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(转)中式福船与西式帆船的分析

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原作者,妈宝的狗(台湾)


IP属地:黑龙江1楼2013-03-21 18:33回复
    这篇文章专业性很强,不同于以往那些很浮躁的文章,没有什么功利性,立场中立,算是一篇佳作。不浮躁的文章,给浮躁的人看算白瞎,引发毫无意义的争吵也不是我的目的,所以发到这里来。3楼开始。


    IP属地:黑龙江2楼2013-03-21 18:37
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      船型与阻力
      船型与浮力、耐波性有关以外,也跟船速有很大的关系。如果船型适当,船遇到的水阻越小,就能获得更高的船速。
      船舶阻力分为空气阻力与水阻,水线以上为空气阻力,水线以下是为水阻。空气密度为水的1/800,且空气阻力只占总阻力的2~3%,故可忽略排除。
      水阻分为黏性水阻与兴波阻力,而黏性水阻又再分为磨擦水阻与形状水阻。当船在航行时因为水的黏性与水的摩擦力造成的磨擦水阻占总水阻的50%~80%。当水流过船体造成分离现象,此分离现象会在船周围形成漩涡而造成吸力此乃形状水阻。而兴波阻力则是船在航行时产生船行波时所引起的阻力,船速越大,则兴波阻力就越强。低速船则主要考虑如何降低黏性水阻,而高速船主要考虑消除兴波阻力。
      如上面所言,船的型状与黏性水阻大小有连带关系,船速与浸水表面积越大,则黏性水阻也越大;降低船壳的粗糙度使之光滑或减少浸水表面积,皆可降低水的磨擦,这也是为何18世界以后英国海军用铜包覆船底,就是为了降低海中生物的覆著。在降低形状水阻方面,其长宽比(L/B)加长,可获得较低的形状水阻,现代船舶在船首增加球鼻首,可有效降低兴波阻力。
      以下是福船与哥德堡号模型在水槽中进行传体阻力测试的结果∶

      福船福劳得数与总阻力关系图

      福船船速与有效马力关系图

      哥德堡号福劳得数与总阻力关系图

      哥德堡号船速与总阻力关系图
      在学术上常以福劳德系数来表示船的快慢,福劳德系数 = 船速/开根号(重力*船体长度L)。由上面两图看来当福船船速增加到福劳德系数0.25时,总阻力系数快速增加,加速到4节时,所需要的马力也快速的增加。而哥德堡号在福劳德系数0.25时,总阻力系数还不到0.004,且船速在4节时总阻力系数也低於0.004,直到4节多总阻力系数才增加到0.004。其意谓哥德堡号的船型其总水阻比福船更低,更适合於高速行驶。
      虽然有学者认为西式船体状如「鳕头鲭尾」最宽处在中间偏前,虽有利取得较大的船头浮力,但船型不如中式船体。因中式船体型如水禽,水平切面为前窄后宽,最宽处在中间偏后,是最有利於减少水阻与空气阻力的形状,因为水禽本来就身子半沉半浮。但我认为是似是而非的讲那。因如上文所讲,空气阻力远小於水中粘性水阻,根本可以忽略不计。且水阻公式算的是浸水表面积,也无关於水线上船体的型状。最后,数字会说话。此等因民族主义充脑的积非成是,是无助於学术上的客观。


      IP属地:黑龙江4楼2013-03-21 18:45
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        风帆效率
        帆船航行的最基本原理就是利用「帆」的装置将风力转化为航行力,当风向改变时,帆的角度也要改变将风向改变的风力变成航行力以维持前进的方向。理論上这个角度是介於0 ~180 度之间,在这个角度差異下,帆船驾驶操作方式基本上可分为迎风航行、侧风航行及顺风航行等三种。

        航向、风向与帆船操作方式示意图
        帆如果缺乏了压力差,帆船就无法借力使力,也就无法前进。当船与真风夹角为0度时,船帆的兩面无法形成正负压力区,帆面也无法张起,只会如旗布般飘动。
        只有当航向与风向形成超过45度角时,帆面才会应压力差鼓起,船才可以前进。
        帆船在行驶上有分为顺风行驶、侧风行驶、与迎风行驶,正顺行驶就是顺者风向与风夹角180度而航行。一般人以为正顺行驶是最有效率的,其实不然。以下图来说视风(scheinbarer Wind,带动船只前进的力量) =真风(wahrer Wind,即自然风) -运动风(Fahrtwind,与真风相反的风)。正顺行驶时产生运动风的现象更为明显,视风力量被抵消更大。如果船只为多桅杆,正顺行驶也会因为后桅挡到前桅或主桅,变成只有风力作用到后桅的情况,都会影响风帆的效率。

