问题

为什么船舶的造型直观上不符合减少阻力的设计?

回答
船舶的造型,尤其是那些我们日常在港口或电视上看到的庞然大物,初看上去确实容易让人产生疑问:这笨重的身躯,怎么可能在水中快速高效地航行?它那饱满、圆润的船体,似乎与我们通常理解的“流线型”相去甚远。这背后,其实是人类对“减少阻力”这个目标的深刻理解和不断演进的实践,而这种理解和实践,往往带着一些反直觉的智慧。

首先,我们得把“阻力”拆解开来看。在流体中航行,船舶面临的主要阻力有几个大头:

摩擦阻力 (Frictional Resistance): 这是船体表面与水接触时产生的摩擦力。水分子在船体表面滑动,就像布料在皮肤上摩擦一样,总会产生阻力。
形状阻力/压差阻力 (Form/Pressure Resistance): 这是由于水的流动在船体周围形成压强差而产生的阻力。当水流绕过船体时,它会加速或减速,导致船体前后产生压强差。这种阻力通常与船体的截面积、形状的“肥瘦”有关。
兴波阻力 (Wavemaking Resistance): 这是船舶航行时在水面产生波浪所消耗的能量。当我们看到船只驶过,船头和船尾会扬起浪花,这些波浪的形成和传播就需要能量,这能量自然就来自于推动船只的动力,所以这就是一种阻力。
空气阻力 (Air Resistance): 虽然主要关注的是水阻,但船体露出水面的部分也会受到空气的阻力,尤其是在风浪大的情况下。

好了,了解了这些,我们再回头看那些“不那么流线型”的船体造型,就会发现其中的奥妙了。

为什么船体不像飞机或汽车那样极致流线?

1. 水的本质是不同的: 飞机在空气中飞行,汽车在空气中行驶。空气的密度非常低,流动性极好。这意味着,在这些介质中,减小表面积、追求极致的尖锐和光滑,对减少摩擦阻力和形状阻力有着立竿见影的效果。你可以想象一下,一个尖尖的子弹,比一个方块更容易穿透空气。

但水不同,水的密度比空气大得多,粘性也更强。船体大部分时间是“浸在水里”的,与水的接触面积巨大。在这种情况下,单纯追求尖锐的头部或光滑的侧面,虽然对某些阻力有帮助,但如果忽略了其他因素,反而可能适得其反。

2. 低速下的统治者:摩擦阻力
对于绝大多数航行在相对较低速度下的船舶(比如货船、油轮),摩擦阻力占总阻力的比例非常高,甚至能达到80%以上。要想减小摩擦阻力,一个关键因素就是减小船体与水的接触面积。

这就产生了一个有趣的矛盾:我们希望船体浸在水中的面积小,这样摩擦就小。但同时,船体又需要有足够的容积来装载货物或乘客,而且船体要足够稳定,不能轻易倾覆。如果把船造得像一根细长的针,虽然摩擦阻力会很小,但它无法装载多少东西,而且在水中会极其不稳定,风浪一来就可能翻船。

所以,船舶的设计师们需要在“减小接触面积”和“提供足够容积和稳定性”之间找到一个平衡点。于是,我们看到了那些看起来“鼓鼓囊囊”的船体。这种饱满的形状,允许船体在有限的吃水深度内获得最大的载货空间,同时低矮、宽大的船体也提供了良好的横向稳定性。简单来说,就是用一种“牺牲”尖锐流线化的方式,来换取更大的实用性和稳定性,因为在低速下,这点“牺牲”对总阻力的影响,相比于其他阻力项和实用性来说,是可以接受的。

3. 兴波阻力的微妙平衡:船速是关键
兴波阻力,也就是制造波浪的阻力,它对船速非常敏感。在低速下,兴波阻力占总阻力的比例很小。但随着船速的增加,兴波阻力会急剧上升,甚至成为主导阻力。

船舶设计中有一个著名的概念叫做“沃特系数”(Froude Number)。这个系数主要反映了船速与船体长度的比例关系,它直接影响了兴波阻力的大小。对于不同的船速范围,最优的船体形状是不同的。

低速船 (Low Froude Number): 船速相对较慢,船体长度较大。这类船最关心的是摩擦阻力,所以设计上会倾向于使用更饱满、更圆润的船体,以获得更大的载货空间和稳定性,尽管这会在一定程度上增加形状阻力和兴波阻力,但此时这些阻力占总阻力的比例并不高。想想那些巨大的货轮,它们航行速度并不快。
高速船 (High Froude Number): 船速较快,船体长度相对较小。这类船对兴波阻力和形状阻力非常敏感。为了减少这些阻力,它们的设计会更加尖锐、细长,船底的形状也会更复杂,例如采用V形船体或者双体船、三体船等。这些船看起来就更接近我们对“流线型”的直观理解了,比如快艇、海军舰艇的某些型号。

