OTPOR BRODA. efektivna snaga, kw, ukupni otpor, kn, V brzina broda, m / s

Transcription

1 OTPO BODA Svojstvo broda da plovi nekom određenom brzinom pri odabranoj snazi pogonskih strojeva i odgovarajućem propulzoru naziva se pokretljivost. Gibanju broda suprostavljaju se hidrodinamičke i aerodinamičke sile, koje zajednički čine otpor broda. Sila otpora broda, pri nekoj brzini plovidbe, jednaka je sili potrebnoj za teglenje broda istom brzinim. Silu, jednaku i suprotnu otporu, stvara najčešće neki propulzor, a nazivamo je porivna sila. Pri gibanju broda pojavljuju se dvije dinamičke sile, sila otpora i porivna sila, koje su predmet istraživanja dvije posebne znanstvene disipline Teorije broda, Otpora broda i Propulzije broda. Brod u plovidbi izaziva poremećaje u svom okolišu, vodi i zraku. Masa vode i zraka opiru se njegovu gibanju. Otpor broda je sila kojom se sredina suprostavlja pravortnom teglenju broda jednolikom brzinom. Drugim riječima, otpor broda je sila teglenja, odnosno sila potrebna za održavanje jednolike brzine plovidbe bez korištenja propulzora. Naime, propulzori povećavaju ukupni otpor broda tako da je otpor broda kojeg pokreće propulzor veći od otpora broda koji je tegljen. Ako na podvodnom dijelu trupa nema nikakvih privjesaka onda se govori o otporu golog trupa. Snaga potrebna za savladavanje ovoga otpora naziva se efektivnom snogom ili snagom teglenja i izražava se sljedećom jednadžbom: P E T s P E T V s efektivna snaga, kw, ukupni otpor, kn, V brzina broda, m / s Ukupni otpor sastoji se od nekoliko komponenti čiji su uzroi vrlo raznoliki, međutim uzajamno djelovanje pojedinih komponenti ukupnog otpora predstavlja vrlo kompleksan program.

2 OSNOVNE KOMPONENTE OTPOA, prema [1] Osnovne komponente otpora broda: - geometrija broda, - brzina gibanja broda, (v) - svojstva vode, (ρ, μ) - ubrzanje zemljine sile teža (g). t = f ( geometrije tijela, v, ρ, μ, g ) 1 T T ( geometrija tijela, n, Fn ) V S CT - koefiijent ukupnog otpora broda, ovisan o geometriji broda, n, F n. 1 T T ( n, Fn ) V S S oplakana površina brodskog trupa Fizikalna priroda sila koje čine otpor vode je različita. Jedne se javljaju kao posljedia viskoznosti tekućine (unutarnjeg trenje), a druga kao posljedia mase tekućine i gravitaije.

3 Promatranjem broda koji plovi (giba se kroz tekućinu) mogu se uočiti dvije karakteristike strujanja vode (the flow) oko trupa: - valna slika (wave pattern), - područje nepravilnog (turbulentnog) strujanja iza trupa broda (wake) sustrujanje. Izvor: [1] Obje ove karakteristike strujanja apsobriraju energiju koju stvara brod - time one predstavljaju silu koja se suprotstavlja gibanju broda. - normalnih naprezanja (dinamičkog tlaka), p, stvarajući silu (rezultanta) u uzdužnom smjeru i suprotnu smjeru napredovanja, - tangijalnih (smična) naprezanja na uronjeni dio broda, τ uslijed viskoziteta, s rezultirajućom silom također suprotnog smjera u odnosu na smjer gibanja.

