快速性试验船舶性能试验课件

1、第四讲 船舶快速性试验技术 船舶与海洋工程试验技术 1 主要内容 ?试验目的和意义 ?测试仪器 ?试验原理及过程 ?数据处理和分析 2 一 试验目的和意义试验目的和意义(1) ?1.船模快速性试验目的和内容 *船舶快速性是指船舶在一定装载状态下，在某 一指定主机功率时航行的快慢问题。 *通常用快速性试验检验船舶是否达到快速性的 设计要求。快速性试验内容通常包括 阻力试验、 推进器的敞水试验和船模的自航试验。 3 ?阻力试验目的 ?确定船体阻力,研究线型和船体参数变化对船 体阻力的影响,研究各种附体阻力及其对总阻 力的影响,选择优良的线型. ?推进器的敞水试验 ?研究推进器自身的水动力特性及各种

2、参数变化 对性能的影响. ?自航试验 ?分析研究各种推进效率成分的重要手段 ,采用 一定的方法预报实船性能 ,验证是否满足快速 性要求,同时也可以判断船机桨的匹配性 . 一一 试验目的和意义试验目的和意义(2) 4 二 试验设备和仪器 ?水池及控制系统 ?电机及调速仪 ?压力传感器 ?拉压传感器 ?多分力天平 ?自航仪(推扭传感器) ?敞水箱 5 图 3 SIEMENS 6R24 全数字直流调速系统及水池 6 多功能高压直流电机及伺服驱动器 压力传感器 7 拉压传感器及自航仪 8 后置式敞水箱 前置式敞水箱 9 10 ?1试验前的模型准备 a 尺度确定 阻力试验时，要求弗劳得数相等，即 ,故

3、式中： 为缩尺比； （忽略黏性） 敞水试验敞水试验时，要求进速系数相等，即 几何相似： 因此： 根据GB*/Z346-85的规定，用于自航的螺旋桨模型直径不 得小于0.12m。 m m s s gL v gL v ? ? s m v v ? m s L L ? mm Am ss As Dn v Dn v ? ? m s m s L L D D ) 1 1 ( s m sm nn ? ? ? ? ? ? 三、试验原理及试验流程 11 b 激流装置 平板摩擦阻力计算公式主要是适用于湍流，激流丝 的作用是使得层流边界层尽快过渡到湍流边界 层，减少流态对模型阻力换算的影响。 激流丝增加的阻力与船模首部

4、层流降低的阻力抵消。 常用的激流装置有以下几种： ?金属丝 ?狭条粗糙表面 ?急流杆 ?首柱小钉 激流丝的直径 试验报告中必须说明激流丝安装的位置和形式 12 c 吃水标志和安装附件 d 称重和压载 船模试验状态的总质量应与计算的排水量一致。试验完 毕后，船模质量要复秤，两次秤重之差额不应大于0.5%。 e 安装 f 破水（以设计速度破水同时测量力，以确定量程） 13 2 船模静水阻力试验 2.1 船模连接 分为水上水下船模阻力试验。因船模位置不同，而连接 方法不相同。 14 水下阻力试验安装图 15 16 17 2.2 船模阻力试验中物理量的测量 主要物理量是船模阻力和船模速度，对高速船 舶

5、还需要测量航行中的浮态变化。 2.3 试验点安排 从低速到略超过设计航速的范围内选取若干个 速度，一般少于15个。速度间隔大致均匀。 最大速度值一般应大于要求速度的10%。 2.4 试验精度 阻力试验测量精度可取0.2%，拖曳速度的波 动值宜小于0.3%。阻力试验结果的平均误差 小于1.5%。 18 3 试验速度修正 *注意到池壁影响问题。最简便实用池壁修正方法是根据所 谓的阻塞效应修正船模速度。 *阻塞效应的修正： 计算 ，并将试验曲线 修正为 曲线 *根据连续性定理，可得： 或 根据伯努利方程，有 令 ，整理后得： 若已知A、 及 值即可求出回流的平均速度 。 v?)(vvR mtm ?

