目的就是使船利益最大化。他们的其中一个卓有成效的成果，即装在船首水下部 分的球鼻。球鼻的作用是产生能抵消普通船首波的波。
像舵和支撑螺旋桨轴的轴支架的附体产生的漩涡阻力，通常对阻止船舶前行 的阻力的影响很小。如果可能的话，将附体做成水翼形并合理定位，使经过水翼 的水流有小的攻角，从而产生最小漩涡阻力。
与水动力学阻力相比而言，通常几乎不考虑空气动力足额阻力。大多数情况 下，空气阻力对总阻力的影响很小。有时候空气阻力不小，正如一阵特别强的风 逆着船首吹过一样，结果是风波导致船速降低。由风导致的船速的降低可能没有 引起人注意。改变甲板室表面的曲度和坡度是设计空气阻力最小化船的唯一方法。
第九课 螺旋桨和推进系统
翻译人员：
9.1 引言
第一次尝试使用机械力来推进船舶是在实验中进行的，而且实验成功时间往 往早于其通常受到人们重视的时间。随着对不可靠、不精确的风帆力研究的不断 失败，人们从很久以前就开始寻求其他方式来推进水中的船。除了使用桨和人工 橹外，很明显基督以前的罗马人还使用明轮船（使用牛作为动力）来向西西里岛 输送士兵。似乎东方人早在 7 世纪就使用了明轮，而且当然，莱昂纳多 ??达 ??芬奇 设计了很多用来推进船的机械装置。
但是，在经过很多次失败，实际意义上的机械推进装置才姗姗到来，它通过 蒸汽机中的能量转换来获取动力。很难说出这种推进装置首先在哪里、何时试验 成功的，但是记录了 1783 年，在法国里昂，一艘长 148 英尺、类似驳船、装有 能够推动船侧明轮的水平双向作用的蒸汽气缸的船，逆着罗纳河的水流前行。贴 切地桨这艘船取名为 Pyroscaphe。它的发明设计者，Claude de Jouffroy D'Abbans，被普遍誉为船舶蒸汽动力推进应用的创始人。早在 1785 年，美国的 John Fitch of Philadelphia 就建造并成功试验了蒸汽动力船，而且他被认为 是建造了第一艘商业化蒸汽船。1790 年，他的蒸汽船，?Experiment?号，开始 在 Philadelphia 至 Trenton 间以固定的航班运送乘客。但是他的船不是用明轮 来驱动的。该船的 18 英寸单缸发动机及火水管锅炉驱动船尾部三条?鸭腿?桨， 使 60 英尺长的船以 8 节航速移动。1787 年，James Rumsey of Berkley Spring， Virginia，制造出了以喷水（推进）管作为推进器的蒸汽船。制造该船的初衷是 用作波托马可河的轮渡服务，但是由于公众的反对导致它被禁航，那时它的设计 航速大约为 4.5 节。
我们会发现一个很有趣的事实：早期的这些发明成果中推进装置是各不相同 的。在阿基米德的螺旋桨推进器分别被 John Ericsson 成功地应用于美国海军及 被 Francis Petit Smith 应用于英国皇家舰队的半个世纪之前，明轮，机械橹及 喷水管某种程度上都取得成功。这两个人都取得了螺旋桨推进器专利，并都成功 地声明了螺旋桨对明轮的优势。螺旋桨受吃水变化及剧烈摇荡的影响较小，对梁 的要求不高，能够受到很好地保护，并且在使用高效的主机的情况下能以相对很 高的速度运行。1845 年英国海军赞助了蒸汽舰艇 Rattler 号与其姊妹船 Alecto 号间的著名 ?拔河比赛?，其中前者靠螺旋桨推进，后者尺寸和动力系统相对较 小及靠桨驱动。虽然 Alecto 优先拖着 Rattler 的船尾以 2 节速度前进，但是 5
分钟后 Rattler 号停止了后退并且成功地拖着 Alecto 号以 2.8 节速度返回（布 朗 1977 年）。虽然，假如 Alecto 号有与 Rattler 号同等的功率的话，Alecto 号 可能已经赢得了部分比赛，这个比赛是实验的一部分，但是螺旋桨推进器反对者 的嚣张气焰熄灭了，舰艇推进器经常使用螺旋桨。