4 Na element površine ds djeluju dvije elementarne hidrodinamičke sile. One nastaju od tangenijalnih naprzanja na površini i normalnog tlaka na površinu p. Tagenijalna elementarna sila jednaka je τ ds. Silu dobijemo sumiranjem svih elementarnih tangenijalnih sila na pravu gibanja broda nazivamo otpor trenja f. Normalna elementarna sila tlaka na uronjenu površinu je p ds. Suma svih elementarnih sila tlaka na prava gibanja broda čini komponentu otpora koja se naziva otpor tlaka p. Tlakovi su neravnomjerno raspodjeljeni po površini trupa, na pramčanom dijelu su veći nego na krmenom, pa iz te razlike i nastaje otpor tlaka. Otpor tlaka se dijeli prema vidljivim pojavama na otpor virova v i otpor valova w. Otpor virova nastaje djelomično kao poslijedia forme a djelomično, kao i otpor trenja, zbog viskoznosti vode, a otpor valova poslijedia je djelovanja gravitaije. Sile na podvodnu površinu broda [1]

5 Valovi nastaju gibanjem broda na površini ili u blizini površine vode zbog promjene hidrodinamičkog tlaka uzduž broda nastalog uslijed strujanja vode zbog djelovanja gravitaije. Nastali valovi i sami mijenjaju raspodjelu tlaka duž broda. Ukupna sila otpora vode se sastoji od tri kompomente: otpora trenja, otpora virova i otpora valova. T V f w T f P Ako je tijelo koje se giba u tekućini duboko uronjeno ono ne stvara valove na površini, pa je otpor valova jednak nuli. U tom slučaju otpor vode sastoji se od otpora trenja i otpora virova. Brod se giba na granii dvaju medija, voda i zrak. Nadvodni se dio giba u zraku koji, kao i voda, pruža otpor gibanju broda. Na površini nadvodnog dijela nastaju aerodinamičke sile. One su kao hidrodinamičke, neravnomjerno raspoređene po površini. Otpor zraka z se sastoji fizikalno od istih komponenata kao i otpor vode, od kojih su značajne otpor forme i trenja. T V W V viskozni otpor, W otpor potenijalnog strujanja (otpor valova).

6 1 ( ) 1 ( ) V V n V S W W Fn V S Otpor valova se očituje u stvaranju valova na površini tekućine. Kako su valovi na površini gravitaijska pojava, iako uzrokovani promjenom tlaka u tekućini, oni nastaju zbog mase tekućine u gravitaijskom polju tada je otpor valova funkija drugog bezdimenzionalnog broja kojeg nazivamo Froude-ov broj. Brod također ima niz privjesaka ili izdanaka na svom podvodnom djelu trupa, kao što su kormila, propeleri, ljuljne kobilie, skrokovi osovina nogavie i dr., čiji otpor kojeg nazivamo otpor izdanaka i treba posebno pribrojiti otporu vode. Ukupni otpor broda može se izraziti kao suma svih komponenata otpora: T V W f i z P PV W 1 (, ) 1 ( ) P P n Fn V S PV PV n V S 1 ( ) W W Fn V S

7 Otpor tlaka P dijeli se na otpor tlaka od viskoznih učinaka u graničnom sloju PV (otpor oblika) i otpora od promjene tlaka nastale zbog gubitaka energije utrošene na stvaranje brodskih valnih sustava W (otpor valova). Otpor trenja i otpor forme, kao posljedia viskoznosti, čije se postojanje očituje u pojavi graničnog sloja vode uz površinu trupa i virova iza broda, mogu se zbrojiti zajedno u viskoznu komponentu otpora vode. V f PV f otpor trenja, PV otpor forme. 1 1 V F ( n ) V S PV ( n ) V S 1 V F ( n ) PV ( n ) V S 1 V V ( n ) V S ( ) ( ) ( ) V n F n PV n T F ( n ) PV ( n ) W ( Fn ) V S T F ( n ) PV ( n ) W ( Fn ) A V S 1 1

