為什麼船舶的造型直觀上不符合減少阻力的設計？

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大部分船舶的俯視圖都像下面兩張圖中上面的那樣，由於船尾是方的，直觀上會造成很大的阻力，那麼為什麼不設計成下面的樣子呢？
我知道船舶吃水線以下的形狀和我們看到的不同，但是這不能解釋，既然船尾吃水線以上的部分可以設計成方的，為什麼船頭吃水線以上的部分仍然是尖的呢？

謝邀，這真是個好問題。

應該說問出了現代船舶尾部變化的發展史。

遠洋船舶尾部的形狀就是按題主的思路發展的。

1. 方尾

15世紀起，風帆時代的船的船尾是這樣的

荷蘭東印度公司的阿姆斯特丹號

17世紀的蓋倫船

他們的船尾是方形的，並且通常都帶很多窗戶。

設計成這樣的主要原因是船長的住處就在船尾，當時的等級制度決定了，作為上流社會的船長需要一個體面的符合其身份的住所，即使是在海上航行時。嚴格意義上說，這個部分就是一個設在船上的別墅，各種紛繁複雜的裝飾更是巴洛克時期的特色。

電影「怒海爭鋒」里船長在房間里合奏。房間里壁爐，會客就餐區，辦公區一應俱全。對於這麼一條500噸的小船來說，真是寬敞的不像話。

對於船舶本身而言，這部分其實就是沒什麼意義的多餘重量。

隨著航海技術和火炮技術的發展，人們發現高大的方形尾不僅影響船舶穩性，在海戰時更是一個火炮的活靶子。而它巨大的尺寸和份量又導致船舶尾部結構無法承受越來越龐大的主炮。工程們嘗試了很多不同的船尾形式，但是都不算很成功。

2. 橢圓形尾

直到風帆時代末期，蒸汽鐵甲船已經出現，不同的材料給了船舶工程師修正這個問題的可能性，他們用和題主類似的思路開始了削減船尾的工作。從方形變成圓形再變成後來的流線式的長橢圓形。

泰坦尼克號是一個傑出代表

看看她流線型的尖尾部，完全滿足題主的要求

這種被稱為橢圓形船尾，因為船尾部甲板就是橢圓形的。

泰坦尼克尾部細節（看螺旋槳下面那個人可以估計下泰坦尼克的尺寸）

北洋水師的定遠號也是橢圓形艉

現在這種船尾形式已不多見。和方形船尾消失的原因差不多，這種設計下，舵是一半在水下，一半在水上，見泰坦尼克號尾部（淺色是水下，黑色是水上），且舵是在船體的最後面，暴露在外。另外，螺旋槳後方的船體長度有限，舵機也只能布置在毫無保護露天甲板上或者像定遠一樣以損失穩性的代價再蓋一層來保護。在海戰時，舵和舵機就成為了天然的弱點受到對方重點攻擊。

3.巡洋艦型尾

針對這個缺陷，以及舵的技術發展，軍艦上改良出了一種新的船尾形式（戰爭是推動技術進步的第一動力）

例如日本的大和號戰列艦，首尾依然是流線型。但是尾部已經發生了巨大的變化

側視圖上紅色部分是水線以下，能看到螺旋槳後方還有一部分船體在水線以下，而舵已經完全淹沒在水裡。舵設在船體中部，舵兩側水線附近的船體可以有效的防止舵遭到直接炮擊或水面魚雷的攻擊。螺旋槳後方船體加長加高之後，有了足夠的空間，舵機也從主甲板上移到了甲板之下，有了裝甲保護。

這種船尾因為首先採用在巡洋艦上，於是就叫做巡洋艦型尾。

在實踐中，工程師們發現採用這種船尾後，船體吃水線延長，船舶的阻力反而減小了。很快，這種形式就從軍艦發展到了民船。

商船比如二戰期間著名的自由輪

也是類似的情況，首尾都很尖

這是自由輪船尾的形狀。水線不是很明顯，不過也是巡洋艦型船尾。

和題主的感受不同的是，現在大多數商船採用的仍然是這種尾部流線型收縮的船尾形式。甲板一路方形到底的反而是少數（主要是大型集裝箱船）

借鳳年答主一張圖

看起來和自由輪不一樣，其實同樣是巡洋艦型尾。就是把典型巡洋艦型尾的尾尖部分劈掉，換成了一整張平板，看起來就是方的。

原因前面有答主也提到了「方便建造」

商船和軍艦不同，首先就要考慮經濟性。完整的巡洋艦尾雖然尾部多了一些面積，但是這部分面積基本派不上大用，貨艙主流都設在在船體中間，後面這點地方由於舵機的存在不能放貨艙也就裝不了貨。尾部又沒太多甲板設備需要布置。多出來的這一大塊尖角結構不僅難施工而且還很重。不論減少油耗還是提高速度，降低自重都是一個不錯的選擇。所以船尾就變成現在這個樣子