现在已经诞生了很多船舶推进装置。特殊的、低效率的推进装置相继被制造 出来，使用过，然后抛弃了。十九世纪中叶明轮成功应用在西方及很多其他蒸汽 船上，但是现在明轮作为一种开放的海洋船舶推进系统已经很罕见了。但是，明 轮仍旧被一些边远地区的内河船及特种船所使用，当然它已经结束了它的黄金时 代。Fitch 的滑行橹从来没人再使用过。最近，喷水管获得了重生，人们开始越 来越关注使用它了（这章的后面将讨论到它）。海洋多叶螺旋桨是现代船舶的最 基本的推进装置。 9.2 推进装置
下面以四个范畴分组当今使用的成功的推进装置： 1.螺旋桨推进器 a)固定螺距螺旋桨 b)可调螺距螺旋桨 c)可控螺距螺旋桨
d)在隧道或套筒护罩中运转的螺旋桨（导管螺旋桨） e)对转螺旋桨
2.明轮，侧面或尾部装有固定或与水面平行的桨叶 3.喷水推进器 a)浸没式喷口喷水管 b)水面式喷口喷水管
4.直叶（摆线）推进器 螺旋桨 由于螺旋桨推进器（从今以后就以螺旋桨作为用最常用的表达方式）是使用 a)正摆线推进器 范围最广的推进器，将最详细地讨论。也将含盖一些适用于其他类型推进器的基 b)外摆线直翼式推进器
本推进理论。 下面的段落将分别讨论以上这些类型的推进器。
一般首先说明螺旋桨本身及其一些相关术语及定义，是非常有用的。一个螺 旋桨至少有两个从桨毂中伸出来的桨叶，且桨毂被键入桨轴及由桨轴驱动。现在 所使用的海工螺旋桨有三种基本类型。固定螺距螺旋桨的桨叶与桨毂紧密相连或 者说桨叶被闩在桨毂上。对于这种螺旋桨，桨叶相对桨毂的位置不可改变，但是 在对一些桨叶进行螺栓固定时会对其位置做一些细小的调整。可调螺距螺旋桨的 桨叶能够在螺旋桨停止运行时被调整到不同的螺距值。可控螺距螺旋桨上安装有 能够随时调整桨叶与桨毂间距的机械装置。下面将讨论图 9.1 中的固定螺距三叶 桨。
当船向前航行时，右旋进桨指的就是从船尾（朝船尾看时逆时针旋转，如图 9.1）看时螺旋桨正时针旋转。当船向前航行时，左旋进桨指从船尾看去桨逆时 针旋转。
船舶向前航行时，受力面是背面。 桨叶面抽吸叶背是与受力面相反的面。
叶稍是离桨轴最远的点。
桨叶导边是船舶向前航行时桨叶上最先与水接触的边缘。 随边或尾边是与导边相反的边缘。
直径是桨轴与叶稍垂直间距的两倍，或者说直径由叶稍来表示。
螺旋面由一条与轴成一定角度的直线（母线）产生的面，该轴通过母线的一 端，母线以恒定的角速度绕轴旋转且以恒定的线速度沿着轴前进。简言之，压力 面是螺旋面的一部分，其中螺旋面轴沿着桨轴方向。任何机螺丝的螺纹都是螺旋 面。
桨叶上任何点的螺距等于当通过该点的螺旋面的母线旋转 360 度时，该点相 对于桨轴平行移动的距离。 9.1 中点 C 的螺距是母线旋转一周，改点平行移动图 的距离 FE 。若压力面是螺旋面，那么压力面上的所有点的螺距都相等，而且螺 旋桨是定螺距的，或是有相同螺距。可以从图 9.2 中发现叶元剖面上的任何点都 与点 C 有相同的螺距。由于它是定螺距螺旋桨，另一桨叶上的任一点都与点 C 有 相同的螺距。若螺距从导边至随边方向上逐渐增大，那么就说螺距轴向增加。若 螺距从桨毂至叶稍方向上逐渐增大，那么就说螺距径向增加。若桨叶上的所有点 的螺距都不同，那么压力面就不是螺旋面。
变螺距螺旋桨设计理论是一个特殊的、专门化的变化过程。为了简述这种设 计目的，这里详细说明（1）当导边与随边方向上的螺距不同时，螺旋桨适用于 航速变化较大的船，（2）当桨毂与叶稍方向上的螺距不同时，螺旋桨周围的尾流 课外阅读 速度不同。前者的变化扩大了效率范围，而后者的变化增加了最大效率。 螺旋桨作用
已经提出了各种不同的理论来解释螺旋桨工作过程中所遇到的问题。环流理