所以,我们看到的那些“不符合流线型”的船,很多就是为了适应低速航行和最大化装载能力的需要。

4. 船体底部与水线的策略:
再仔细观察,你会发现船体并非在水线以下也一样饱满。船体从水线以下开始,通常会有一个向下收窄的趋势,但也不会像汽车底盘那样锋利。这个收窄是为了减少水线处的波浪生成,以及在一定程度上改善形状阻力。

而船体底部,也就是龙骨附近,往往是比较平坦或者略带弧度的,这与追求空气动力学的尖锐曲面是不同的。船底的设计更多是为了结构强度,以及在某些设计中为了优化水的流场,但“尖锐”并不是首要考虑。

5. 成本与建造的现实:
即使从纯粹的流体动力学角度来看,制造极其复杂的、高度流线化的船体,其建造难度和成本也会呈指数级增长。对于那些需要大规模生产且对成本敏感的商船来说,设计必须在性能和经济性之间找到一个可行的平衡点。一个相对“笨拙”但易于建造、易于维护的船体,在很多情况下是更明智的选择。

总结一下,那些看起来不符合“直观流线型”的船舶造型,其实是针对以下现实的精心设计:

水的特性: 水的密度大、粘性强,与空气的流体动力学特性差异巨大。
阻力组成: 在船舶的主要运行工况下(低速),摩擦阻力占主导,减小接触面积是关键。
实用性需求: 必须在船体内部提供足够的装载空间和必要的结构强度,并保证航行稳定性。
速度决定论: 船速不同,不同阻力项的重要性也不同,直接影响了最优造型。
经济性考量: 建造和维护的成本是必须考虑的重要因素。

所以,当您下次看到一艘巨大的货轮,不妨换个角度去欣赏它:那饱满而有力的线条,其实是工程师们在物理定律、实用需求和经济成本之间,用智慧雕琢出的对效率的极致追求。它“不流线”,恰恰是为了更好地适应“水”这个特殊的介质,并满足人类对运输和承载的巨大需求。

网友意见

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谢邀,这真是个好问题。

应该说问出了现代船舶尾部变化的发展史。

远洋船舶尾部的形状就是按题主的思路发展的。

1. 方尾

15世纪起,风帆时代的船的船尾是这样的

荷兰东印度公司的阿姆斯特丹号

17世纪的盖伦船

他们的船尾是方形的,并且通常都带很多窗户。

设计成这样的主要原因是船长的住处就在船尾,当时的等级制度决定了,作为上流社会的船长需要一个体面的符合其身份的住所,即使是在海上航行时。严格意义上说,这个部分就是一个设在船上的别墅,各种纷繁复杂的装饰更是巴洛克时期的特色。

电影“怒海争锋”里船长在房间里合奏。房间里壁炉,会客就餐区,办公区一应俱全。对于这么一条500吨的小船来说,真是宽敞的不像话。


对于船舶本身而言,这部分其实就是没什么意义的多余重量。

随着航海技术和火炮技术的发展,人们发现高大的方形尾不仅影响船舶稳性,在海战时更是一个火炮的活靶子。而它巨大的尺寸和份量又导致船舶尾部结构无法承受越来越庞大的主炮。工程们尝试了很多不同的船尾形式,但是都不算很成功。


2. 椭圆形尾

直到风帆时代末期,蒸汽铁甲船已经出现,不同的材料给了船舶工程师修正这个问题的可能性,他们用和题主类似的思路开始了削减船尾的工作。从方形变成圆形再变成后来的流线式的长椭圆形。

泰坦尼克号是一个杰出代表

看看她流线型的尖尾部,完全满足题主的要求

这种被称为椭圆形船尾,因为船尾部甲板就是椭圆形的。

泰坦尼克尾部细节(看螺旋桨下面那个人可以估计下泰坦尼克的尺寸)


北洋水师的定远号也是椭圆形艉

现在这种船尾形式已不多见。和方形船尾消失的原因差不多,这种设计下,舵是一半在水下,一半在水上,见泰坦尼克号尾部(浅色是水下,黑色是水上),且舵是在船体的最后面,暴露在外。另外,螺旋桨后方的船体长度有限,舵机也只能布置在毫无保护露天甲板上或者像定远一样以损失稳性的代价再盖一层来保护。在海战时,舵和舵机就成为了天然的弱点受到对方重点攻击。


