Componentele rezistentei la inaintare

Rezistenta la inaintare este una dintre cele mai importante calitati de navigatie, de care depinde puterea instalatiei de propulsie.

Asupra unei nave care se deplaseaza cu viteza constanta, v, actioneaza rezultanta fortelor hidro-aerodinamice, R_t. Rezistenta la inaintare a navei este proiectia rezultantei fortelor hidro-aerodinamice care actioneaza asupra navei, pe directia vitezei de deplasare.

Fortele hidro-aerodinamice se datoresc presiunilor si tensiunilor tangentiale care actioneaza pe suprafetele imerse si emerse ale corpului aflat in miscare si sunt influentate de o serie de factori : formele corpului, valoarea vitezei navei, directia curgerii fata de planul diametral, zona de deplasare a navei (la suprafata apei, sau in imersiune, in canale inguste, sau la adancimi limitate), prezenta vantului, valurilor, sau a curentilor marini, acoperirea carenei cu alge si scoici, modificarea asietei si a pescajului, etc.

Rezistenta la inaintare depinde de regimul de deplasare a navei. Daca se defineste numarul Fn_Ñ cu relatia :

, (10.1)

se disting trei zone importante :

daca Fn_Ñ < 1, nava se afla in regim de deplasament (greutatea navei este echilibrata de forta de impingere) ;

daca 1 < Fn_Ñ < 3, nava se afla in regim de tranzitie (are loc o modificare a pescajului si asietei navei) ;

daca Fn_Ñ > 3, nava se afla in regim de glisare (greutatea navei este echilibrata mai ales de forta portanta).

Deoarece rezistenta la inaintare nu poate fi masurata direct, la natura, cunostintele referitoare la componentele rezistentei la inaintare sunt obtinute pe baza testelor pe modele experimentale. Larsson si Baba [25] au furnizat schema generala a descompunerii componentelor hidrodinamice de rezistenta la inaintare (fig. 10.1) pentru un model experimental.

Pe primul nivel (I) este tratata ipoteza Froude, considerandu-se ca rezistenta la inaintare (hidrodinamica) este suma dintre rezistenta de frecare a placii plane echivalente, R_F si rezistenta rezidua, R_r :

. (10.2)

În rezistenta rezidua sunt inglobate toate componentele care depind de numarul Froude (inclusiv componenta de forma a rezistentei de frecare care depinde, de fapt, de numarul Reynolds).

Fig. 10.1 Componentele rezistentei la inaintare pentru un model experimental

În cadrul nivelului II al schemei prezentate in fig. 10.1, rezistenta la inaintare, hidrodinamica, este alcatuita din rezistenta de presiune si rezistenta de frecare a carenei, care inglobeaza si efectul de forma.

Rezistenta de frecare apare ca urmare a influentei vascozitatii fluidului ce conditioneaza adeziunea particolelor sale la suprafata corpului navei si aparitia tensiunilor tangentiale de frecare.

Rezistenta de presiune se datoreaza modificarii distributiei campului de presiune, de-a lungul corpului navei, datorita existentei stratului limita si a fenomenului de desprindere a acestuia, fenomen insotit de aparitia unor sisteme de vartejuri puternice.

Atunci cand un corp se deplaseaza intr-un fluid, un strat subtire de fluid adera la suprafata corpului (viteza relativa fata de corp este nula). La o anumita distanta fata de corp, fluidul ramane in repaos. Variatia vitezei fluidului este foarte mare in apropierea corpului si scade odata cu cresterea distantei fata de corp. Regiunea in care are loc o variatie rapida a vitezei fluidului se numeste strat limita.

În mod practic, grosimea stratului limita este distanta fata de suprafata corpului pana la care viteza fluidului este de cel putin 1% din viteza corpului.

Daca modelul experimental al unei carene ar fi tractat in bazinul de incercari hidrodinamice la mare adancime, rezistenta de val (propriu) ar fi nula, dar rezistenta la inaintare ar fi mai mare decat rezistenta de frecare a carenei, datorita manifestarii partii vascoase a rezistentei de presiune [26]. Suma dintre rezistenta de frecare a carenei si partea vascoasa a rezistentei de presiune R_PV, formeaza rezistenta de vascozitate, R_V, iar ceea ce ramane din rezistenta de presiune se numeste rezistenta de val, R_W.

În consecinta, in ipoteza Hughes prezentata pe nivelul III din diagrama 10.1, rezistenta la inaintare (hidrodinamica) este suma dintre rezistenta de val (propriu), R_W si rezistenta de vascozitate, R_V :

. (10.3)

Rezistenta de presiune vascoasa depinde de formele navei. Navele cu forme pline vor avea o rezistenta de presiune viscoasa mai mare decat navele cu forme subtiri, alungite. Formele navei induc campuri locale de curgere, cu viteze care fluctueaza in raport cu viteza medie. De asemenea si energia pierduta in stratul limita datorita desprinderilor, conduce la o crestere a presiunii in extremitatea pupa in comparatie cu aceea prognozata cu teoria fluidului ideal.

Rezistenta de val (propriu) este o componenta foarte importanta a rezistentei de presiune si reprezinta energia consumata de nava pentru generarea si intretinerea sistemului de valuri proprii, la deplasarea in mediul fluid.

În extremitatea prova a navelor cu forme pline este posibila aparitia fenomenului de spargere a valurilor proprii, care conduce la identificarea unor domenii de curgere turbulenta in dara hidrodinamica de langa corpul navei.

Rezistenta valurilor generate la deplasarea carenei (R_WM) si rezistenta de spargere a valurilor (R_WB) formeaza rezistenta de val (R_W).

În cadrul analizei hidrodinamice a componentelor rezistentei la inaintare, efectuata mai sus, s-a considerat cazul carenei netede (fara rugozitate), fara apendici si suprastructuri.

În continuare, se vor considera doua componente suplimentare ale rezistentei la inaintare : rezistenta apendicilor si rezistenta aerodinamica (care inglobeaza si efectul rugozitatii suprafetelor).

Rezistenta apendicilor se datoreaza carmelor, cavaletilor sau "pantalonilor", aripilor active, chilelor de ruliu, deschiderilor in corpul navei, etc. Rezistenta apendicilor poate conduce la o crestere semnificativa a rezistentei la inaintare in functie de dezvoltarea relativa a apendicilor.

Rezistenta aerodinamica a partii emerse a unei nave care se deplaseaza la viteza de regim, in conditii atmosferice de calm (viteza vantului este nula), poate fi cuprinsa intre 2% . 4% din rezistenta la inaintare, hidrodinamica. Daca nava se deplaseaza pe vant din prova, cu viteza egala cu viteza navei, atunci viteza relativa a vantului se dubleaza, iar rezistenta aerodinamica creste de patru ori.