2015-船舶阻力(5)-船模试验解析

1、第五章第五章 船模阻力试验船模阻力试验船模阻力试验是研究船舶阻力的最普遍方法，船模阻力试验是研究船舶阻力的最普遍方法，也是新船型从开发到工程应用的唯一途径。现也是新船型从开发到工程应用的唯一途径。现有优良船型资料、估算阻力回归公式、船型系有优良船型资料、估算阻力回归公式、船型系列图谱都来自船模阻力试验。列图谱都来自船模阻力试验。5-1 船模阻力试验的目的，试验设备概述船模阻力试验的目的，试验设备概述一、船模阻力试验的目的一、船模阻力试验的目的目的：研究船模在水中等速直线运动时目的：研究船模在水中等速直线运动时所受到的阻力和航行状态。所受到的阻力和航行状态。内容：内容：1. 船型研究：比较不同船

2、型阻力性能的优劣，但逐步船型研究：比较不同船型阻力性能的优劣，但逐步被船型数值优化方法取代被船型数值优化方法取代2. 确定设计船舶的阻力性能：对具体设计的船舶进行确定设计船舶的阻力性能：对具体设计的船舶进行阻力试验，计算有效马力，供螺旋桨设计。阻力试验，计算有效马力，供螺旋桨设计。3. 预报实船性能：自航试验前，必须进行阻力试验，预报实船性能：自航试验前，必须进行阻力试验，为分析自航试验结果，预报实船性能提供数据。为分析自航试验结果，预报实船性能提供数据。4. 系列船模试验：提供各类船型的阻力图谱。系列船模试验：提供各类船型的阻力图谱。5. 研究各种阻力成分试验：如波系分析、尾流测量。研究各种

3、阻力成分试验：如波系分析、尾流测量。6. 附体阻力试验：轴支架、吊舱等。附体阻力试验：轴支架、吊舱等。7. 流线试验：用确定舭龙骨，轴支架等附体的方向。流线试验：用确定舭龙骨，轴支架等附体的方向。8. 航行状态试验：测量高速船的纵倾和升沉。航行状态试验：测量高速船的纵倾和升沉。二、试验设备二、试验设备1. 船模试验水池（拖车式）船模试验水池（拖车式）水池水池: 170米x7米x4米 拖车拖车: 自重13吨、最大速度8米/秒 造波机造波机: 20块造波板组成、最大波高0.4 米、可以 造规则波、不规则波、非线性波、碎波 螺旋桨敞水动力仪螺旋桨敞水动力仪: 推力最大量程200N,功率4kW 大功率

4、螺旋桨敞水动力仪大功率螺旋桨敞水动力仪: 最大推力5000N,功率50kW 四自由度适航仪四自由度适航仪: 最大量程200N，升沉、纵摇、横摇、阻力 自航动力仪自航动力仪: 最大推力100N 徐汇校区拖曳水池于1958年建成，是新中国最早建成的双轨道船模拖曳水池。1978年成为国际船模试验池会议（ITTC）的成员，1984年被推选为ITTC的顾问委员会委员，是海洋工程国家重点实验室的重要组成部分。徐汇校区拖曳水池的长度为110m，宽6.0m，水深3.0m。拖车的最大拖曳速度可达6.0m/s。冲箱式造波机可产生规则波和不规则波，最大波高可达0.30m。目前在建的闵行校区多功能拖曳水池，池长300

5、m，池宽16m，池深7.5m，最大拖曳速度10m/s，可以满足现代船舶的工业研发需求。（重力式）（重力式）2. 循环水槽循环水槽1拖车式船模试验池拖车式船模试验池 拖车式船模试验池的拖车式船模试验池的优点优点是：可以采用较大尺度是：可以采用较大尺度的的 船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较高；其次，拖车式船池能进行广泛的试验，除了船模高；其次，拖车式船池能进行广泛的试验，除了船模阻力试验外，还可以进行以下诸方面的试验研究：阻力试验外，还可以进行以下诸方面的试验研究： (1) 测量和观察船体表面的流动状况，这对于船体线测量和观察船体表面的流动状况，

6、这对于船体线型设计和附体布置是很有价值的；型设计和附体布置是很有价值的； (2) 船舶推进方面的试验，如螺旋桨模型的敞水试船舶推进方面的试验，如螺旋桨模型的敞水试 验、船模自航试验以及进行船体与螺旋桨的相互验、船模自航试验以及进行船体与螺旋桨的相互 作用问题的研究等；作用问题的研究等； (3) 船舶耐波性方面的试验，主要研究船模在波浪船舶耐波性方面的试验，主要研究船模在波浪 上的运动和航行状态；上的运动和航行状态； (4) 操纵性方面的试验；操纵性方面的试验； (5) 强度和振动方面的试验强度和振动方面的试验。船模系列试验：船模系列试验：，通过试验比较不同船型阻力性能的优劣。，通过试验比较不同