3.巡洋舰型尾

针对这个缺陷,以及舵的技术发展,军舰上改良出了一种新的船尾形式(战争是推动技术进步的第一动力)

例如日本的大和号战列舰,首尾依然是流线型。但是尾部已经发生了巨大的变化

侧视图上红色部分是水线以下,能看到螺旋桨后方还有一部分船体在水线以下,而舵已经完全淹没在水里。舵设在船体中部,舵两侧水线附近的船体可以有效的防止舵遭到直接炮击或水面鱼雷的攻击。螺旋桨后方船体加长加高之后,有了足够的空间,舵机也从主甲板上移到了甲板之下,有了装甲保护。

这种船尾因为首先采用在巡洋舰上,于是就叫做巡洋舰型尾。

在实践中,工程师们发现采用这种船尾后,船体吃水线延长,船舶的阻力反而减小了。很快,这种形式就从军舰发展到了民船。

商船比如二战期间著名的自由轮

也是类似的情况,首尾都很尖


这是自由轮船尾的形状。水线不是很明显,不过也是巡洋舰型船尾。

和题主的感受不同的是,现在大多数商船采用的仍然是这种尾部流线型收缩的船尾形式。甲板一路方形到底的反而是少数(主要是大型集装箱船)

借 凤年 答主一张图

看起来和自由轮不一样,其实同样是巡洋舰型尾。就是把典型巡洋舰型尾的尾尖部分劈掉,换成了一整张平板,看起来就是方的。


原因前面有答主也提到了 “方便建造”

商船和军舰不同,首先就要考虑经济性。完整的巡洋舰尾虽然尾部多了一些面积,但是这部分面积基本派不上大用,货舱主流都设在在船体中间,后面这点地方由于舵机的存在不能放货舱也就装不了货。尾部又没太多甲板设备需要布置。多出来的这一大块尖角结构不仅难施工而且还很重。不论减少油耗还是提高速度,降低自重都是一个不错的选择。所以船尾就变成现在这个样子

前面说了集装箱船有点不同,俯视看尾部完全是方的,舷侧就几乎是一条直线。

因为集装箱船和其他货轮的有一个明显的区别是,其他货轮满载是指载重量,3万吨的船满载就是装3万吨货。集装箱船满载是指载货空间装满,2000箱的船就只有装2000箱的空间,至于这2000箱是3万吨还是4万吨影响都不太大,满载集装箱船一般都达不到设计的最大载重量。

所以对于集装箱船来说,空间就是钱,要想方设法增加装箱子的空间。

船舶设计师的思路就是,见缝插针放箱子。

假想对话,实际并不存在。

“甲板这还有点空,看看能不能放两个箱子”。

“尾部甲板做个流线型吧”。“ 不,做平让我多放两个箱子”。

“尾部延长出流线的弧度也能多放点箱子吧”。“对不起,这已经延到极限了。延长的船体都在水面以上,再放上箱子尾部结构就撑不住了”。

“那重新设计结构?” “我掀桌子了,你多放两个箱子地方我的结构自重要多出二十个箱子的份量”。

所以集装箱船最终也是平平的船尾。


现在还是能看到完整的巡洋舰型尾,在小型船舶上。(漂亮的回旋)


4。方尾(再现)

上面这些个平船尾都不能算是方的,真正的方的还是要看军舰

056护卫舰,尾部足够方


和直观概念不同的是,高速船尾反而是采用方形设计。

因为尾部线条缓和,高速水流可以延船体的剖面线方向流动,有效减少了水流扭转和弯曲带来的能量损耗。高速水流会沿着流线到船体后方一点,这里就产生了一个虚拟的流线型。减少了尾部扰流的阻力。大概就是下图的意思。

不过要提到的是,方尾的设计仅仅适用于高速情况下,而且尾部线型要和速度相匹配。在一般货船的航速下,方尾是增加阻力的。

5. X-bow stern(椭圆形尾的轮回)

去年的新发明,左边是船尾,右边是船头。据称可以消波以增加燃油效率,并且减少船舶纵摇的情况。

综上,

看看上面这一路走来,船尾的变化其实和题主的思路很接近啊。

方的到圆的然后再方的到圆的。

(当然,还有许许多多没有现身的非主流船尾形式,就不一一点名了)


感谢读了这么长文章的您,不过没有彩蛋。

欢迎提建议和问题,我也可以学习并补充一些内容。

图主要来自百度

内容参考 盛振邦,刘应中老师的《船舶原理》

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