При движении водоизмещающего корабля на границе водного и воздушного полупространства на поверхности жидкости возникают волны, расходящиеся от движущегося корабля.
Причиной возникновения волн является водяной горб, формируемый перед носом судна при его движении.
Максимальная высота водяного горба однозначно определяется скоростным напором жидкости относительно форштевня судна.
При этом максимальный гидростатический напор горба от высоты водного горизонта равен скоростному напору воды от скорости судна:
V^2*q/2=q*g*h
Высота водяного горба не зависит от глубины осадки движущегося судна.
В зависимости от величины осадки судна при постоянной скорости движения будет изменятся не высота водяного горба, а площадь и форма этого горба в плане. Чем шире корпус и чем глубже утоплен корабль ниже ватерлинии, тем шире и длиннее по курсу будет водяной горб.
Идеальной моделью для рассмотрения данного явления может служить буксируемая речная плоскодонная баржа с плоским прямоугольным носом постоянного наклона вперёд по всей ширине корпуса. (см.фото.1-2)
У такой плосконосой баржи водяной горб перед судном будет практически равномерным по всей ширине судна, так как осадка баржи от 0,48м (пустая) до 2,8м (гружёная) много меньше общей ширины корпуса в 16,5м. (см.фото.3-5)
В случае плосконосой плоскодонной баржи картина течения в носовом обводе будет практически одинаковой по всем параллельным сечениям вдоль корпуса. При этом гидростатическое давление водяного горба будет обеспечивать силовое отклонение слоя потока воды под днище с заданной кривизной на некоторой длине вперёд по продольному сечению.
Это позволяет предположить равномерный обход по днищу корпуса вытесняемого по ходу судна объёма воды.
С учётом ограниченной глубины русла реки под форштевнем плосконосой баржи вытесняется плоский поток воды, который должен быть выдавлен под днище с ускорением потока по всему зазору от дна до днища. Это происходит аналогично перетоку между двумя сосудами с разным уровнями воды через плоскую широкую соединительную трубу под действием разности гидростатических давлений.
На краях корпуса, где до борта ближе, чем до днища, вытеснение набегающего потока будет происходить в сторону борта, где также образуется вал воды.
Объём этого вала равен объёму воды отодвинутому с курса корабля в стороны от форштевня. Именно этот отодвигаемый вбок поток, с образующимся водяным валом, как раз и является волной, разбегающейся в стороны от идущего корабля.
Для плоскодонного судна на мелководной реке энергия на единицу объёма ускоренной под днищем воды должна быть не больше энергии гидростатического давления от напора горба воды от скоростного напора на форштевень. Именно это равенство удельных энергий определяет габариты волн перед судном при движении по рекам и каналам различного размера.
Суммарная энергия ускоренной воды таже не должна превышать общую энергию лобового сопротивления (включая волновое сопротивления от горба воды перед форштевнем). Сочетание двух этих уравнений не позволяет прокачать весь объём воды перед движущимся кораблём через узкие зазоры с дном и стенками канала, так как предельная скорость потока ограничена гидростатическим напором.
Предельным случаем является движение баржи по каналу с минимальными зазорами между бортами и днищем до стенок и дна канала. Тогда весь поток воды выдавливается вбока через стену канала, практически оставляя сухим канал позади себя. Именно с этим связано повышенное волнообразование при движении кораблей на мелкой воде и в узких каналах, где возникает большее лобовое сопротивление (включая волновое) из-за более низкого уровня воды за кормой.
Числено сила волнового сопротивления получается интегрированием гидростатического давления горба воды перед носом судна по поперечному сечению судна.
Для надводных судов волновое сопротивление считается неустранимым.
У больших кораблей на высоких скоростях движения буруны достигают феерических размеров и форм (см.фото.7)
При этом у подводных судов (подводные лодки и торпеды) волнового сопротивления нет вообще, так как вода равной плотности полностью окружает движущиеся тела этих судов. В тоже время в надводном положении движущаяся подводная лодка создаёт очень большое волновое сопротивление с высоченным водяным горбом перед носом. (см.фото.8-9)
Глядя на это системное противоречие для надводных и подводных кораблей, можно предположить, что и для надводных судов можно снизить волновое сопротивление с помощью неких дополнительных технических приспособлений.
