第5节 船模阻力试验.docx

1、第5节 船模阻力试验第五章 船模阻力试验船模试验是研究船舶阻力最普遍的方法，目前关于船舶阻力方面的知识，特别是提供设计应用的优良船型资料及估算阻力的经验公式和图谱绝大多数是由船模试验结果得来的。新的理论的发展和新船的设计是否能得到预期的效果都需要由船模试验来验证。而理论分析的进一步发展，又为船型设计和船模试验提供更为丰富的内容，以及指出改进的方向。因此船模试验是进行船舶性能研究的重要组成部分。本章先对船模试验池和船模阻力试验作一简要介绍，然后分别从设计和研究观点来讨论表达船模阻力数据的方法。 5-1 拖曳试验依据、设备和方法船模试验是研究船舶阻力性能的主要方法。因此需要了解船模阻力试验的依据，

2、试验设备和具体的试验方法。一、船模阻力试验的依据由1-2的阻力相似定律指出：如能使船模和实船实现全相似，即船模和实船同时满足Re和Fr数相等，则可由船模试验结果直接获得实船的总阻力系数。1-4中已阐述船模和实船难以实现全相似条件。根据现实可能性，也不能实现船模和实船单一的粘性相似，即保持Re相等，这是因为，如要使Rem= Res，则必有：m Lm /vm = s Ls /vs即 m = s vm / vs (5-1)式中，为船模缩尺比。因为船模和实船的运动粘性系数两者数值相近，如假定vm = vs，则(5-1)式为： m = s (5-2)由于船模均要比实船缩小几十倍以上，因而要求船模的速度较

3、实船速度大几十倍，甚至达到超音速情况下进行试验，显然是不现实的。因此船模阻力试验，对水面船舶来说，实际上就是在满足重力相似条件下(保持Fr数相等)进行的。由于是在部分相似条件下所得的船模阻力值，因此必需借助于某些假设，诸如傅汝德假定，休斯假定等才能换算得到相应的实船总阻力。二、船模试验池船模试验池是进行船舶性能研究和某些结构、强度试验的重要设施，因而世界各国均普遍建造了各种船模试验池。普通的船模试验池，其主要任务是进行船舶模型的拖曳、自航及适航性等试验。水池狭而长，配置有拖动设备和测量仪器以测得船模在不同速度下的阻力值。为了避免海水的腐蚀作用，试验池的水都采用淡水。为了提高船模试验的精确性，使

4、能对较大尺度船模进行试验，并能更广泛地进行船舶性能、强度和振动等多方面的试验研究，通常需要建立拖车式船模试验池。船模试验池的尺度主要由船模的大小和速度而定。此外，还与拖曳设备的特点、试验的要求等有关，因为水池的长度和拖车的速度实际上对船模的尺度和速度有一定的限制。船模每次试验时，启动拖车并加速到所需的试验速度，需要经过一段距离，然后进入匀速段，测量和记录船模的阻力和速度，最后拖车开始减速直至停止，需要留有一段减速距离。显然水池的长度应大于这三段距离之和。船模速度越高，则各段的距离相应亦要增加，特别是匀速段距离越长，越易于进行测量和记录。由于试验是在保持Fr数相同的条件下进行的，所以船模的试验速

5、度与缩尺比的平方根成反比。当船池的长度、速度受到限制时往往只有通过增大缩尺比，减小船模尺度和速度来进行拖曳试验。此外，船池的宽度和深度也应以减少池壁和池底对船模试验的影响为依据，即池壁干扰作用不致过大，以保证试验的准确性。所以长度较大的船模试验池其池宽和池深也要相应增大。 有不少船模试验池具有假底设备，池底与水面的距离可以调节，因此可作浅水船模试验。如果在假底上再建造边壁，则就可以进行限制航道中的阻力试验。近年来，为了进行限制航道船模试验，亦有将试验池的水面放低，同时阻力仪也相应下降来做试验的。也有建造专门的浅水试验池供进行限制航道船模试验之用。船模试验池按照拖曳船模的方式可分为拖车式和重力式

