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看板 Military
作者 標題 Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
時間 Sun Nov 20 00:45:22 2022
原文恕刪
針對原文推文討論的阻推簡單拋磚引玉一下，如有錯誤還請指教
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船隻在「靜水」下所需的馬力，簡化來說大概要考量船殼阻力、螺槳效率這兩部分
船殼阻力 = 0.5 × 海水密度 × 船速^2 × 浸水表面積 × 阻力係數
而所謂的有效馬力(Effective power) ─也就是實際傳遞到海水、將船向前推的馬力
其算法是 船殼阻力 × 船速
這也是最簡單估算馬力-速度的公式中，需要的馬力和速度成三次方的關係
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現在回頭看一下阻力公式，在船速相同下，能動手腳的就是浸水表面積和阻力係數這兩者
先提浸水表面積，為什麼慢速船隻常常比較胖？因為在阻力係數相同下
先提浸水表面積，為什麼慢速船隻常常比較胖？因為在阻力係數相同下
降低阻力的最好方法，就是在體積不變的狀況下，盡可能降低表面積
某種層面上，自由級這種滑航/半滑航(Planning/Semi-planning)船
某種層面上，自由級這種滑航/半滑航(Planning/Semi-planning)船
也是利用高速下，船隻會像打水漂一下半浮在空中的特性降低浸水的表面積
那不是滑航的高速船呢？
高速船降低阻力，主要是針對阻力係數
阻力係數 = 摩擦阻力係數 × (1+形狀係數) + 興波阻力係數 + 其他
(有興趣的請自行參考ITTC-78)
形狀係數，簡單說就是越流線型越低，最極端的就是沒有「興波」的潛艦會長成的淚滴型
興波阻力係數，最簡單的方法就是降低船寬
二戰時細到誇張的軍艦或是雙體、三體船都是這個目的
(至於為什麼主流還是單體船？因為結構組的頭很痛，加強材放到超重還是各種應力集中)
船寬固定下，則是盡可能利用船隻線型的變化，讓設計船速下的低壓區和高壓區相互抵銷
打個比方，常見的球型艏，也就是製造一個船前方的小波浪
船寬固定下，則是盡可能利用船隻線型的變化，讓設計船速下的低壓區和高壓區相互抵銷
打個比方，常見的球型艏，也就是製造一個船前方的小波浪
並讓這個小波浪的低點，正好和船艏產生波浪的高點相互抵銷
如此一來，能量就沒浪費在製造波浪上
而得知興波阻力係數的方式，除了半經驗公式例如Holtrop-Mennen(1982)之外
最佳的方式還是CFD模擬和拖航水槽實驗
CFD模擬這幾年越來越成熟，但拖航水槽要賺錢(X)電腦模擬有其算力上的極限(O)
通常還是會用CFD得到比較好的大略線型後，使用拖航水槽做實驗細修
題外話一下，拖航水槽是種燒錢的設施
凡有實驗必有誤差，不只是理論上不可、的比例縮放造成的誤差，還有各水槽的環境差異
所以，實務上，各家拖航水槽都有自己的獨門醬汁(X)獨門公式(O)
所以，實務上，各家拖航水槽都有自己的獨門醬汁(X)獨門公式(O)
這只能靠不斷提升硬體與累積數據來精進
台灣在這方面資源不足又分散，導致各水槽狀況都不是很好
這幾年總算在國艦國造的風氣下稍微開始重視，希望能持續下去
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最後，別忘了船隻線型設計上，不是只有阻力是唯一的考量
諸如港口/航道限制、耐海性、操縱性、破損穩度...
最佳的船型？沒這種東西
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好不容易搞定了船型，接下來就是要挑顆好螺槳
螺槳設計牽扯到了有多少的馬力是實際將船向前推，多少則是在裝忙(X)
螺槳效率最簡單粗暴的做法就是加大直徑，但很明顯的這有其極限在
接下來還能動手腳的，包含了減少螺槳葉片的數量、改變葉片端點的形狀...
有趣的是，軍艦螺槳的設計常常會反其道而行
因為比起效率，軍艦更在乎的是降低震動噪音、增加螺槳強度...
油錢是什麼，能吃嗎？
另外，常讓造船工程師頭痛的是
螺槳運作效率要佳，那入流速度就要慢
換而言之，阻力最小的船型，往往不見得是整體需求馬力最少的
所以...那個好不容易搞定的船型？不好意思麻煩再改一...
