船头上的球鼻首有什么作用,为什么一定要球形?
平时我们看远洋船舶和大型军舰时,经常会看到船首前端底部有一个突出的“大鼻子“,非常引人注目。它叫球鼻艏,英文名“Bulbous Bow ”,就是一个球形的船首。
在军舰上,球鼻艏里面会装重要的声呐设备。在一些大型船舶上,球鼻艏里边还装着侧向推力器和声呐。其实,以上这些只是球鼻艏的副业,它真正的主业是减小阻力。它的大小、尺寸和位置对于舰艇的航速、节能有重大影响。
据说历史上有一艘船在行驶中发生碰撞,使船首部突出来一块儿。大家都以为船体受损速度会降低,到达目的地时间将拖延。可没想到船速反而加快了,最终比预期的时间更早到达,这就是球鼻艏的来历。
二战时期,日本最早在“翔鹤”航空母舰和“大和”号战列舰上使用球鼻艏,提高了战舰速度。球鼻艏的原理是什么呢?
我们知道,船舶在海上行驶时,船首会划破水面将水分子向两边推开,激起一道V形波,分横波和散波。因为开尔文男爵最先对船舶进行数学研究,所以称“开尔文船波”。
螺旋桨产生的推力除了变成船舶航速外,一大部分能量在推开水分子过程中消耗了,这部分海水施加在船身上的阻力便是兴波阻力。
船舶在水面高速航行受到各种阻力,例如:兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力、附体阻力、空气阻力、汹涛阻力、污底阻力等等。其中兴波阻力在总阻力中占比很高。
为了减小兴波阻力,使舰艇航行更快更节省能量,人们便想办法去减小兴波阻力。因为两个波波峰、波谷互相叠加会抵消,所以人们就在船首下方又增加了一个突起的球鼻艏,利用球状部分形成低压,抑制船首波高度。
因为水分子沿船首上行,所以连续船首波的波峰总在船头。通过合理设计,使球鼻艏在船首下方产生一个相位相同但波峰波谷相反的球鼻艏波,与船首波互相干涉抵消,就能达到减小兴波阻力的目的。
▲球鼻艏波与船首波互相干涉抵消
球鼻艏有撞角型、水滴型、梨型、SV型等多种外形,设计不当的球鼻艏反而会增加阻力。
后来,人们发现游轮、集装箱船、军舰等瘦削的船型容易产生开尔文波,而散货船、油轮等丰满船型则没有明显开尔文波。
因为这类船水线宽度大,船首波沿船长传播之前就已经在船头破碎了,水流不连续。丰满船型受“碎波阻力”影响更大,所以散货船和油轮用球鼻艏减小碎波阻力。
当然,船舶航行不是匀速而是在不断变化中,船首波与球鼻艏波两个波波幅大小不完全相同,所以兴波阻力不能完全抵消,但船舶满载时仍能节省10-20%的主机功率。相比之下,以前船舶的直立型船首浪费了不少能量。
▲泰坦尼克号是直立型船首,没有球鼻艏
另外,球鼻艏还有一个重要优点就是减小船舶纵向俯仰程度。许多船球鼻首中有装载压载水的首尖舱,当海况不好船舶纵向俯仰过大时,通过调节首尖舱内的压载水重量,就可以使船舶航行更稳定。
此外,当船舶在北冰洋等海冰水域航行时,船头挤开碎冰,球鼻首能让碎冰以湿润的那面接触船体滑行,达到减小摩擦系数,进而减小摩擦阻力的效果。和风漫谈原创,禁止抄袭。
当然,球鼻艏虽好但不是在所有时间所有环境下都有效,它需要船舶达到一定速度才能形成
足够的相反波形抵消兴波阻力。如果船舶速度太低,那球鼻艏几乎不能形成相反波形,反而在水线以下增大船体总湿表面积,增加摩擦阻力。
对一些经济性要求很高的远洋货轮来说,快速不等于利润反而会增加燃料消耗,所以有些船东会主动降低速度,并将不起作用的球鼻首拆除。
球鼻艏是什么
减少的是兴波阻力,没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波。球鼻艏可以产生一个翻转180°的波,与之抵消。但球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应,否则阻力更大,所以只用远洋海船。球鼻艏的原理
下面用图片清楚的解释下球鼻艏的原理。下图中绿线是船头原来形成的波浪,蓝线(与红线有些交叉,大家仔细看)是球鼻艏形成的波浪,蓝线压制了绿线,两者最后形成了我们看见的波浪——红线的波浪。
结果就是波浪被压制了,减小了兴波阻力,船就更快了。没有球鼻艏(Shǒu)时会在船舷产生波浪形的水波,但球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应,否则阻力更大,所以只用远洋海船。