6、两种。1拖车式船模试验池拖车式船模试验池都装有沿水池两旁轨道上行驶的拖车，如图5-1所示。拖车的用途首先在于拖曳船模保持一定方向和一定速度运动。其次安装各种测量和记录仪器，例如测定船模拖曳阻力的阻力仪、记录船模升沉和纵倾的仪器以及记录船模速度的光电测速仪等，甚至为了便于观察试验现象、拍摄照片和录像，在拖车上还设有观察平台。现代船池的拖车上还配置有计算机处理系统，以便迅速地给出试验结果。拖车式船模试验池的优点是：可以采用较大尺度的船模，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

7、，这对于船体线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；(3) 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；(4) 操纵性方面的试验；(5) 强度和振动方面的试验。2重力式船模试验池这种试验池较拖车式试验池简单得多，它没有拖车设备，是靠重量的下落来拖动船模的，如图5-2示。砝码的重量就等于船模的阻力，如同时记录船模被拖动一定距离所需要的时间，就可得到相应的船模速度。因此，重力式船模阻力试验是在给定阻力情况下，测定船模相应的速度。重力式船模试验池的优点是：水池小，设备简单，建造成本低，

8、并具有一定的准确性。其不足之处是：船模尺度小，尺度效应大，因此在一定程度上使试验内容受到限制，而且将影响试验结果的精确性，此外也不便于观察船模的运动和水流情况等。三、船模阻力试验方法和内容如前所述，船模阻力试验是将实船按一定的缩尺比制成几何相似的船模，在满足Fr数相等的条件下，在船池中拖曳以测得船模阻力与速度之间的关系。1试验准备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。船模的缩尺比依据水池的长度、拖车最高速度以及实船的尺度和航速来确定。船模线型要与实船保持几何相似，表面必须光洁，满足一定的加工精度。船模所使用的材料通常有蜡质和木质两种。木质船模不易变形

9、并可以保存。对于一些重要的和试验周期较长的模型，采用木模为宜，但其加工困难，时间长，成本高；而蜡模加工方便，时间短，便于改型，且石蜡又可重复使用，唯在夏季气温较高时容易变形。其次，船模在试验前要安装人工激流装置，一般用细金属丝缚在船模的9站处，则在细金属丝以后的边界层中产生紊流，这细金属丝称为激流丝。船模安装激流丝后，进行称重工作。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。最后通过调整压载位置使船模没有横倾，首尾吃水满足所要求的吃水情况。2阻力试验测量数据完成上述试验准备工作后，可以进行船模拖曳试验。试验要求测量和记录的主要物理量有船模速度、船模阻力、船模纵倾角、

10、重心升沉和浸湿长度等，这些量的测量方法介绍如下：(1) 船模速度记录：根据实船长度、航速范围和模型尺度按Fr数相似的原则，确定船模的速度范围，然后在不同的速度下进行拖曳试验。船模速度就是拖车速度。具体方法有由机械式测速轮得到距离记录与相应的时间记录来计算船模速度，或应用光电管原理，通过数字记录器直接读出船模速度。(2) 船模阻力的测量：阻力测量与速度记录应同时进行。船模阻力可由专门仪器，即阻力仪测得。阻力仪有机械式和电测式两类。图5-3为机械式阻力仪的原理图。由图可知，当拖车作匀速运动时，船模阻力Rtm中的主要部分由砝码盘上的砝码重量W所平衡，而剩余部分则由摆锤p的偏移来平衡。由力矩平衡原理得

11、：W rB p lp sin = Rtm rA由此得船模阻力其中，rA和rB分别为阻力仪同轴轮A和B的半径；lp为摆锤p到轮中心的距离；为摆锤p的偏移角度。因此对于给定的阻力仪摆轮，只要已知砝码的重量W，并由记录筒记录下摆针的偏移，就可求得船模阻力Rtm值。上述是机械式阻力仪的原理，但具体的结构形式可以是各式各样的。电测式阻力仪的基本原理是通过测定并记录传感器在受到阻力情况下的变化信号，然后根据传感器受力大小与其相应的变化信号间的标定关系来换算得相应的阻力值。电测式阻力仪记录测量方便，便于应用计算机进行数据处理。但周围环境对记录仪的影响较大，因而其精确性并不比机械式阻力仪高。(3) 船模纵倾角