Зная причину возникновения водяного горба перед форштевнем, и понимая его роль в формировании отходящих водных потоков в бока от судна, то мы не будем бороться с самим горбом. Мы понимаем принципиальную неустранимость водяного горба перед носом водоизмещающего судна на границе раздела сред разной плотности. Но так как существуют режимы движения в воде вовсе без волнового сопротивления, то мы трансформируем ситуацию обтекания носа надводного судна так, что обеспечим почти тождественное обтекания у форштевня надводного судна с носом подводной лодки в подводном положении.
Рассмотрим плоскодонную речную баржу на скорости движения около 10км/ч (при полной загрузке). (см.фото 3. и фото.6)
При этом высота водяного горба перед баржей равна гидродинамическому напору
Р=(10/3,6)^2*1000/2= 3858Па (0,393м.вод.ст.)
У авианосца на скорости около 40км/ч волна перед форштевнем оказывается в 16 раз больше, что превышает высоту 7м (см.фото.7)
И даже у подводной лодки в надводном положении на полном ходу перед носом формируется огромный широкий и высокий многометровый водяной вал (рис.8-9)
Чтобы убрать сопротивление водяного горба достаточно придавить его сверху горизонтальной плитой по всей ширине носа баржи на уровне чуть выше невозмущённой водной поверхности русла канала (реки). (см.Рис.1)
Данная плита примет на себя давление воды от отодвигаемых носом судна водных потоков, при этом не будет возникать горизонтальное давление на форштевень выше уровня невозмущённой воды. Именно такое взаимное отражение силовых реакций отгибаемых водных масс избавляет подводные лодки от волнового сопротивления.
В абсолютных цифрах сопротивление водяного горба по ширине 16м у плосконосой баржи составит:
F волн=16*0,393*3858/2=12130Н (или 1200кгс)
Учитывая тягу буксира около 25тонн при буксировке баржи 3000тонн грузоподъёмности, то данное сопротивление составит около 5% его номинальной мощности.
Интересно, что высота водяного горба будет одинаковой у гружёной и пустой баржи на одинаковой скорости. Геометрическое различие будет в протяжённости (массе) водяного горба перед носом судна: у баржи с полной осадкой 2,8м горб воды будет солидно широким и пологим, а у порожней баржи с малой осадкой 0,48м горб будет узеньким с сильной кривизной.
То есть волновое сопротивление будет одинаково по абсолютному значению для данного вида судна на заданной скорости, но в процентах от общего сопротивления будет сильно отличаться при гружёном и порожнем рейсе.
Так при осадке 2,8м волновое сопротивленние от горба высотой 0,4м составит около
100%*(0,4/2)/2,8= 7% мощности лобового сопротивления (от части ниже ватерлинии).
При осадке 0,48м горб высотой 0,4м создаст дополнительно уже
100%*(0,4/2)/0,48= 41% от лобового сопротивления.
Несложно посчитать экономическую составляющую от снятия такого сопротивления хотя бы на порожнем рейсе, когда водяной горб легко полностью накрыть плитой достаточно малой ширины в 3-5м. Такая плита будет сравнительно лёгкой по весу и простой в эксплуатации, а также дешёвой в изготовлении. Плита будет размещаться целиком под свесом наклонного носа, обнажаемого из воды при малом погружении пустой баржи.
Так на рейсе 1000 км со скоростью 10км/ч и волновым сопротивлением F волн =12130Н общие затраты энергии на преодоление волнового сопротивления составят:
Е=12130 *1000*1000=12130 МДж
Данное количество энергии соответсвует затратам солярки с теплотой сгорания 42МДж/кг в дизельном двигателе с КПД 30% и КПД гребного винта около 50%:
Мдиз = 12130/(42*0,3*0,5)=1925кг
Что при цене судового дизельного топлива 50руб/кг составит сумму
1925*50=96270 руб.
То есть за недельный порожний рейс на 1000км (200км/день) будет получена экономия около 96тыс руб. Такая дополнительна экономия за 2тыс. км порожнего рейса легко окупит изготовление противоволновой стальной плиты шириной 3-5м и длиной 16 м, способной выдержать распределённую вертикальную нагрузку 400кг/м.кв. ( давление 3,8кПа).