6、)(vvhbaAAv mm ? )(hbaA hba v v m ? ? ? ? 22 22 )(2) ( 2 1 22 )( m mm mm v v v v v gg v g vv h ? ? ? ? ? ? m vvx/? )2( 21 2 2 xx g b x Ax a m ? ? ? mtm vR? a m v v? 19 池壁修正曲线 20 ?池壁修正2： V/V = m1/(1 - m1 Fnh2) 式中m1= Am/(bh), 当m1小于 1时影响细微可不修正。 21 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 1

7、3.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 25.0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.6 Vm (m/s) R m ( k g f ) 7.5米吃水状态 Rm 7.5米吃水状态 Cr 6.5米吃水状态 Rm 6.5米吃水状态 Cr 5.5米吃水状态 Rm 5.5米吃水状态 Cr 22 4 船模阻力试验结果的换算方法 *二因次方法亦称弗劳德方法，三因次方法为1978年ITTC性能委 员会推荐的方法。 4.1 二因次法 弗劳德假定： 船的总阻力分为摩擦

8、阻力和剩余阻力两部分组成。且认为摩 擦阻力仅与雷诺数有关，剩余阻力仅与弗劳德数有关； 因此，有： 或 根据弗劳德假定，实船的剩余阻力系数 和模型的剩余阻力系 数 是相等的。而摩擦阻力是雷诺数的函数且与物体的形状有 关。由于流线型物体表面曲率对剩余阻力的影响不甚明显，弗 劳德有假定，船的摩擦阻力与速度同长度同湿表面积的平板摩 擦阻力相同. rmfmtm RRR? rmfmtm ccc? rs c rm c 23 1957年的第八届ITTC建议取 考虑到粗糙度对剩余阻力的影响，引入粗糙度附加值 实船裸体总阻力系数为 实船的总阻力和有效功率为 ? 弗劳德提出的换算方法曾被世界各国的船模试验池中广 泛

9、使用，直到现在仍在继续使用。用该假定进行计算的 结果与实际相当接近，而要建立更完善、合理的假定有 很多困难。严格地说，弗劳德假定既不合理，又不完善。 2 )2Re(log 075. 0 ? ? f c 3 104 . 0 ? ? f c frfsTSN cccc? 2 2 1 sststs SvcR? 24 4.2 三因次法 三因次换算方法是1978年第15届ITTC推荐 的方法。将船的总阻力分为三个部分，即平板 摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。粘压阻力 包括摩擦阻力的形状效应和因边界层分离而产 生的旋涡作用。两者均因水的粘性而产生，所 以应为雷诺数的函数。 wef

10、t RRRR? weft cccc? 船的总阻力可以写为 或 25 式中，1+k为形状因子，k称形状系数。它只 与船形有关，且认为几何相似的船的形状因 子1+K是相同的。形状因子根据船模在弗劳德 数Fr=0.1-0.2范围内阻力试验结果，按下式 确定： A及n等数值均由最小二乘法确定，指数n的范 围为2.06.0。 如果将摩擦阻力和粘压阻力合并计算，并 称之为粘性阻力，可以写为： wft cckc?)1 ( fm n r fm tm c F Ak c c ?)1( 26 ?1978年第十五界届ITTC性能委员会推荐的方法中，船的总 阻力还需要考虑空气阻力及粗糙度附加。 有舭龙骨实船的总阻力系数

11、为 cm船模的总阻力系数 实船粗糙度附加，按下式计算： cAA空气阻力系数，按下式计算： ?N = 4 , PROHASKA 法 （普鲁哈斯咔法） AAfRfsta cccckc?)1 ( AARffs bk ts cccck S SS c? ? ?)1 ( 3 3 1 1064. 0)(105 ? ? WL s f L k c S A c T AA 001. 0? f c? 27 4.3 误差来源误差来源 ?试验本身的一些影响因素 ?池壁影响 ? 尺度效应 ?拖车速度（加速度、平稳度） ?轨道平直 ?消波（开过后，要等一段时间，等水平静后再开） ?测量仪器本身的误差 28 5 螺旋桨模型的敞

12、水试验 1对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定 实际螺旋桨的水动力性能。 2通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种 几何要素对水动力性能的影响。 3检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方 法。 4通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用 图谱，供设计螺旋桨使用。现时广泛使用的楚思德 B 系列图谱和MAU系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水 试验的结果。 29 5.1 螺旋桨模型试验的相似条件和要求 ?几何相似；Dm的决定；150mm / 300mm ?螺旋桨模型有足够的深度； ?试验时雷诺数应大于临界雷诺数。 ?进度系数相等。 螺旋桨雷诺数采用ITTC推荐表达式： 临界雷诺数一般大

13、于3105 桨模的沉深深度： v nDvc R a e 22 75.0 )75.0(? ? ms Dh)0.1625.0(? 30 ? , , , , - rotational speed, - diameter of propeller - pressure in water, - dynamic viscosity - speed of advancing, - Thrust A A TfD V g n p nD p VT ? ? ? 31 242 1 2 2 1 2 24 Using D.A, the non-dimensinal formula is given by, , Froud