12、和重心升沉的测量：可以用纵倾仪或专门用来测量船模运动的仪器来测量船模纵倾角和升沉。(4) 浸湿面积和湿长度的确定：通常对排水式船舶由于航行中航态变化小，所以认为浸湿面积和湿长度与静浮状态下完全相同。但对于滑行艇，其湿长度和湿表面积将随拖曳速度而变化。因此，对于每一拖曳速度，可以通过目测、摄影或摄像得到。此外，船体表面的流线测定也是船模阻力试验的内容之一。流线试验的目的是为了使附体能按照流线的方向安装以尽量降低附体阻力；同时通过对流线的分析以寻找改善阻力性能的方法。我国一些水池采用在船模上涂油漆的方法或安装丝线方法来进行流线试验。图5-4是流线试验所得的一个例子。3船模与实船阻力换算船模阻力试验

13、的主要目的是由试验所得的船模阻力换算得到实船的静水总阻力或有效功率值。具体的换算方法有两种：一是基于傅汝德假定的傅汝德换算法；另一是根据休斯提出的三 因次换算法或称为(1+k)法。前者在1- 4中已 作详细叙述，即由模型试验测得船模总阻力后， 实船总阻力或总阻力系数可按(1-25)和(1-26) 式换算得到。三因次换算法如在2-8中所述， 相应速度下的实船总阻力系数可按(2-49)式换算得到。这两种换算方法均可列表进行。 5-2 船模阻力数据表达法由船模阻力试验可得到船模阻力与速度之间的关系曲线，进而通过阻力换算得到实船的阻力和有效功率曲线。但为了对所设计的船舶能更方便地进行船体阻力换算以及不

14、同船型之间比较阻力性能的优劣，需要将由船模试验所得的阻力(或功率)与速度之间的关系，以一定的参数、恰当的形式来表达，这称为船模数据表达法。一、表达法的目的和要求船模阻力数据表达法的目的有以下两方面：一是船体阻力换算。这是指船型相同，而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船模阻力资料换算得各大小不同船舶的阻力值。另一是比较船型阻力性能之优劣。这是指船型不同，但大小相同或相近的船舶之间阻力性能优劣的判别。目前，尽管对船模数据表达尚未取得一致意见，因而国际船模试验池会议还不能推荐一种能被大家所共同接受的表达方法，但为了达到上述目的，倾向性的意见认为恰当的表达法应具有的几个基本要求是明

15、确的：(1) 无量纲化。为了具有普遍意义，表达式常采用无量纲形式表示。这样既避免绝对尺度对阻力值的影响，同时所表示的各参数的数值在任何单位系统中都是相同的。(2) 选定Fr数或类似形式作速度参数。因为船体总阻力是Re和Fr数的函数，且按傅汝德假定认为：Rt = Rf(Re)+ Rr(Fr)由于船型变化对Rr影响显著，而对Rf影响不大，考虑到表达法的目的之一在于比较不同船型的阻力性能，因而取Fr作为速度参数为宜。而只有在讨论某些与摩擦阻力有关的问题时，才取Re作速度参数。(3) 阻力与速度之间的函数形式既要便于进行阻力换算，又要能够比较不同船型的阻力性能的优劣。那种难以进行船型阻力性能比较的表达

16、法并不能被广泛应用。二、介绍两种阻力数据表达法由于应用的直接目的不同，因而船模阻力数据表达法的形式很多，这里介绍两种应用较为广泛的表达法。1泰洛表达法及其换算关系这种表达法应用比较普遍。其速度参数采用Fr数(亦有用V/)，阻力是用单位排水量总阻力Rt/或单位排水量剩余阻力Rr/或Cr的形式表达。(1) Rr/对Fr的表达形式当船模数据已表达为Rrm/m与Fr的关系时，则换算到相应的实船阻力和有效功率较为方便，因为实船有：Rts /s = R f s/s + R rs/s其中，单位排水量摩擦阻力R f s/s可应用平板摩擦阻力公式计算；而R rs/s对于几何相似的船和船模，在速度相应时等于R r

17、m/m，即由给定的表达曲线直接得到。(2) Rt/对Fr的表达形式如果船模试验数据以Rtm/m对Fr形式表示，则换算实船情况下的阻力表达关系由下列可得：因为 Rts /s = R f s/s + R rs/s由比较定律知，在相应速度时：R rs/s = R r m/m = R tm/m -R f m/m所以 R ts/s = R t m/m- (Rf m/m -R f s/s) (5-3)又因同样可得将该两关系式代入(5-3)式，并考虑到对几何相似的船模和实船必有：所以得到实船的阻力换算关系式： (5-4)因为阻力随Fr数而迅速增加，在实用上将纵坐标以横坐标Fr数的平方除之，使作图时比较方便，