前面說了集裝箱船有點不同，俯視看尾部完全是方的，舷側就幾乎是一條直線。

因為集裝箱船和其他貨輪的有一個明顯的區別是，其他貨輪滿載是指載重量，3萬噸的船滿載就是裝3萬噸貨。集裝箱船滿載是指載貨空間裝滿，2000箱的船就只有裝2000箱的空間，至於這2000箱是3萬噸還是4萬噸影響都不太大，滿載集裝箱船一般都達不到設計的最大載重量。

所以對於集裝箱船來說，空間就是錢，要想方設法增加裝箱子的空間。

船舶設計師的思路就是，見縫插針放箱子。

假想對話，實際並不存在。

「甲板這還有點空，看看能不能放兩個箱子」。

「尾部甲板做個流線型吧」。「不，做平讓我多放兩個箱子」。

「尾部延長出流線的弧度也能多放點箱子吧」。「對不起，這已經延到極限了。延長的船體都在水面以上，再放上箱子尾部結構就撐不住了」。

「那重新設計結構？」「我掀桌子了，你多放兩個箱子地方我的結構自重要多出二十個箱子的份量」。

所以集裝箱船最終也是平平的船尾。

現在還是能看到完整的巡洋艦型尾，在小型船舶上。（漂亮的迴旋）

4。方尾（再現）

上面這些個平船尾都不能算是方的，真正的方的還是要看軍艦

056護衛艦，尾部足夠方

和直觀概念不同的是，高速船尾反而是採用方形設計。

因為尾部線條緩和，高速水流可以延船體的剖麵線方向流動，有效減少了水流扭轉和彎曲帶來的能量損耗。高速水流會沿著流線到船體後方一點，這裡就產生了一個虛擬的流線型。減少了尾部擾流的阻力。大概就是下圖的意思。

不過要提到的是，方尾的設計僅僅適用於高速情況下，而且尾部線型要和速度相匹配。在一般貨船的航速下，方尾是增加阻力的。

5. X-bow stern（橢圓形尾的輪迴）

去年的新發明，左邊是船尾，右邊是船頭。據稱可以消波以增加燃油效率，並且減少船舶縱搖的情況。

綜上，

看看上面這一路走來，船尾的變化其實和題主的思路很接近啊。

方的到圓的然後再方的到圓的。

（當然，還有許許多多沒有現身的非主流船尾形式，就不一一點名了）

感謝讀了這麼長文章的您，不過沒有彩蛋。

歡迎提建議和問題，我也可以學習並補充一些內容。

圖主要來自百度

內容參考盛振邦，劉應中老師的《船舶原理》

尖船頭需要用來破浪，平船尾用來擴大可用面積。

蟹妖，能收到所學專業問題的邀請很開心，雖然我的方向跟阻力已經沒什麼關係了，但是我還是想強答一波，由於沒有實際船廠工作的經驗，所以有錯誤的地方望輕噴。

題主自己也說了，水線面以下的形狀跟我們想得不太一樣，尾部其實是逐漸收縮的，既可以減小阻力也可以提高尾流對槳效的促進作用，上面布置成方形是為了艙容、造價等考慮，尤其對於低速船而言。

至於艏部嘛，船艏是用來前進破浪的呀，迎流面積肯定不能太大，做成尖形無可厚非，至於球鼻首我記得它不但不會增加阻力反而會減小阻力。題主又問了，那你只把水線面以下做成尖形不就行嗎？這個好像還真不可以，大海中浪還是很大的，船艏做成方形的話我覺得早晚會因為迎浪和上浪被拍壞。

以上，希望可以解釋題主心中的疑惑。

謝@周鑫邀請。

其實前面的一些回答都已經比較全面了，如果想更深入了解，建議可以讀一下船舶設計原理以及船體阻力學。

這個問題屬於船舶工程裡面的設計與性能方向，與我的研究方向不大相關，不過也簡單的說一下，可能有不準確的地方歡迎指正。

首先要搞清楚一個概念，一般來說我們將船主甲板以下的部分稱為船體，主甲板以上稱為上層建築。而在研究船體性能的過程中，主要還是針對船體部分。

船舶設計中有一個很著名的指數叫做EEDI，也就是能效設計指數，簡單來說，就是船舶消耗的能量換算成CO2排量和船舶有效能量換算成CO2排量的比例指數。而IMO對不同船舶的EEDI指數也有明確的要求。