7、船型阻力性能的优劣。，为设计推进器服务。，为设计推进器服务。2. 循环水槽循环水槽可以进行类似于船模水池的试验内容。尽管试验方法可以进行类似于船模水池的试验内容。尽管试验方法有所不同，但试验原理相同。由于水槽一般较窄，池有所不同，但试验原理相同。由于水槽一般较窄，池壁影响较大。特别是由池壁反射波的影响，船模和实壁影响较大。特别是由池壁反射波的影响，船模和实船后的波系完全不同，兴波阻力与实船误差较大。因船后的波系完全不同，兴波阻力与实船误差较大。因此，循环水槽，只适用于定性的演示试验。此，循环水槽，只适用于定性的演示试验。FNS=FNmsmsmLLvv222)(smsmLLSS=1试验准备试验准

8、备 为了进行阻力拖曳试验，必须进行一系列试验准备工作：为了进行阻力拖曳试验，必须进行一系列试验准备工作： 首先，按一定要求制作试验用的船模。可采用木模和蜡模。首先，按一定要求制作试验用的船模。可采用木模和蜡模。 船模与实船满足几何相似，表面光滑，满足一定的加工精度。船模与实船满足几何相似，表面光滑，满足一定的加工精度。 其次，船模在试验前要安装人工激流装置。其次，船模在试验前要安装人工激流装置。其目的是使船其目的是使船模处于与实船相同的湍流流状态，消除船模首部层流段对阻力模处于与实船相同的湍流流状态，消除船模首部层流段对阻力试验和换算准确性的影响。试验和换算准确性的影响。 其三，准确地秤量船模

9、重量和压载重量，以达到按船模缩尺其三，准确地秤量船模重量和压载重量，以达到按船模缩尺比要求的实船相应的排水量。比要求的实船相应的排水量。 最后最后 ，调整压载位置，使船模没有横倾，首尾吃水满足规定，调整压载位置，使船模没有横倾，首尾吃水满足规定的要求。的要求。 浸湿面积和湿长度的确定。排水型船，与静浮态相同；浸湿面积和湿长度的确定。排水型船，与静浮态相同； 滑行艇，随速度变化，通过摄像滑行艇，随速度变化，通过摄像、摄影或其它方法确定。摄影或其它方法确定。 船体表面的流线测定，目的是使附体能按照流线的方船体表面的流线测定，目的是使附体能按照流线的方 向安向安装以降低阻力，同时通过对流线的安装以寻

10、求改善阻力的装以降低阻力，同时通过对流线的安装以寻求改善阻力的方法。方法。三因次换算法又称（三因次换算法又称（1+k）法。）法。1. 基本思路基本思路1.）将粘压阻力与摩擦阻力合并为粘性阻力并与雷诺数有关。）将粘压阻力与摩擦阻力合并为粘性阻力并与雷诺数有关。2.）兴波阻力与傅汝德数有关。）兴波阻力与傅汝德数有关。3.）根据模型试验结果，认为粘压阻力系数）根据模型试验结果，认为粘压阻力系数Cpv与摩擦阻力系数与摩擦阻力系数Cf之比是一常数之比是一常数k:式中式中k称为形状系数，（称为形状系数，（1+k）称为形状因子，只与船体形状有关。）称为形状因子，只与船体形状有关。)145(1fvfpvCCk

11、CCk或2. 换算方法换算方法1.）船模总阻力系数：）船模总阻力系数：2.）实船的总阻力系数：）实船的总阻力系数：Cwm可由（可由（5-15）式计算并）式计算并代人（代人（5-16）式得：）式得：)155()1 (wmfmtmCCkC)165()1 (wmfstsCCkC)175()(1 (fsfmtmtsCCkCC15届届ITTC推荐的（推荐的（1+k）法计算式为：）法计算式为：无舭龙骨：无舭龙骨：有舭龙骨：有舭龙骨：式中：式中： Cf, Caa分别是粗糙度补贴系数和空气阻力系数。分别是粗糙度补贴系数和空气阻力系数。3. 计算步骤计算步骤1.）Cfs和和Cfm分别为实船和船模的摩擦阻力系数可

12、用分别为实船和船模的摩擦阻力系数可用1957-ITTC公式计算。公式计算。2.）根据傅汝德数）根据傅汝德数Fr=0.1-0.2范围内的试验结果，可用两种方法计范围内的试验结果，可用两种方法计算（算（1+k）值。）值。a.)普路哈斯卡发：普路哈斯卡发：)185()(1 (aaffsfmtmtsCCCCkCC)195()1(aawmffsbktsCCCCkSSSC)205()1 (4fmrfmtmCFykCCb.）15届届ITTC推荐方法：推荐方法：式中式中Fr的指数的指数n 取决于船型，其值在取决于船型，其值在2 6范围内变化。范围内变化。式中式中k, y 和和 n可根据试验结果用最小二乘法计算

13、。可根据试验结果用最小二乘法计算。3.） Cf及及Caa按按15届届ITTC推荐的公式计算：推荐的公式计算：)215()1 (fmnrfmtmCFykCC)225(1064. 0)(10533/1wlsfLkC式中，式中，ks是船体表面粗糙度，取是船体表面粗糙度，取ks=150 10-6(m)；)235(001. 0SACTaa式中，式中，AT是水线以上船体及上层建筑在中横剖面的投影面积是水线以上船体及上层建筑在中横剖面的投影面积；S为湿面积。为湿面积。题。题。 但由图但由图5-5知，各知，各Fr的等值线并不与的等值线并不与1957ITTC摩擦阻力系数摩擦阻力系数 曲线曲线(Fr=0)相平行。