18、且可使波阻峰点和波阻谷点明显。因而泰洛表达法中亦有用Rt/Fr2-Fr的形式表示，由(5-4)式可得对应的实船换算关系为： (5-4a) 显然，(5-4)式及(5-4a)式中的第二项是由于实船和船模的Re不同引起的摩擦阻力系数的差别，亦即由尺度作用造成的，所以称为摩擦阻力修正值。2傅汝德圆圈系数表达法及其换算关系1988年傅汝德提出的表达法中给出了一系列无量纲系数，而且以圆圈系数的形式表示。这种系数形式的表达方法虽然主要在英国等一些国家仍有被采用，但由于历史原因，特别是这种表达法比较全面，因此有必要作简要介绍。傅汝德表达法中的圆圈系数有三种：第一种为表达船体几何尺度的系数。用以表示无量纲化的线

19、性尺度取排水体积的1/3次方，即 1/3，而不是L。这些系数有：长度系数= L/ 1/3，宽度系数= B/ 1/3，吃水系数= d/ 1/3以及湿表面积系数= S/ 2/3等。对于船模和实船，相应系数是必定相等的。第二种是速度表达系数。其有三种不同形式。其中除在第二章兴波阻力中已有说明的外，还有速度系数，其定义为：船速与波长为 1/3的波速之比，即 = (5-5) 由定义可知，对几何相似船，在速度相应时，它们的值应相等。此外，还有速度系数，其定义为船速与波长为L的波速之比，所以可表示为： =第三种是阻力表达系数，有三种形式：总阻力系数定义为： = 1000/2 = (5-6) 此外，有类似定义

20、的摩擦阻力系数和剩余阻力系数分别为=1000/2和= 1000/2 。采用形式的原因在于：如果直接用Rt/对的形式来表达的话，则在高速时的Rt/将急剧增加，以致阻力曲线非常陡直，掩盖了诸如兴波阻力的峰谷等重要特性。所以傅汝德用2除以Rt/，并乘以1000，这样既可显示这些特性，又避免给出过小的阻力系数。总阻力系数和Ct = Rt/2S之形式不同，但都表示总阻力的特性。可以证明两者存在如下关系：/ 或者 = (5-7)由此可见对几何相似的实船和船模，它们的与总阻力系数Ct成正比关系。根据上述给出的无量纲系数的定义，由模型试验所得船模阻力与速度的关系可用m- 的形式来表达，但常见的是用已换算到船长

21、为122m的122对的形式来表达，图5-5为系列60模型的曲线。 由模型的m-关系曲线，可以换算得实船的s曲线。这是因阻力关系式为：Cts = Cfs + ( Ctm - Cfm )+Cf = Ctm-( Cfm - Cfs - Cf )参照(5-7)式，以相应的值代入上式，则有： s = m-(Cfm - Cfs - Cf ) (5-8)对于给定122对的情况，则有： s = 122-(Cf 122 - Cfs - Cf ) (5-9) (5-8)式和(5-9)式中的第二项叫摩擦阻力修正值，同样是由于尺度作用引起的。该两式就是傅汝德表达法的实船与船模阻力换算关系式。3比较不同船型的阻力性能在

22、船舶设计过程中比较不同船型的优劣时，应首先把不同船型的阻力资料均换算到大小相同的船舶之阻力，然后在相同速度时比较单位排水量总阻力Rt/的大小作为判别不同船型阻力性能优劣的衡量标准。采用这种船型优劣衡量标准主要考虑Rt/，实际上体现了船舶的经济性。但由于尺度作用的影响，即使船型相似，但大小不同的船，它们的Rt/值是不同的。所以，只有对大小相同的船，在相同速度下才能准确地判别船型的优劣。根据上述船型衡量标准，因此对不同的阻力数据表达法，具体的比较方法亦不完全一样。(1) 傅汝德表达法比较阻力性能如果用傅汝德的对表达法比较不同船型的阻力性能时，应首先要换算到同一排水量情况下的-曲线，这样相同值也就是