Такая плита легко устанавливается под наклонным свесом носа порожней плосконосой баржи (см.рис.1), и также легко убирается (поднимается на верх выше уровня воды или прижимается к плоскому наклонному носу снизу без снятия в затопленном положении).
По своей сути данное противоволновое приспособление носит тот же характер малых экономических улучшений, подобных обтекателям между кабиной и жёстким мебельным кузовом автомобиля "Газель". Эти обтекатели ставят владельцы автомобилей за свой счёт, так как они дают реальную экономию по расходу топлива, способную окупить стоимость обтекателя за короткий срок.
По исполнению плита может быть весьма различной по форме и материалу:
- сварная герметичная коробка из тонкого стального листа (пустотелый тонкостенный понтон),
- собранная из пенопласта треугольнаяй призма с усилением из стальной рамы ( наполненый пенопластом понтон),
- объёмная форма из жестких армированных стальным листом пенопластовых сандвич-панелей (Пустотелый понтон из самоплавающего композитного материала).
Но в любом случае этот прижимной щит должен плавать самостоятельно, чтобы при монтаже к носу баржи у причала не было проблем с креплением и риском его у топить.
В верхней зоне водяного горба возникает встречное течение воды, направленное от форштевня вперёд по ходу течения. Верхняя часть этого течения имеет скорость выше скорости корабля, при этом в нижней подводной часть водяного горба струи отрываются от уходящих вниз под днище потоков и тормозятся о форштевень, отклоняясь вверх в сторону водяного горба.
То ест водяной горб содержит в себе достаточно устойчивый водяной вихрь с осью вращения, расположенной перед форштевнем поперёк курса корабля. В этом вихре верхний приповерхностый слой воды движется в сторону движения корабля со скоростью выше скорости самого корабля. Таким образом, прижимающая этот водяной горб противоволновая плита не будет давать дополнительного сопротивления даже от вязкого трения воды о поверхность плиты, так как относительная скорость движения воды по щиту будет тянуть щит вперёд с дополнительной полезной тягой.
Именно это поверхностное течение от носа судна используют дельфины, когда прыгают из воды перед самым форштевнем корабля (см.Фото.10).
Дельфины разгоняются относительно попутного течения перед форштевнем до очень высоких абсолютных скоростей, которых на спокойной воде они не могут достигнуть никогда из-за собственных физиологических ограничений.
Для больших морских судов метод борьбы с волновым сопротивлением при помощи опускаемых на уровень воды горизонтальных щитов практически не применим, так как противоволновой горизонтальный щит на форштевне просто разрушится под ударами волн при первом же сильном волнении или шторме.
У волнового сопротивления есть и вторая составляющая, а именно : Понижение уровня воды ниже водяного горизонта позади кормы идущего судна. Тут появляется отрицательной давление от обнажённого участка ниже ватерлинии, которое соответствует гидростатическому давлению на носовой проекции в этой подводной зоне. Для компенсации провала водяного уровня позади кормы над винтами применяют противокавитационные доски, располагаемые в зоне непосредственно над винтами, чтобы исключить формирование воронки и засасывания в неё воздуха из атмосферы, который будет препятствовать нормальной работе винтов.
Крайне заметна эта яма за кормой на режиме глиссирования (см.Фото.11), когда вода из под днища вырывается на столь больших скоростях (на самом деле вода неподвижна, а саму воду стремительно проминает катер, проносясь над ней сверху), что кормовая доска (транец) оказывается совершенно сухим в своеобразном водяном желобе из обходящих корпус судна потоков.
Таким образом получается, что прижимной платформой на поверхности воды за кормой корабля можно бороться и с негативным фактором кормового волнового сопротивления.
Вот только на крупных и не очень судах в качестве такой противоволновой- антикавитационной платформы используется полузатопленный кормовой свес самого корпуса судна, под которым располагают ходовой винт и перо руля.
При этом на скошенной подводной части кормы судна избыточное давление в напорной части струи от винта компенсирует разряжение в зоне всасывания перед гребными винтами. Получается что щит для частичного гашения волнового сопротивления у большинства водоизмещающих судов уже есть.