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海巡四等申論題 111年 [海洋巡護科輪機組] 輪機工程概要(包括推進裝置概要、輔機概要與輪機英文)

第 一 題

📖 題組:
二、關於船舶阻力與推進,請試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 20 分) (一)黏性阻力 (二)興波阻力 (三)推進器速度 (四)推進器差失率
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

(一)黏性阻力

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看到「黏性阻力」,應直覺聯想流體力學的「黏滯性」及「邊界層理論」。答題時需點出其兩大組成要素(摩擦阻力與黏性壓差阻力),並結合輪機實務,說明船殼表面粗糙度(如海生物附著)對阻力的影響及應對保養措施。

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「黏性阻力」(Viscous Resistance)指船舶在具黏滯性的流體(海水)中航行時,因流體黏性作用於船體表面所產生的總阻力。其特徵包含: (1) 摩擦阻力(Frictional Resistance):流體質點與船殼表面摩擦所產生的切線方向剪應力。 (2) 黏性壓差阻力(Viscous Pressure Resistance):又稱形狀阻力,因流體黏性導致邊界層在船艉處分離,造成船體前後產生壓力差所形成的向後阻力。

小題 (二)

(二)興波阻力

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看到「興波阻力」,先聯想船體在水面上航行排開水體,產生波浪所耗費的能量轉化成的阻力。答題關鍵必須點出「壓力變化造波」、「與船速的關係(高速時急遽增加)」,並結合輪機實務補充「球狀船首(Bulbous bow)的波浪干涉原理」來展現專業度。

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「興波阻力」(Wave-making resistance)指船舶在水面航行時,因船體排開水體造成周圍流場壓力分布變化,導致水面產生波浪(船首波與船尾波)所消耗的能量,進而形成阻礙船舶前進的阻力。 特徵包含: (1) 與船速高度相關:在低速時影響較小,但當船速提高(弗洛德數 Froude number 增大)時,興波阻力會呈非線性急遽增加,在高船速時成為總阻力的主要部分。

小題 (三)

(三)推進器速度

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看到「推進器速度」,應直覺聯想螺槳理論中的「理論前進速度」。作答時務必列出公式(螺距 × 轉速),並點出其與船舶實際船速之間的差異,為解釋「差失率」作鋪墊。

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「推進器速度」(Propeller Speed / Theoretical Speed)係指船舶推進器(螺槳)若在不可壓縮且無滑動的固體介質中旋轉時,單位時間內所前進的理論直線距離。 其數學公式表示為:$V_p = P \times N$ 式中,$V_p$ 代表推進器理論速度;$P$ 代表推進器螺距(Pitch);$N$ 代表推進器轉速(Revolutions per unit time)。

小題 (四)

(四)推進器差失率

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作答此題需聯想「螺絲釘鑽入木頭與鑽入水中的差異」。先點出理論速度(螺距×轉速)與實際船速的落差定義,列出計算公式,最後補充其在輪機實務上的物理意義(如:必須有差失才能產生推力、數值變大代表阻力增加)。

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「推進器差失率」(Propeller Slip Ratio)是指推進器的「理論前進速度」與「實際前進速度」之差值(即差失量),佔理論前進速度的百分比。 特徵與公式包含: (1) 物理公式:差失率 S = [(P × N - V) / (P × N)] × 100%。(其中 P 為推進器螺距,N 為轉速,V 為實際前進速度,P × N 即為理論速度)。

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