(╯° Д° )╯ ┴━┴
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再題外話一下
常見的推進方式除了螺槳，還有水噴(Water jet)和莢式推進(Pod propusion)
水噴包含了淺吃水、高速下高效率與高操縱性的優點，但基本上在低速域的操控性不佳
姑且說，軍艦多數時間還是不會用25+節飆船的
這幾年興起的莢式推進則是在操縱性和震動都很優異，也免除了大軸佔去的空間與重量
麻煩的點是這基本上得是全電推船，線型設計也跟傳統設計略有差別
就各國軍方保守的風氣來看，短期內應該還是只會用在商船上
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這就是全部了嗎？還沒
最一開始提到了這是在「靜水」的環境下對吧？
那在海況不佳的狀況下呢？
這時候就要在原先的船殼阻力上，加上一定的海況餘裕(Sea Margin, SM)
就計算長期運行來說，SM可能會在10%-15%左右
但如果今天希望在冬天的台灣海域還能跑到設計船速...
施主，引擎再多兩個氣缸吧(欸
然而，就算動力充足，硬要在惡劣海況下高速前進
結構設計組和船上官兵可能會把搶著把你海拋
至少就商船而言，遇上惡劣海況就是降速
但線型不是針對設計船速最佳化的？
所以這幾年就開始流行起不是針對設計船型，而是針對長期運行環境下優化
由錢多到令人眼紅的離岸工程領域帶頭，這幾年漸漸影響到客船
蠻值得觀察這股風氣是否會延伸到軍艦設計
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既然提到了引擎，就順便提一下
一般來說，引擎都有一個最佳運作的甜蜜點，柴油引擎可能落在60%-90%之間
例如商船常會提到85% MCR (Maximum Countinuous Rating, 最大連續額定出力)
在這個區間運作，不論是燃油效率、引擎壽命和維修成本都是最佳化的
軍艦愛用的渦輪引擎的甜蜜點更窄，可能一離開甜蜜點後效率馬上就掉到原本的一半
(這也是萬惡的CODOG，CODAG，CODLOG...出頭的原因之一)
所以在設計上，巡航速度除了考慮船速-阻力曲線上的相對低點
引擎的甜蜜點往往也是考量之一
打個比方
如果一艘船裝了四顆相同的引擎，4 × 85% MCR 可以上到25節
那巡航時可能就只使用 2 × 85% MCR 跑個18節
甚至只開一顆引擎+打偏舵跑12節
或者傳動系統有PTO/PTI(Power Take Off/Power Take In，簡單說就是混動)
那就會是一顆引擎帶一個軸+電力輸出給另一軸的馬達
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以上粗談，仔細深入的話，船殼、螺槳、傳動、引擎都各是一門學問
但一來那也超出我的專業，二來也偏離軍武版的範疇
有興趣的歡迎加入造船的小圈圈
是說本來只想簡單打一打，一不注意又打了半天...
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※ 同主題文章:
11-19 15:43 ■ [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
11-19 18:29 ■ Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
● 11-20 00:45 ■ Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
推 : 推專業1F 11/20 00:46
推 : 真的很專業，原PO是從事造船業相關行業嗎？2F 11/20 00:50
推 : 你是造船系的3F 11/20 00:53
推 : 莢囊式推進器已經用在法國西北風、西班牙SPS(澳洲坎4F 11/20 00:54
→ : 培拉)等兩棲艦上
→ : 培拉)等兩棲艦上
推 : 推，專業文6F 11/20 01:05
推 : 推專業文！簡明扼要又說中重點...7F 11/20 01:11
推 : 現在有一種新的減阻船頭球 凸出來有點像衝角8F 11/20 01:13
→ : 燃氣主機還要接減速機組才能傳到大軸
→ : 燃氣主機還要接減速機組才能傳到大軸
傳動複雜主要在轉速和扭力的匹配，就阻推而言就是5%-10%的耗損
本文避免偏題就沒提了
→ : 除了引擎 傳動也是門學問混合主機比單純主機傳動複10F 11/20 01:15
→ : 雜 全電又是另一個領域
→ : 以前有一陣子以為全電莢艙會是未來軍艦主機趨勢
→ : 但現在看來似乎還沒實現
→ : 雜 全電又是另一個領域
→ : 以前有一陣子以為全電莢艙會是未來軍艦主機趨勢
→ : 但現在看來似乎還沒實現
推 : 推14F 11/20 01:26
推 : 推專業文15F 11/20 01:28
推 : 太專業了16F 11/20 01:28
推 : 推專業17F 11/20 02:06
推 : 推，求板主M起來不然沒了就可惜了18F 11/20 02:29
推 : 推19F 11/20 03:14
推 : 推20F 11/20 03:52
推 : 推專業文，造船不愧是有足夠工程底子才玩得起來的21F 11/20 05:56
→ : 行業
→ : 行業
推 : 全電莢艙萬一故障是不是不好修?23F 11/20 06:22
推 : 推24F 11/20 06:22
推 : 專業25F 11/20 06:24
推 : 會有很大的彎距力長時間作用在夾艙軸跟船體之間26F 11/20 06:34
→ : 用久可能變形?