8 Otpor stvarnog broda bit će veći zbog hrapavosti, obrastanja i tzv. dodatnih otpora: otpor privjesaka ili izdanaka na trupu, otpor zraka, otpor od valova na moru i drugi otpori mogući u određenim okolnostima plovidbe. Preiznija i znanstveno točnija analiza otpora zahtjeva nešto drugačiju raščlambu. Tako se postupno prelazi na raščlambu koju predlaže Konferenija bazena za ispitivanje brodskih modela (ITTC 1978), ukupan otpor je: T T V S 0 1 A dodatak na pokusnu plovidbu AA koefiijent otpora zraka s BD koefiijent urona krme TA koefiijent privjesaka s m mod el, s brod, S oplakana površina T F F 1 K 0 A AA BD m s s TAs T koefiijent ukupnog otpora koefiijent preosta log otpora m F koefiijent trenja s F koefiijent dodatka na hrapavost K faktor oblika

9 ITTC PODJELA OTPOA NA KOMPONENTE Sljedeću podjelu otpora na komponente je dao ITTC (Internaonal Towing Tank Conferene).

10 Otpor trenja F (fritional resistane): otpor trenja je komponenta otpora dobiva ako se zbroje sve tangenijalne sile, preko ijele oplakane površine broda u pravu suprotnom od gibanja broda. Preostali otpor (residuary resistane): preostali otpor je sila kada se od ukupnog otpora trupa odbije izračunati otpro trenja s nekom određenom formulaijom. To je obično trenja ekvivalentne 'ploče' (ploča koja ima duljinu broda, a površinu jednaku oplakanoj površini broda). Viskozni otpor V (visous resistane): viskozni otpor je komponenta otpora vezana za energiju koja je potrošena zbog viskoznih efekata. Otpor tlaka P (pressure resistane): otpor tlaka je komponenta otpora dobivena integriranjem normalne sile preko oplakane površine broda u smjeru gibanja broda. Viskozni otpor tlaka PV (visous pressure resistane): viskozni otpor tlaka je komponenta otpora koja se dobije integriranjem komponenti normalne sile zbog viskoznosti i turbulenije. Ova komponenta se ne može direktno mjeriti osim za tijelo duboko uronjeno u tekućinu, gdje je jednako otporu tlaka (ova komponenta se često naziva i otpor forme). Otpor stvaranja valova W (wave making resistane): otpor stvaranja valova je komponenta otpora vezana za potrošenu energiju za stvaranje gravitaijskih valova (ova komponenta sadrži otpor lomljenja valova i otpor slike vala). Otpor slike vala WP (wave pattern resistane): otpor slike vala je komponenta otpora, koja se dobije mjerenjem valovite površine daleko iza broda ili modela, uz pretpostavku da se donje površine polja brzine i količina gibanja tekućine može direktno usporediti sa slikom vala pomoću linearne teorije. Tako dobiveni otpor ne uključuje otpor lomljenja valova.

11 Otpor lomljenja valova WB (wave breaking resistane): otpor lomljenja valova je komponenta otpora vezana za lomljenje vala na samom pramu broda (posebno kod brodova s punim pramem). Otpor vodene prašine S (spray resistane): otpor vodene prašine je komponenta otpora vezana za potrošak energije za generiranje vodene površne (kod brodova velike brzine i brzih čamaa). DODATNE KOMPONENTE OTPOA Otpor izdanaka i otvora A (appendage resistane): to je otpor nogavia, skrokova, osovina, ljuljnih kobilia, kormila, otvora za bočne vijke itd. pri korištenju fizičkih modela izdani i otvori su često na modelu pa su uključeni u izmjereni otpor. Obično se ljuljne kobilie ne stavljaju na model. Ako na modelu nema izdanaka, onda se otpor naziva otpor golog trupa. Otpor hrapavosti oplate H (roughness resistane): to je otpor hrapavosti oplate kao korozija oplate ili obraštanje oplate. Otpor zraka i vjetra AA (air resistane): to je otpor nadvodnog dijela broda, trupa i nadgrađa, zbog gibanja dijela broda kroz zrak i vjetar. Otpor kormilarenja ST (steering resistane): da bi zadržali brod na ravnom kursu, općenito je potrebno upotrebljavati kormilo za korekiju putanje. Upotreba kormila uzrokuje dodatni otpor koji se zove otpor kormilarenja.