14、e #: , Euler #: , Reynolds #: : , : The AAA A AA A A T VVV DTp f n DnDVgD VV Dp VgD VT JK nDn D ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Advanced ratioThrust coeff. 25 Advanced ratio is related to the slip ratio 1. Define as the to drive a propeller .: A Q V nP Q Q K n D? ? ? ? ? ? Torque The torque coeff 32 In open wate

15、r, the propeller efficiency coeff.: . 222 When all the dimensionless parameters are the same for the two propellers, the two propellers will b ATAT o QQ TVKVKJ nQKnDK ? ? ? geometrically similar 1 2 e . Scale ratio: For the same Froude #: For the same advance ratio (most important) indicating the mo

16、del rotating faster. s m Ass Amm sAsm mAms D D VD VD nVD nVD ? ? ? ? ? ? ? ? dynamically similar 33 22 11 22 For the same Euler # : If the cavitation performance is not an issue, this number is not of importance & may be neglected in the dynamical similarity. - wat AA ms sossw os pp VV ppH p ? ? ? ?

17、 ? ? ? ? ? ? ? 2 2 er surface pressure, is the depth of a propeller. In general, , . Because 1, and . has to be negative, thus the model test is carried out in s A ms msms A s msmommw om H V p pp V ppppH p ? ? ? ? ? a vacuum (cavitation) tunnel. 34 1 For the same Re: , which is contradict to the sim

18、ilarity of Fr. Therefore, it is almost impossible to satisfy the Fr & Re similarity laws simutanously. Similar to the assumption made Asms Amsm VD v VD v? ? in model resisrtance tests, we assume viscous force is independent of other dynamic forces. Hence, it may be computed separately. In reality, v

19、iscous force is usually a small portion of the total force. The smilarity of Re is neglected in propeller model tests. Therefore, propeller model tests follows & (advance ratio) similarity laws. If the cavitation is relevant, then the Euler number sho FrJ uld be the same as well.35 Propeller Model T

20、est A test on a model propeller is run either in a towing tank or a running flow in a water tunnel (cavitation tunnel) without a model hull in front of it, which is called “open water” tests. 1) V A velo.of flow 2.) n - rotation of motor 3.) po - pressure can be controlled Measure V A , Q, T, and n.

21、 36 Development of cavitations of a propeller in a cavitation tunnel 37 38 39 KQ KT Testing results 0 ? A V J nD ? Slip ratio1, Pitch ratio, section types & # of blades. A VP nPD ? 2425 Trust coeff. , Toeque coeff. , . 22 TQ AT o Q TQ KK n Dn D TVKJ nQK ? ? ? ? ?Open-water efficient 40 Purpose of op

22、en-water tests ? It is usually to carry out open water tests on standard series of propellers. Their features (such as # of blades, blade outline shape, blade area ratio, blade section shape, blade thickness fraction, boss diameter & pitch-diameter ratio) are systematically varied. The result data a

23、re summarized in a set of particular diagrams, which can be used for design purposes. We will study how to use these diagrams later for designing a propeller. ?Studying the efficiency of a propeller and find a propeller with better efficiency ?Studying the extent and development of cavitations over

24、a propeller. 41 5.2 试验设备及试验 主要设备是螺旋桨动力仪 42 试验前准备工作 ?仪器的标定（静标） ?采用假毂测量零扭矩 ?推力修正 ?仪器动标 43 敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。 速度范围应从va0至推力小于零的进速之间，在该范围 内测点取15个左右。 试验数据的表达： 进速系数： 推力系数： 扭矩系数： 效率： nD v J a ? 42 Dn T KT ? ? 52 Dn Q KQ ? ? Q T K KJ ? ? ? 2 0 44 5.3尺度作用修正 因雷诺数的不同对螺旋桨性能的影响称为尺度作用。一 般说来，尺度作用对推力的影响较小。在同

25、一进度系数 时，实桨和桨模的推力系数、扭矩系数及效率之间的关 系(即尺度作用的影响)为 ， ， TsTm KK? QsQm KK? sm00 ? 概括地说，对模型试验结果的尺度修正有下列三种办法。 ?不修正； ?仅修正扭矩系数KQ； ?1978年ITTC推荐的修正方法： 45 ?1978年ITTC推荐的修正方法： ， 及 由下式决定： ， 式中： TTmTs KKK? QQmQs KKK? T K? Q K? z D C D P CK DT )( 3 . 0 ? ?z D C CK DQ )(25. 0? DsDmD CCC? ) Re 5 Re 044. 0 )(21 (2 3 2 6 1