14、相平行。 船模尺度船模尺度, 任意等任意等Fr线间的距离线间的距离 Cr 实船实船Ct 。三、比较不同换算法的合理性三、比较不同换算法的合理性1 无量纲化，避免绝对尺度的影响，在任何单位系统中数值无量纲化，避免绝对尺度的影响，在任何单位系统中数值 都相同。都相同。3 表达形式既要便于换算，又要真实反映不同船型的优劣。表达形式既要便于换算，又要真实反映不同船型的优劣。一一 .目的和要求目的和要求 1 指船型相同、大小不同的船舶之间的阻力换算。显然按不同缩尺指船型相同、大小不同的船舶之间的阻力换算。显然按不同缩尺 比均可由一个船模阻力资料换算得出大小不同船舶的阻力值。比均可由一个船模阻力资料换算得

15、出大小不同船舶的阻力值。2 比较船型不同，但大小相同的船舶之间阻力性能的优劣。比较船型不同，但大小相同的船舶之间阻力性能的优劣。目的目的:要求要求:2 由于船型变化对由于船型变化对Rr影响显著，而对影响显著，而对Rf影响不大，因此选取影响不大，因此选取Fr作为作为 速度参数。当考虑与速度参数。当考虑与Rf有关的问题时，可取有关的问题时，可取Re作为参数。作为参数。二、介绍两种阻力数据表达式二、介绍两种阻力数据表达式1. 泰洛表达式及换算关系泰洛表达式及换算关系这种表达式应用比较普遍。其速度用这种表达式应用比较普遍。其速度用Fr数（或数（或V/L1/2），阻力用单），阻力用单位排水量总阻力位排水

16、量总阻力Rt/ 或单位排水量剩余阻力或单位排水量剩余阻力Rr/ 。1.） Rr/ 对对Fr数的表达式形式数的表达式形式当船模数据已表达为当船模数据已表达为Rrm/ 与与Fr的关系时，则实船的总阻力为：的关系时，则实船的总阻力为：srssfsstsRRRRrs/ s是实船值，对几何形似是实船值，对几何形似Fr相同，其值等于相同，其值等于Rrm/ m。2.） Rt/ 对对Fr数的表达式形式数的表达式形式当船模数据已表达为当船模数据已表达为Rtm/ 与与Fr的关系时，则实船的总阻力为：的关系时，则实船的总阻力为：)255()(sfsmfmmtmstsRRRR)265()(212ffsfmssbsrm

17、tmstsCCCTBCSFRR从（从（5-26）式可知，阻力将随）式可知，阻力将随Fr的平方迅速增加。如将（的平方迅速增加。如将（5-26）两边除以两边除以Fr2可得：可得：)275()(2122ffsfmssbsrmtmrstsCCCTBCSFRFR用（用（5-28）式作图，可使波阻峰、谷点明显。）式作图，可使波阻峰、谷点明显。2. 傅汝德圆圈系数表达法及换算关系傅汝德圆圈系数表达法及换算关系1888傅汝德提出的表达法中，给出了一系列无量纲系数，且以圆傅汝德提出的表达法中，给出了一系列无量纲系数，且以圆圈系数的形式表示。这些表达方法在英国等仍采用，而且这种表圈系数的形式表示。这些表达方法在英

18、国等仍采用，而且这种表示法比较全面，有必要介绍。示法比较全面，有必要介绍。1.）船体几何尺度系数）船体几何尺度系数3/1L3/1B3/1T3/2S从（从（5-28）式可知，几何形似的船，在相应的速度，其）式可知，几何形似的船，在相应的速度，其 相等相等2.）速度系数表达式）速度系数表达式 船速与波长为船速与波长为 的波速之比：的波速之比：)285(4212/3/13/1gg3/121Lg43.）阻力系数关系表达式）阻力系数关系表达式)295(211254100010003/2223/12tttRggRR总阻力系数与总阻力系数与关系如下关系如下 :21000fR21000rR125tC由船模由船

19、模m- 关系曲线，便可关系曲线，便可 换算到实船的换算到实船的曲线曲线 :)275()(ffsfmtntsCCCCC将上式两边乘以将上式两边乘以125/ 得得:)(125125125ffsfmtntsCCCCC)315()(125ffsfmmsCCC对于给定对于给定 122 对对 的情况，则有：的情况，则有：)325()(125122122ffsfsCCC3. 比较不同船型的阻力性能比较不同船型的阻力性能为比较不同船型的优劣，需将不同船型的阻力换算到大小相同的船为比较不同船型的优劣，需将不同船型的阻力换算到大小相同的船舶阻力。在相同船速时，比较单位排水量的总阻力舶阻力。在相同船速时，比较单位排水量的总阻力Rt/ 的大小来判的大