→ : 用久可能變形?
莢艙的結構一定得特別強化，但講白了跟舵機的原理沒差多少
實際上，莢艙的軸比起舵機大上好幾圈，佔空間的要命...
推 : 專業好文28F 11/20 07:07
推 : 推29F 11/20 07:32
推 : 推30F 11/20 07:46
推 : 推31F 11/20 07:57
→ : 2次方不太正確 因為那只限於一定速度以下32F 11/20 08:06
→ : 高速要往3次方去抓了
→ : 然後就導致成本效益超難看
→ : 所以讓船體越少在水裡越好
→ : 水的阻力與船速是2-3次方關係太恐怖
→ : 高速要往3次方去抓了
→ : 然後就導致成本效益超難看
→ : 所以讓船體越少在水裡越好
→ : 水的阻力與船速是2-3次方關係太恐怖
推 : 為什麼離岸工程領域會有很多錢37F 11/20 08:45
油啊...滿滿的石油和天然氣...
推 : 推38F 11/20 08:58
推 : 推這篇專業。都已經解釋了三次方用法，還有人在模糊39F 11/20 09:01
→ : 的高低速套不同公式。那你高速的分界在哪裡？
→ : 的高低速套不同公式。那你高速的分界在哪裡？
高速船請洽國際海事組織(IMO)的HSC code
簡單一點的分法
船速[m/s] / (船長[m] x 9.81)^0.5 > 0.45-0.6 就可以視為高速艇了
至於用軍艦這種傳統船型硬幹的話，阻力係數會怎麼變化，就恕我才疏學淺...
推 : 不想搞核能 只能搞風力41F 11/20 09:01
→ : 搞水力.太陽能都要土地
→ : 搞水力.太陽能都要土地
推 : 推專業說明43F 11/20 09:07
推 : 言之有物，學到不少。44F 11/20 10:17
推 : 高速艦的艦尾螺旋槳消耗會比低速的快嗎？45F 11/20 10:20
大致上來說是這樣，可能低速時效率90%，高速時剩50%
但這跟螺槳設計有很大關係，如果是設計給高速域的固定螺槳，低速時表現可能也沒很好
→ : 我記得螺旋槳在水中打出泡泡會有一個什麼效應 會侵46F 11/20 10:21
→ : 蝕螺旋槳？
→ : 蝕螺旋槳？
空蝕現象(Cavitation)，簡單說就是劇烈壓力差產生的氣泡生成與破滅
這除了浪費能量外，還有噪音震動和螺槳壽命的問題
當然相對應也有各種方法去抑制
推 : 推進莢艙 航速有一定限制 維修生存性也沒傳統好48F 11/20 10:41
推 : 太專業了吧49F 11/20 10:41
對也不對，台面上各大廠都說自家莢艙限速20-25節
但...瑪莉皇后二號用莢艙上到30節...
據說，瑪莉皇后二號的莢艙似乎有做結構加強
所以個人猜測，說不定限速只是因為量產品的強度是針對多數客戶的需求設計而已
→ : 適合在經濟速率的支援船艦50F 11/20 10:41
推 : 專業推51F 11/20 11:02
推 : 推52F 11/20 11:16
推 : 專業好文推53F 11/20 11:17
推 : 推專業文54F 11/20 11:24
推 : 專業推，最近116造船系後面好像把馬路挖開在蓋水槽55F 11/20 12:10
116的水槽在那很久了，據說這幾年和台船合作終於比較有資源
有在更新都是好事
推 : 專業56F 11/20 12:22
推 : 專業文57F 11/20 12:50
推 : 話說環境優化的船型能不能給一個範例？58F 11/20 13:27
→ : 某家公司推出的離岸支援船愛用X-Bow？
→ : 某家公司推出的離岸支援船愛用X-Bow？
X-bow是，稍微中庸一點，速度和耐海兼具的可能像Damen的Axe-bow或台船的劍艏
推 : 真的是受教了60F 11/20 13:30
推 : 推，太專業了！61F 11/20 13:42
推 : 造船專業好文 推推62F 11/20 13:46
推 : 專業的可怕63F 11/20 13:47
推 : 推64F 11/20 14:12
推 : 專業推65F 11/20 17:59
※ 編輯: W80RAH (81.233.128.128 瑞典), 11/20/2022 19:36:43推 : 專業推66F 11/20 20:52
推 : 推67F 11/20 22:35
推 : 推！68F 11/20 22:37
推 : 好文69F 11/21 01:53
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