26、? C t C Dm 5 . 2 )log62. 189. 1)(21 (2 ? ? p Ds k C C t C 46 ? 螺旋桨敞水试验是将螺旋桨安装在敞水箱上，浸深 大于1.0倍的螺旋桨直径，转速满足临界雷诺数大于 3.0105 进速系数J 螺旋桨 推 力 (kg.f) 螺旋桨 扭 矩 (kgf.cm) 推力系数Kt 螺 旋 桨 扭矩系数 10Kq 敞水效率 0.000 8.190 15.537 0.268 0.282 0.000 0.132 7.023 13.870 0.229 0.251 0.191 0.262 5.700 11.990 0.185 0.216 0.358 0.393

27、 4.231 9.570 0.137 0.172 0.499 0.459 3.477 8.480 0.113 0.153 0.541 0.528 2.417 6.800 0.079 0.124 0.538 0.595 1.516 5.458 0.050 0.100 0.474 0.661 0.632 4.013 0.021 0.073 0.299 0.724 -0.397 2.260 -0.013 0.041 -0.365 47 图3 ：MAU4-60 P/D0.622 敞水曲线 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.

28、55 0.60 00.10.20.30.40.50.60.70.8 J 0 ， K t , 1 0 K q 48 49 50 51 52 53 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.50.60.70.80.911.1 J Exp KtExp KqExp KtKq 54 6 模型自航试验 自航试验则是判断船、机、桨三者配合后 的综合性能。主要目的： 1）分析和研究各种效率成分，研究桨、船两 者相互影响； 2）预报实船性能； 3）判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否 良好。 55 自航试验时，要求船模和桨模的雷诺数超过临界雷诺数。 同时也要求满足弗劳德数和进速系数相等

29、德条件，即 为了试验时使各种力都成三次方关系，需要对摩擦阻力 进行修正，增加一个修正值FD，人为地凑成三次方关系。 该修正值称为摩擦阻力修正值，即 ? sm nn? 3 ? ? ? m s ms TT ? ? s m v v? m m s s gL v gL v ? ? mm Am ss As Dn v Dn v 3 ? ? ts s m tmD R RF? )( 2 1 2 fsfmmmmD ccvsF? 使螺旋桨模型与实桨的载荷一致 56 试验的准备工作 船模及螺旋桨模型与阻力和敞水试验相同 螺旋桨及舵与船体间的相对位置都要按实船的情况几何相似 地安装。 船模的总重量包括测量仪器及压铁等组

30、成的排水量必须与实 船的排水量几何相似。 在船模内横向和纵向移动压铁，调整浮态，使船模两侧的首、 中、尾吃水符合要求。 船模与拖车的连接安装基本与阻力试验相同。 57 自航试验方法 ?船模自航试验有纯粹自航和强迫自航两种方法。 ?纯粹自航法又称大陆法 。该方法是事先在船模上扣 除船模速度时的摩擦阻力修正值，当船模以速度运 动时，调节螺旋桨转速，使其发出的推力满足下列 条件： ?强迫自航法又称英国法 。该方法是在某一船模速度 下，在船模运动方向上施加一系列的强制力 Z，其中 应包括Fd在内，船模在强制力和推力的共同作用下 达到力的平衡，即： 对某一选定的自航速度，一般取 5个不同的强制力， 为使

31、试验点分布较为均匀合理，一般取 Z10，相当 于船模自航点。Z3Fd，相当于实船自航点 . mDm RFtT?)1 ( tmm RZtT?)1 ( 58 59 自航试验过程自航试验过程 ?.安装调试等准备工作； ?校正零点，采集零负载推力扭矩； ?在某一航速下计算摩擦阻力修正值 FD，在FD附近 （从0到2 FD ）取5个值，得到某一个航速不同的 转速对应的推力和扭矩； ?航速一般不少于四个，其中第三个速度一般为设 计航速，强制力大约从 02FD，摩擦阻力修正值按 照下式粗略估算 ? 经常遇到的问题： ?行车速度不稳定 ?电机转速不稳定导致读数的不稳定 ?自航阻力和阻力试验阻力值不同 60 3 ? ? ts s m tmD R RF?61 自航试验结果分析 ?原始数据 ?阻力试验结果（阻力和有效马