论能最好地解释这种现象。简单地讨论一下叶面上相关的力，例如图 9.1 中的力。 叶面以速度 vr 沿着直线 CD 前进，其中 vr 是旋转速度 2 ??rn 与轴向进速 v A 的矢量 和。类似机翼一样，桨叶面以攻角 ?FCD 运转。当将像螺旋桨叶面一样的非对称 物体置于平行流动流体中时，将会扰乱流动的对称性。环流理论表明，这种新的 非对称流动能够被通过桨叶面的平行水流中的逆时针循环流动表示。循环流动和 平行流动的矢量和将在桨叶片抽吸叶背上产生高速流动区域。速度与环流强度成 正比。
由伯努利定律的应用可知，高速区意味着低压，反之亦然。很明显，桨叶背 面或压力面的低速增加了其表面上及附近处的水压力，给予了（桨叶）正推力。 桨叶反面或抽吸叶背处的高速流动造成了其表面分布负压，可能导致了与压力面 的压力差相当大。总之，桨叶两面的压力差解释了水速增加及所有桨叶上拉力或 前推力产生的原因，因此得到了总推力 T 。与桨轴成直角的推力分力就是产生扭 矩 Q 的力。
压力面及抽吸叶背上从导边至随边方向上的压力分布不均匀。抽吸叶背上的 压力减少量大于压力面上压力增加量，这表明大部分螺旋桨推力是由桨叶片抽吸 叶背提供的。 空泡
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螺旋桨以相对较高的速度运转时，若抽吸叶背上的绝对压力的最小值低于水 的汽化压力，那么就会形成能够扰乱流动及螺旋桨效率的汽化阱或空腔。这种名 为空泡现象通常首先发生在稍涡处。若将夜表面的汽化阱破碎，那么就会腐蚀其 表面，而且会产生噪音。生成的空泡会导致，螺旋桨转速较通常情况下增加很快 时，轴推力增长很缓慢。空泡破碎产生的噪音非常大，能在船尾附近处轻易听到。
第十课 操纵性，运动及估计主机功率
10.1 船舶操纵及方向控制
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若外力或力矩作用于船上，使船航向偏离设定的路线，那么就说船舶航向稳 定。另一方面，如果外力消除后，又出现航向偏离或偏离仍然继续，那么就说航 向不稳定。航向不稳定船容易操作，但是航向稳定船通过操舵来维持预定航向所 需的能量损耗少。因此需要一种折中两种极端情况的方案。粗略地讲，航向稳定 与否是由船体水下部分剖面大小来决定的。若向船尾，船体及附体的面积逐渐集 中，那么船舶航向可能是稳定的。
航向稳定性和不稳定性不可避免地都需要装置来维持预定路线或按照命令 来改变航向。这种控制航向的准万向舵机是安装在船尾的舵，并由固定在船尾的 电动液压操舵机来驱动。舵是横剖面很类似水翼的附体，当舵相对于水的攻角不 为零时，会产生推力。这个推力会产生一个绕船中某点的转矩。
对于特定角度的攻角，舵推力与水相对于舵的速度成正比。因此，螺旋桨产 生的高速水流处是安装舵的最佳位置。对于多桨船，为了充分利用高速水流，应 该匹配多个舵（一个舵对应一个桨）。同时，通常对倒车性能良好的船的每个螺 旋桨匹配一套?倒车舵?。这些倒车舵安装在螺旋桨的前面，轴的两侧。 由于低速水流意味着舵产生的推力很小，因此船舶低速航行时的操纵性是一 种特殊状况。若舵直接安装在螺旋桨后面，那么螺旋桨高速运转一小段时间后， 在产生足够推动船舶向前运动的推力之前，就已产生了足够横向推动船尾部的推 力。横向推动船尾意味着改变了船舶航向，但是这种权宜之计通常不足以操纵低 速船。由于这种原因，很多船都安装了一个?艏侧推器?，即螺旋桨固定在临近 船艏的横向通道内。这种推进器能推着船横向移动，而不能推着船纵向移动。若 在船艏附近安装一个类似的推进器，那么就能够侧推船了——或者，若两个推进 器安装的方位相反，那么甚至就能使船原地旋转了。 10.2 船舶波浪中航行