12 OTPO ZBOG UTJECAJA OKOLINE Ograničena voda (pod ograničenom vodom misli se obično na ograničenje plovnog puta u horizontalnom smjeru, npr. kanal). Plitka voda (shallow water) - analogno prethodnom pojmu pod plitkom vodom podrazumijevamo ograničenje plovnog puta u vertikalnom smjeru). Kad se uspoređuju hidrodinamičke značajke brodova onda se misli na značajke u neograničenoj vodi po duljini, širini i dubini. Međutim kad brod plovi u službi otpor će se, najčešće, povećati zbog sljedećih razloga: - vjetra koji djeluje na nadvodni dio trupa i nadgrađe, - povećanje otpora zbog gibanja na valovima, - povećanje otpora zbog odbijanja valova o trup broda (difrakioni otpor otpor difrakije valova), - povećanje otpora zbog zaošijanja broda (drift angle) uzrokovanog vjetrom, valovima i gibanjem kormila. Otpor stvaranja valova (Wave-making resistane) nastaje uslijed djelovanja normalnih dinamičkih tlakova/naprezanja (zbog formiranja sustava valova na površini mirne vode koji su posljedia promjena hidrodinamičkog tlaka uzduž brodskog trupa bitan kod površinskih brodova, posebno brzih, zanemariv kod potpuno uronjenih tijela npr. podmornia. Otpor trenja (Fritional resistane) nastaje zbog viskoziteta vode (kretanja broda kroz viskozan fluid), tj. uslijed tangenijalnih naprezanja. Zbog gradijenta brzine i visoziteta okomitog na trup dolazi do 'povlačenja' mase vode s brodom energija utrošena na povlačenje mase vode s brodom je rad broda protiv otpora trenja.

13 Otpor vrtloženja - virova (Eddy making resistane) uslijed normalnih tlakova na trup, ali zbog viskoznosti fluida. Javlja se odvajanje strujanja (flow separation) i stvaraju se virovi (eddies, vorties) koji mijenjaju polje brzina a time i polje norm.tlakova na trup. Otpor zraka uslijed kretanja nadvodnog dijela broda zrakom. Speifični otpor (koefiijent otpora) deplasmanskog površinskog broda [3]

14 astavljanje otpora na komponente moguće je razmatranjem sila (loal fores ating on hull) ili rasipanja energije (energy dissipation). Podjela otpora na komponente praksa: Ukupna sila suprotna smjeru gibanja zove se otpor broda (resistane ili drag). Komponente otpora od najvećeg interesa su posljedia djelovanja dviju sila: normalni dinamički tlak i tangenijalna naprezanja na površinu trupa. Ukratko, otpor broda je SILA s kojom tekućina djeluje na brod suprotno od smjera gibanja broda.

15 FOUDEOVA PODJELA OTPOA Uveo je pojam preostalog otpora. ' T F preostali otpor, F ' otpor trenja brodu odgovarajuće ravne ploče. Odgovarajuća ploča je tanka ravna ploča koja ima jednaku površinu i duljinu kao vodom oplakivani dio trupa i giba se kroz vodu brzinom jednakom brzini broda. Otpor trenja F Froude je određivao na osnovu otpora trenja ekvivalentne ravne ploče s dodatkom za hrapavost broda. Preostali otpor određivao je tegljenjem modela broda u bazenu. ' W V F ' ' F F F dio otpora kao posljedia zakrivljenosti površine trupa broda ' F f n otpor trenja ekvivalentne ravne ploče ' T F n F n - V S prema Froude ovoj podjeli 1

16 Ukupni otpor T0 Otpor trenja odgovarajuće ploče F Preostali otpor Δ F = F - F ' Otpor trenja trupa Otpor tlaka P Otpor viskoznog tlaka Otpor oblika PV Viskozni otpor v Otpor valova W Ukupni otpor T0 Froudeova podjela otpora broda (trup) [1]