潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

2021-09-09 12:56:52 0阅读

错了,潜艇使用圆头,在水中受到的阻力反而更小。因为潜艇在水中航行时,受到的阻力主要有两种,分别是摩擦阻力(或者叫粘性阻力)和粘压阻力,前者摩擦阻力好理解,顾名思义,就是物体表面和流体之间存在的一种阻碍物体运动的摩擦力,那么什么又是粘压阻力呢?就是当物体在流体中运动时,由于流体的尾部出现涡流运动而形成的一种首尾之间的压力差,这种压力差带来的阻力就叫做粘压阻力,且这种阻力的大小与尾流的形成有很大的关系,看下图:▲粘压阻力形成原理简图如图所示

错了,潜艇使用圆头,在水中受到的阻力反而更小。因为潜艇在水中航行时,受到的阻力主要有两种,分别是摩擦阻力(或者叫粘性阻力)和粘压阻力,前者摩擦阻力好理解,顾名思义,就是物体表面和流体之间存在的一种阻碍物体运动的摩擦力,那么什么又是粘压阻力呢?就是当物体在流体中运动时,由于流体的尾部出现涡流运动而形成的一种首尾之间的压力差,这种压力差带来的阻力就叫做粘压阻力,且这种阻力的大小与尾流的形成有很大的关系,看下图:

潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

▲粘压阻力形成原理简图

潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

如图所示,当物体在水中运动时,水流也会沿着物体表面运动的,且运动方向与物体的相反,而当水流流过物体尾部时,就会出现一个低压涡流区,也就是我们大家平时见到的尾流,关于这个低压涡流区(尾流)的形成,我们可以这样理解:正常情况下,液体会填充满静止物体的周围空间的,而当物体运动时,液体会与一定的速度流过物体尾部的大折角区域,此时就会导致流过的液体“来不及”填充满物体尾部的那个空间,从而形成一个涡流区,而相对来讲,这个涡流区的水要“少于”物体前端区域的水,所以压力也就小于物体前端,因此就会在物体的首、尾两处出现一个压力差(前端大、尾部小,等同于阻碍物体向前运动),这个压力差就是物体在流体中运动时遇到的粘压阻力。

潜艇为什么是圆头?这样不是增大阻力,降低速度了吗?

▲流线型和钝型物体的所受阻力示意简图

而物体在水中究竟由哪种阻力主导,则是跟物体的形状有关,首、尾成流线型(比如水滴形)的物体,在水中受到的阻力主要是摩擦阻力;首尾成钝型(圆头、平头等)的物体,在水中受到的阻力则主要时粘压阻力。如上图所示,流线型的物体,首、尾的锥度较小,当前端破开水流时,水流可以沿着带锥度的尾部运动,从而在尾端空间汇合,所以,产生的低压涡流区很小或者是几乎是不产生低压涡流区,也就不会出现粘压阻力,因此才说流线型物体的主导阻力为摩擦阻力;而钝型物体的首、尾两端的锥度很大,液体很容易被物体的前端排开,所以与液体接触面积相对更小,摩擦阻力没那么明显,但是因为水流被排开的原因,会导致更难及时地填充慢尾部空间,所以,形成的低压涡流区就更明显,同时粘压阻力越大,因此,钝型物体在水中的阻力以粘压阻力为主导。

▲现代潜艇的结构示意图

所以,对于潜艇来说,使用尖头还是使用钝头(圆头),就取决于这两种结构的在书中受到的阻力谁更加小,答案很明显了,现在的潜艇基本上都是钝头的,所以钝头结构的潜艇在水中受到的综合阻力要更小,为什么?因为增大潜艇的长径比(长度和直径的比值)以及减小尾部锥度(即尾部弄成流线型的)就可以有效地减小粘压阻力,同时,使用圆头来取代尖头又可以减小摩擦阻力,所以,大家发现了没,现在的潜艇她的外形结构都是这样的:前面为圆头,接着中间是一段圆柱体,最后的尾部则是尖尖的流线型,如上图所示,那么,为什么前端用钝头时潜艇受到的阻力反而会更小呢?如果用尖头又会是怎样一种情况呢?我再给大家画一个简图来帮助大家理解,如下:▲尖头和钝头结构的潜艇优缺点对比

从图中我们可以看到,因为潜艇加大了长径比,以及尾部弄成了流线型,所以,不管是前端使用尖头还是钝头,尾部都已经不会产生低压涡流了,也就是说钝头带来的粘压阻力缺陷已经被弥补了,然后我们再看潜艇的前端,如果使用尖头结构,那么带来摩擦阻力没有得到解决,而如果换成把尖头换成钝头,那么当潜艇向前运动时,钝头就会起到一个把水排开的作用,也就相当于在一定程度上减小了水和潜艇表面之间的摩擦阻力,然后因为长径比增大了,被排开的水有足够的时间来回流,再加上潜艇的尾部也是流线型的,所以钝头也一样可以忽略粘压阻力。因此,在同样的长径比、同样是流线型尾部的情况情况下,使用钝头结构的潜艇受到的水的摩擦阻力相对于尖头结构会更小,在忽略粘压阻力的情况下,钝头结构在水中受到的总阻力也就越小,这就是为什么现在的潜艇都使用圆头而不是尖头的原因。

▲水滴形的“青花鱼号”潜艇,现代潜艇外形设计的先驱

最后再提一点,对于潜艇来说,圆头结构对空间的利用率明显要高于尖头结构,如果潜艇的前面是尖头的,那么很多设备就装不下了,会影响整个潜艇的内部布局,所以,使用钝头除了可以减小阻力之外,还是为了尽可能的提高潜艇的内部空间利用率。其实一艘从设计到研发,这个过程是需要花费很多人力物力的,因此,在定型之前,潜艇的任何一项设计都必须达到现有技术条件下的最优解,而现在的潜艇既然都是圆头的,就说明了圆头才是最适合潜艇的,不然的话不就是在浪费研发经费么?

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