提這個是為了說明，船舶設計並不是一個單純的減阻、減重或是流線優化的過程，而是綜合各個方面的一個權衡的過程。

題主所提到的俯視圖，其實看到的是上層建築的輪廓（也可能是船體干舷部分），這一部分根據不同類型的船功能可能是裝載貨物裝載集裝箱裝載客人等等當然還有布置一些船上必須構建的功能，作為船東而言當然是希望方形指數越大越好，而且水面以上部分主要受風阻，相較水阻而言佔整體阻力比率較小。

而主甲板以下部位，雖然也有載貨載運功能，但基本都是設計成流線型的，也就是題主所提到的減阻還有提高最高航速。除此，一些減阻結構及附件也都是布置在水面以下。

總之，這樣的設計主要是為了提高船舶能耗比以及滿足不同功能性船舶運營要求的一種權衡。

題主說的沒有什麼問題，事實上船舶水下水平剖面與樓主所畫類似。但是既然問的是水上部分，那球鼻首、艉部線性就暫時不提了，而且這部分知識網上資料足夠多，題主可以查詢。

關於方尾的問題，實際上還有巡洋艦尾等，俯視圖的形狀都差不多。這裡需要引入一個「虛長度」的概念，這個「虛」的長度是指船體水線面型線向後延伸的一部分「虛」的船體。

流體是一個非常複雜的力學問題，傳統解法只能解決部分理想流體的問題，現在處理時一般採用有限元和邊界元的方法，但是運算極其耗時。在上述方法應用之前，船舶的流體力學問題大體上是通過水池模型實驗得到的，而在試驗中，我們發現在船尾部分是否有一個延伸的線性，影響不大。因此，將艉部線性截斷，可以節約成本，也減小船體總長度。至於到底截在什麼地方，一般而言，能保護住舵系即可。（這裡提一下，水下部分的船長是有多重考慮的，如航行區域、波的疊加等）

對於首部線型，樓主話的有問題。兩側的雙曲線是向內收的，而非外擴。必須指出的是我們討論的是船，而不是潛艇。船首激起的興波最終還是要落回海內，而其激起、回落是無論什麼線型都無法避免的，而要盡量減少的是興波的破碎。在波浪經過球鼻首後，最好是通過船體外板進行導向，以避免直接破碎。因此，對於高速船舶，這種導向線性越明顯，而對於一些低速船，很多也採用了類似於題主二圖的設計，我們稱之為直首型船。

臨時起興回答，就不加圖啦~

看船型吧。。。跟具體需求和布局有關

比如以下一些

還有超大的礦石船

對速度有要求的超大型集裝箱輪就有不同風格

船身是細長還是粗短是重視穩性還是別的要不要考慮船艏的空間利用，，一大堆東西要綜合考慮

船舶的設計建造是一個達到compromise的過程。

沒有絕對的船型，但有理論研究，數值計算和船模，實船試驗得來的各種數據，並直接反映到船型上。比如

1，散貨船，油輪等船舶，考慮的是經濟效益，裝載量較大，因此船型一般比較豐滿，所以船首並不像題主說的那樣尖瘦。但這樣阻力性能是相對差一些，犧牲了船速，但人裝的多呀。

2，高速船。考慮的是快速性。這時候就需要尖瘦的船首了，以減小興波阻力。通過研究我們知道，興波阻力是和波寬和波高的平方成正比，而在船舶高速航行中，興波阻力佔總阻力的主要部分，所以尖的船首是有利於減小興波的。另外其實如果觀察地仔細，一些遊艇，快艇的首部還有折角線，壓浪條，也是為了減小興波，或者說減小飛濺阻力的。軍艦則通常設置消波水翼。

對於高速船設置方尾的問題，如果觀察的仔細，船尾部分的縱剖線是比較平直的，可以減小高速水流的扭轉，因而減小阻力。很容易想到，如果設置收縮的船尾，高速水流會在船尾急劇收縮，可能會產生漩渦，會大大地增加阻力。這裡還有一個"虛長度"的概念，方尾，水流其實是被引流到船體後方相當一段長度的位置，就相當於是在收縮船尾了。

考慮經濟性，船畢竟要載人或者載貨的

水阻力是空氣阻力的800倍，主要解決水阻力就好。上建的設計基本不考慮阻力，最多考慮受風面積，這還是出於穩性的考慮。

狗尾續個貂

哈哈哈

解釋一下為什麼水線面以上常有方艉但很少有方艏

艉部水線面以上的形狀對於船體的阻力幾乎沒有影響

設計成方形的原因就是為了建造方便

而艏部高出水線的部分大多要設計成尖或者圓形

考慮的因素並非是靜水下的航行阻力

而是船舶在波浪上運動時

船艏的吃水是隨時變化的

方形的水線上設計會有很大的波浪增阻

在惡劣海況之下

甲板上浪這種事情也會經常發生

這時如果把船艏設計成方形

會產生很大的抨擊載荷對船體結構不利

所以一般情況下船艏都是尖的或者圓的

但這也不絕對

例如航母的飛行甲板就必須要設計成方的才能滿足功能需求

為了避免甲板上浪航母一般有較高的甲板高度還配合了特殊的結構設計

以上~

方尾，那可是高速船的一大特色呦。

雖然是學船的，到後來偏向結構了，流體接觸交少了。但還是有點印象。水滴型流線確實減阻，所以魚雷潛艇之流基本都是那個模樣，但是船舶不同。

船舶要減阻，一般有以下幾個方式:

