiliki bentuk tarikan yang lebih besar daripada kulit dayung pada Fr yang sama.

Jika lambung memiliki buritan (yaitu cut-off) buritan juga akan ada komponen resistensi yang besar ketika transom tidak berjalan sepenuhnya kering. Dalam hal ini ada banyak eddying, dan kemungkinan pemecah gelombang di belakang buritan di nomor Froude rendah. Pada Fr yang lebih tinggi transom kering, dan hambatan gelombang serta hambatan bentuk jauh lebih rendah.

Jika Anda memberi tahu kami sedikit lebih banyak tentang proporsi utama kapal (mis. Berat, panjang, balok, dan draf perpindahan), kami mungkin dapat menawarkan lebih banyak saran.

Jika lambungnya cukup ramping, katakanlah L / B> 5, Anda dapat mencoba beberapa perangkat lunak gratis untuk memperkirakan resistansi total (viscous + wave). Lihat, misalnya, Michlet dan Flotilla .

Kedalaman air juga dapat mempengaruhi ketahanan gelombang. Dalam hal ini bilangan Froude berbasis kedalaman memainkan peran penting, sangat mirip dengan bilangan Mach dalam aerodinamika. Michlet dan Flotilla akan memungkinkan Anda untuk memvariasikan kedalaman air dan untuk melihat efek pada ketahanan gelombang dan pola gelombang.

— Lysistrata
sumber

Jawaban yang menarik! Saya tidak begitu mengerti bagaimana menggunakan rasio kecepatan-panjang yang Anda diskusikan. Kecepatan / panjang memiliki satuan 1 / waktu dan angka yang Anda berikan (yaitu 1,34 L) memiliki satuan panjang. Apa yang saya lewatkan? Apakah nomor 1.34 memiliki unit? Untuk membuatnya lebih konkret; jika saya memiliki kapal konvensional yang panjangnya 5 meter, berapakah batas kecepatannya dalam satuan m / s?

— Chris Mueller