题目
设船模与实船的傅汝德数Fr相等。已知实船(为一海船)在Fr=0.3时的航速V=23 (km/h),缩尺比alpha=25。求船模与实船在水温分别为25^circ(C)和15^circ(C)时的雷诺数。
设船模与实船的傅汝德数$Fr$相等。已知实船(为一海船)在$Fr=0.3$时的航速$V=23\ \text{km/h}$,缩尺比$\alpha=25$。求船模与实船在水温分别为$25^{\circ}\text{C}$和$15^{\circ}\text{C}$时的雷诺数。
题目解答
答案
根据傅汝德数相等条件 $ Fr = 0.3 $,可得:
\[
L_p = \frac{V_p^2}{g Fr^2} = \frac{(6.3889)^2}{9.81 \times 0.09} \approx 46.23 \, \text{m}
\]
\[
L_m = \frac{L_p}{25} = 1.8492 \, \text{m}, \quad V_m = \frac{V_p}{5} = 1.2778 \, \text{m/s}
\]
实船雷诺数:
\[
Re_p = \frac{V_p L_p}{\nu_p} = \frac{6.3889 \times 46.23}{1.141 \times 10^{-6}} \approx 2.59 \times 10^8
\]
船模雷诺数:
\[
Re_m = \frac{V_m L_m}{\nu_m} = \frac{1.2778 \times 1.8492}{0.893 \times 10^{-6}} \approx 2.65 \times 10^6
\]
综上:
- 实船 $ Re_p \approx 2.59 \times 10^8 $($ 15^\circ \text{C} $)。
- 船模 $ Re_m \approx 2.65 \times 10^6 $($ 25^\circ \text{C} $)。
解析
本题主要考察傅汝德数($Fr$)、雷诺数($Re$)的概念及相关公式的应用,解题的关键在于根据傅汝德数相等的条件求出船模和实船的相关参数,再结合不同水温下的运动粘度($\nu$)计算雷诺数。具体步骤如下:
- 单位换算:
- 已知实船航速$V_p = 23\ \text{km/h}$,将其换算为$\text{m/s}$,根据$1\ \text{km}=1000\ \text{m}$,$1\ \text{h}=3600\ \text{s}$,可得$V_p = 23\times\frac{1000}{3600}\approx 6.3889\ \text{m/s}$。
- 计算实船船长$L_p$:
- 傅汝德数的计算公式为$Fr = \frac{V}{\sqrt{gL}}$,变形可得$L = \frac{V^2}{gFr^2}$。
- 已知$Fr = 0.3$,$V_p = 6.3889\ \text{m/s}$,$g = 9.81\ \text{m/s}^2$,将其代入公式可得实船船长$L_p = \frac{V_p^2}{gFr^2} = \frac{(6.3889)^2}{9.81\times 0.3^2}\approx 46.23\ \text{m}$。
- 计算船模船长$L_m$和船模航速$V_m$:
- 已知缩尺比$\alpha = 25$,根据缩尺比的定义$\alpha=\frac{L_p}{L_m}$,可得船模船长$L_m = \frac{L_p}{\alpha}=\frac{46.23}{25}= 1.8492\ \text{m}$。
- 当傅汝德数相等时,船模与实船航速的关系为$V_m = \frac{V_p}{\sqrt{\alpha}}$,所以船模航速$V_m = \frac{6.3889}{\sqrt{25}} = 1.2778\ \text{m/s}$。
- 计算实船和船模在不同水温下的雷诺数:
- 雷诺数的计算公式为$Re = \frac{VL}{\nu}$,其中$\nu$为运动粘度。
- 查资料可知,$15^{\circ}\text{C}$时海水的运动粘度$\nu_p = 1.141\times 10^{-6}\ \text{m}^2/\text{s}$,则实船雷诺数$Re_p = \frac{V_p L_p}{\nu_p} = \frac{6.3889\times 46.23}{1.141\times 10^{-6}}\approx 2.59\times 10^8$。
- 查资料可知,$25^{\circ}\text{C}$时淡水的运动粘度$\nu_m = 0.893\times 10^{-6}\ \text{m}^2/\text{s}$,则船模雷诺数$Re_m = \frac{V_m L_m}{\nu_m} = \frac{1.2778\times 1.8492}{0.893\times 10^{-6}}\approx 2.65\times 10^6$。