1，減少與水面的接觸面積，代表有水翼艇，小水線面船，雙體船。

2，尖首，即穿浪船。要求船體很尖，想根箭一樣。

3，方尾。方尾會因為流線形成一個叫「虛長度」的概念，不儘快，還方便轉身。

基本上我所知道的快速船基本上就這些東西。至於集裝箱船，油船等船型，減阻是一個設計目的，此外，裝載量、載重、發動機功率、螺旋槳效率等，船東都有硬性要求，比起阻力最小，更要求經濟性最高。所以設計上就要考慮很多了。

而且，一個新船型，要設計的東西很多，各種參數多達上百個要重新設計。因此各大船舶設計製造單位一般很少隨便就開發，一般都是在已有的滿足各種規範的船型（母型船）在此基礎上修改。省時省力還安全。

所以，參加個初高中，大學船模比賽，會發現各種線型新奇，設計好看的船模。但到實際上去參加個船舶展（海事展），會發現基本所有船型一個樣。

創新，還有很長路要走。

那些船海專業的兄弟，你們還在堅持本專業嗎？

虛長度

船舶在航行的時候船首會興起波浪，尖的船首能減小興波阻力。

尾部的話，方尾對於高速船來說不但不增加阻力還能使阻力大大減小

雖然不懂但是看到完全沒有設計師摻和而且這麼美的產品覺得很開心。

方艉高速可以減阻，實際上是變相增加了水線長度，也就是說巡洋艦艉這種，你把艦艉截短一段在高速下也沒什麼關係

舉個例子，英國的喬治五世國王級戰列艦，標排3.7萬噸左右，常規線形，11萬馬力可以跑28節

之後的前衛號戰列艦，標排接近4.5萬噸，用了方艉設計，13萬馬力30節

第一名的答案已經把船舶水線以上的船型設計說的很清楚了，咱們可以聊聊水線以下的船型設計。

船型設計中重要步驟是確定船型參數，就是指確定表徵船體水線以下部分的一些特徵參數的數值和幾何形狀。但需要注意的一點是船舶設計是一個必須考慮各種因素的綜合性問題，船型參數的選擇應顧及總體布置、工藝結構、快速性、耐波性、穩性、航區和經濟性等多方面既有聯繫又有矛盾的各種要求。

所以題主要知道船型設計可分為水線以上的船型和水線以下的船型，兩者設計是有區別的，且都需要考慮多個因素，水線以下的船型設計首先需要考慮的就是船型對船舶阻力的影響。

首先說說船型對阻力性能的影響，船型對阻力性能的影響與船速密切聯繫，在不同速度範圍內，船型參數對阻力的影響不僅程度上不同，甚至還有本質上的差別，
因此，所謂的阻力性能優良的船型是對某一定速度範圍而言，換句話說，優良的船型隨速度而異，低速時阻力性能好的船型，在高速時反而不佳。高速時阻力性能好的船型，在低速時不一定好。
目前研究一般水面排水型船的阻力問題，較普遍的是按照傅汝德數將各類船舶分為低速船 $Fr<0.2$ 、中速船和高速船 $Fr>0.3$ 。傅汝德數與速長比有關（船舶速度和船舶長度的比）

一般民用船屬於中低速船的範圍，軍艦屬於高速船的範圍。

又引申到船舶阻力可分為三個部分：摩擦阻力（與船體濕表面積有關）、形狀阻力（與船型有關）和興波阻力（與水面波浪有關）。
低速船航速較低，興波阻力很小，摩擦阻力和粘壓阻力佔主要成分，因此在設計這類船舶時，重點在於減小摩擦阻力和粘壓阻力，因此這類船設計的較為肥短，目的在於獲得較小的船體濕表面積以減小摩擦阻力，但這類船由於型線較短且型線變化較快，易於引起尾部漩渦，導致粘壓阻力增大。（這涉及到流體力學知識，邊界層的問題）
中速船的航速增加，興波阻力增大，設計過程中要減小興波阻力，也要防止其他阻力成分的增長，這類船設計的較為瘦削。

集裝箱船是典型的中低速船舶