Влияние мелководья на скорость движения судна.

Критическая скорость.

Сопротивление воды движению судна условно делят на вязкостное и волновое. Влияние мелководья на скорость движения судна заключается в изменении как вязкостного, так и волнового сопротивлений.

Увеличение вязкостного сопротивления на мелководье связано с изменением поля вызванных скоростей. В разделе 11.1 были вкратце описаны причины увеличения скорости потока воды, огибающей корпус судна при движении на мелководье и в канале. А рост скоростного потока, естественно, приводит к росту вязкостного сопротивления.

Рост вязкостного сопротивления сильно зависит от соотношения глубины и осадки судна, что наглядно отражено на графике (рис.111.8), полученном на основании материалов испытаний модели судна .

Рис.11.8 Рост сопротивления судна

Здесь величина R_v / R_{v оо} - есть отношение вязкостных сопротивлений на мелководье и на глубокой воде соответственно.

Еще большее изменение при ограничении глубины претерпевает волновое сопротивление. Как уже упоминалось выше, движущееся судно создает вокруг себя систему поперечных волн и систему расходящихся волн в виде сектора. Из теории волн относительно малой амплитуды известно, что при равных скоростях распространения прогрессивных волн их длина λ на мелкой воде больше, чем на глубокой.

Зависимость между длиной волны от ее скоростью определяется следующим выражением:

(11.17)

Предельной скоростью распространения волн данного типа в условиях мелководья является критическая скорость V_кр, соответствующая числу Фруда по глубине Fr_H ≈ 1, м/с:

(11.18)

Из этого следует, что предельная длина волн данного типа на мелководье зависит от глубины:

(11.19)

Однако, скорость волн, создаваемых движущимся судном, зависит от скорости судна. И поскольку существует зависимость между длиной волны и ее скоростью, то задавая скорость расходящимся волнам судно тем самым задает им и длину.

Исходя из выражения (11.19) получается, что если глубина моря ограничивает предельную длину волн, то этим она задает предельно возможную скорость распространения волн.

По мере приближения скорости судна V_c к критическому значению V_кр (либо увеличение скорости судна, либо уменьшение глубины моря) длины расходящихся волн увеличиваются, что приводит к расширению волнового сектора. Расширяющийся сектор взволнованной поверхности требует все больших энергетических затрат на свое поддержание. И наконец, при V_c ≈ V_кр , когда угол фронта расходящихся волн носовой и кормовой групп с диаметральной плоскостью судна близок к 90^о, происходит сложение поперечных и расходящихся систем волн, образуются две мощные поперечные волны, которые как бы запирают судно.

Поскольку волны достигли предельной длины (и соответственно, предельной скорости) и двигаться быстрее уже не могут, то дальнейшее увеличение мощности, передаваемой на винт, приводит лишь к увеличению амплитуды этих волн, но не дает увеличения скорости судна. Для преодоления этого барьера двигатель должен развить такую мощность, которая бы на глубокой воде соответствовала скорости судна на 5-6 узлов больше, чем эта V_кр

Потерю скорости на мелководье (в %) при плавании в зоне докритических скоростей можно приближенно рассчитать по эмпирической формуле Демина [11.6]:

(11.20)

Значение должно получаться со знаком “минус”, если же получается положительное значение, то потерю скорости считают равной нулю.

После преодоления судном критической скорости поперечные волны им больше не создаются, и остаются лишь расходящиеся волны, что приводит к существенному уменьшению волнового сопротивления.

Мощная поперечная волна, образующаяся при достижении судном скорости, близкой к критической, не подчиняется теории волн относительно малой амплитуды, и скорость ее дальнейшего движения уже не зависит от скорости судна. Эта волна (“спутная волна”) может самостоятельно перемещаться на очень большие расстояния со скоростью, при которой она образовалась. Так академик А.Н.Крылов в книге “Мои воспоминания” описывает случай, когда спутной волной, образовавшейся в 6 милях от берега при прохождении над банкой миноносца “Новик” в 1912 году, был смыт с пристани 6-летний мальчик.