船舶操纵过程中，船舶会经历艏摇（绕某竖直轴旋转）和横荡（横向运动）。 通常情况下，船舶六自由度运动，另外四个是横摇（绕某纵向轴旋转），纵摇（绕 某横向轴旋转），垂荡（垂向运动）和纵荡（强加在稳定航行中的纵向运动）。除 了特殊情况下，必须通过艏摇来改变航线之外，这六种运动都是不期望遇到的。 这六种运动中，横摇运动是最不想遇到的情况，这是因为其产生的加速度最 大，因而是导致晕船的始作俑者。由于横摇运动中有质量，阻尼和回复力，具有 机械振动系统的典型特征，因此可以描述为强迫振动。但是，通过分来试图找出 船舶横摇固有频率，远远不是一种简单事，这是因为基础方程的系数是频率的函 数。船舶横摇时，质量项还必须包括相当一部分数量不明确的、随船移动的水， 而且横摇运动与其他运动之间可能会产生耦合。虽然这样，横摇固有周期近似可 以从简化公式中找出。当主波谱的遭遇周期与横摇周期相等时，横摇最明显。
很多船上都装有?舭龙骨?，为了抑制横摇。这些长且窄的鳍从船体底部与 舷侧相交的地方伸出来。舭龙骨在减小横摇方面很有效，但比起其他方法，舭龙 骨的效率就低得多了。最有效的方法是安装减摇鳍，这些鳍沿船舷侧横向伸展约 30 英尺（10 米）而且绕着它们的轴不停地旋转来产生抑制横摇的力。这些鳍最 大的特点之一就是船舶泊靠时这些鳍能够收回到船体中。
纵摇仅是绕一条不同轴的横摇，但是结果和解决方法是不同的。由于船长远 大于船宽，小角度横摇可能会导致纵摇尾倾。当波浪的遭遇周期接近船舶纵摇固 有周期时，导致的后果是波浪抨击船艏，大量的浪进入船艏甲板。通常回应这种 危险情况的做法是降低船速来避免共振。已经用纵向减摇鳍来做过实验，但是还 没有进行实际应用。
由于其是一个非常难得领域，能够从理论中提取有意义的结果，所以船舶水 动力学家们已经做过了大量船与表面波相互作用的研究，但是这也是一个能够从 其结论中受益非常大的领域。 10.3 模型试验决定推进功率
船舶的推进功率与速度与船舶运动的阻力的积成正比。因此，预测目标船的 阻力的能力是推断推进功率的重要组成部分。许多年来，水动力研究学家致力于 推导计算这种阻力的基本定理，但是到目前为止，他们还没有弄出一种基本实用 的方法。能够依据实船和标准模型的经验来估计，但是设计阶段可用的方法是通 过所设计船的模型试验来预测。
??gL ? 给出，其中V 是速度，g 是重力加速度，及 L 是水线长。 模型试验指的是在静水中以严格控制的速度来拖曳一个精确的船体模型，然 纲数，以公式V
后测量拖曳力。通过以与实船相同的 Froude 数来处理模型，得到实船与模型间
0.5
实船与模型的波形产生的一般参考点是同一点，而且 1 吨 排水量产生的剩余阻 的联系。这个数是以英国造船学家 William Froude 来命名的，是一个无比率量 力是一样的。不同的是，Froude 数等式与雷诺数等式的总数不相等，因此使得 模型与实船的摩擦阻力严重不匹配。因此，模型与实船的缩尺手段必须遵循一种 迂回路径方法，其主要步骤如下：（1）测量模型总阻力。（2）使用国际拖曳水池 会议公布的数据和方法来计算模型摩擦阻力。（3）用模型的总阻力减去摩擦阻力 部分，得到剩余阻力。（4）实船 1 吨 排水量的剩余阻力与模型相同。（5）计算 船舶摩擦阻力。（6）将步骤（4）和（5）中的阻力部分相加得到总阻力。
第十一课 模型试验
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11.1 阻力实验
许多伟大的前人尝试用模型来测量全尺度实物，或者描述这些模型是怎样用 来测量全尺度实物的，这些人包括 Bouguer,Tiedemann,Newton,Chapman,Euler 及 Beaufoy,但是直到威廉傅汝德那个年代，全尺度测量才开始变得实用起来。 威廉傅汝德提出了将总阻力分割成剩余阻力和相当平板摩擦阻力的假设思 想。他也指出空气阻力和凶涛海面效应可以分别独立对待。傅汝德通过对不同航 速下的几何相似形产生的波形的研究发现，当模型的速度与模型长的平方根成正