        帆船正顺行驶中的风力向量关系
        侧风航行是指风从帆船航行路线的侧面來驱动船体前进,夹角为45度角时,属於近风行驶;夹角为60度角时,属於近侧行驶;夹角为90度角时,属於正侧行驶;夹角为135度角时,属於后侧行驶。
        而逆风行驶(夹角0~45度角)是最没效率的;一般来说,要靠船只行左右近风行驶交替,以之字形的路线前进。综合以上所说,行驶效率是后侧行驶、正侧行驶>顺风行驶>近侧行驶>近风行驶>逆风行驶(0~45度角)。所以以多桅帆船来说,侧风航行的能力最为重要,而最佳的侧风角度则因帆装不同而有所变化。
        风帆获得风力的公式为1/2 * 空气密度 * 风速^2 * 风帆面积 * 帆升力系数。如果帆吃风的效率好帆升力系数高,或风帆面积面积大则可以获得更大的推力,船速提升将更容易。
        哥德堡号是一条三桅帆船,其帆装如下图:

        1 斜杠帆 12 三角帆
        2 四角斜桁帆 13 主桅支索帆
        3 前桅主横帆 14 主中桅支索帆
        4 前桅帆 15 主上桅支索帆
        5 前上桅帆 16 后桅支索帆
        6 主横帆 17 后中桅支索帆
        7 主帆
        8 主上桅帆
        9 后桅纵帆
        10 后桅中帆
        11 前中桅支索帆
        以下为哥德堡号模型进行风洞测试所得到的风帆综合升/阻力系数关系图,Y轴为升力系数,X轴为阻力系数:

        风洞测试风向与风帆夹角示意图

        哥德堡号风向夹角与风帆升/阻力系数关系图
        下列是哥德堡号风帆获得最大帆升力系数与风向、风帆夹角关系表

        而福船部份,因尚未有学者进行风帆升阻力测试研究,但我们可以利用其它的测试资料进行推演。日本人曾对一艘横挂典型中密杆梯形纵帆的2桅北前船进行风帆测试,以下是北前船的风帆综合升力/阻力系数:

        两桅北前船风帆的升/阻力系数关系图
        由以上的图可知,中密杆梯形纵帆的综合升力系数可以接近1.5,而哥德堡号的风帆其综合升力系数最高为0.82,且中密杆梯形纵帆其迎风时的风帆综合升阻比(升力系数/阻力系数)最高为4.2,也优於哥德堡号的1.75,符合其大家的认知-中式风帆综合效率优於西式风帆。但论文<<风帆空气动力学特性研究试验>>指出同一形状下其软帆的效率好於硬帆,且横木条越多效率越差。所以我认为中式风帆综合效率优於西式风帆不是在於材质,而是在於更优良的型状。
        中式风帆虽然综合效率较优,但无法做大,因为以帆布制成的哥德堡号风帆,平均为每平方公尺一公斤重,其总重约为1.9吨。如果中式风帆要做成面积一样或较小,材质为竹篾编且有横木条的中式帆其总重会更惊人。所以我认为中式风帆适合使用在小船上,大船使用西式软帆。


        IP属地:黑龙江5楼2013-03-21 18:50
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          后文作者明言待续,但我看也没什么了。


          IP属地:黑龙江6楼2013-03-21 19:02
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            哦,照那个链接的意思,这里面福船的参数用的好像不是很对。


            IP属地:黑龙江9楼2013-03-21 22:02
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              好深奥的样子,谁翻译一下。


              10楼2013-04-05 21:51
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                To : 二不尚书范景文
                我只想说一句,多读一点书.
                去看看2009年的Asia Navigation Conference讲了些什麼东西


                13楼2013-04-22 21:22
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                  我是该文的作者.
                  待续的后面只是引用资料来源,如果想要知道,可以去
                  http://www.zhanliejian.com/thread-3213-1-2.html 此文查看资料来源
                  至於福船数据正确与否吗...那些批评者们就是只会批那个排水量,其他资料是否正确与否,他们也不知道,也不想知道,只想打嘴炮.
                  至於正确的排水量是多少嘛,他们可能心理也没底,然后我要它们提出新测试数据是如何,他们提不出来,也做不到.然后之前有人提出北前船挂的不是中国帆,特地还拿张图出来证明.我只是要说.......,
                  我指的是某日本教授於2005年做的风洞实验,他把一艘北前船模型挂了两面中国帆进行风洞测试,跟那艘仿古的北前船 浪华丸根本是两件事
                  在此附上图


                  14楼2013-04-24 16:07
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                    太给力了 受益非浅


                    IP属地:上海15楼2013-04-25 01:37
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                      我说怎么这么眼熟,去年就被我大北朝驳烂的东西


                      IP属地:四川来自Android客户端16楼2013-04-26 23:56
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