23、速度相同，因此只要计算设计航速时的值，并在该值处绘一垂线，即可得相应于值最低的船型，如图5-6所示。现行习惯是将阻力换算到船长为122m的122对的表达形式。因此在比较相同长度的不同船型的阻力性能时，必须在各船的排水量长度系数/L3保持相同的情况下进行，这样在相同的值就是在相同的速度情况下进行比较，如图5-7所示。(2) 泰洛表达法比较阻力性能对于泰洛的Rt/对Fr表达法只要换算到相同船长情况下的对应曲线，就可以比较不同船型的阻力性能，这样在相同Fr数时的阻力性能比较，实际上就是在速度相同情况下对不同船型阻力性能的比较。若在设计时，如船长和速度已知，则在相应的Fr数处绘一垂直线，即可得对应于R

24、t/最低的船型。如果用单位排水量剩余阻力Rr/对Fr表达法比较不同船型的阻力时，同样应换算到相同船长情况下进行，在相同的Fr数，即在相同速度下获得对应于Rr/最低的船型就是阻力能优良的船型，因为当船长一定时，船体形状变化对湿面积影响不大，亦即对摩擦阻力影响不大，因此Rr/最低就意味着单位排水量总阻力Rt/最低。由上知，在设计过程中根据不同情况可以选用不同的表达法来比较不同船型的阻力性能。若在决定船型前船长L和船速V已确定则可用泰洛表达法，而如果在排水量和船速给定情况下则选用傅汝德表达法较方便。应该指出，船模阻力数据表达法的形式很多，但有些方法并不恰当，因其在相同的速度系数下并不能用来比较不同船

25、型的单位排水量总阻力Rt/的大小，亦即不能比较不同船型的阻力性能。常见的122对V/表达法就是一例。这是因为： (5-10)显见除非参与比较的两船L/1/3相等，否则此种表达法不能用于比较不同船型的优劣。也有将船模试验结果绘制成122-曲线，使各曲线的波阻峰点和波阻谷点可发生于同一横坐标上，但因为： (5-11)所以除非两船型的CpL/1/3相等，否则此种表达法亦不能用于比较不同船型的优劣。用理论推测阻力曲线的波阻峰、谷点的大致位置时可相当准确，但用作速度参数时应注意对长度相等但棱形系数Cp有差异的两船型来说，相等并不表示两船的速度相等；而只有当两船的CpL值相等时，则相同的值才表示它们的速度

26、相等。 5-3 影响试验结果的因素船模试验结果表明：几何相似的船模在不同的水池中所得试验结果往往并不一致；缩尺比不同的船模在同一水池的试验结果也不相同，从而使换算得的实船阻力亦将不同。造成这种情况的原因是多方面的，需作具体分析。一、试验本身的一些影响因素首先，我们会想到由试验假设所引起的误差。实际上，正如前面说明的，这方面的误差是不大的。其次是由试验本身所引起的误差，如水池壁面的干扰影响，但一般来说池壁对试验结果的影响很小。这是因为水池的横断面尺度决定了船模的大小，通常认为船模长度若小于或等于水深，则可认为试验结果不受池底的影响；若船模最大横截面小于船池横断面的 0.5%1.0%，则认为可以避

27、免阻塞效应。也有人认为池宽至少应为船模宽度的15倍，水深为船模吃水的20倍以上，方可不考虑池壁的影响。由船池设备引起的试验误差，可以针对各种设备的特点合理地确定其技术指标，或者对其引起的试验误差进行修正。如拖车和轨道系统，它本身是一种精密仪器，这是因为测量段对其平稳度的要求很高。速度的波动将引起阻力的相应波动，而且会在所测得的阻力数据中包含有惯性力，从而导致测量结果的误差。一般认为速度波动应不超过0.1%。假定在所试验的速度附近，阻力与拖曳速度的n次方成比例，即Rn，则有：这意味着阻力相对误差为拖车速度相对误差的n倍。若设n5，则速度波动0.1%会导致阻力波动0.5%。近年来也有人认为加速度不

28、应超过10-410-5g。如果设阻力为排水量的0.5%1.0%，而加速度为10-4g，则惯性力F与阻力R之比为：(1 2)%一般说来，测量阻力的误差要求在1%以内，看来上述对速度平稳度的要求都是合理的。因此满足这种要求的试验本身误差是可以忽略的。还有一个方面，就是船模本身尺度不同所引起的误差。由于船模尺度不同而引起试验结果不一致的现象，通常称为尺度效应。尺度效应是造成试验结果有误差的主要原因，这是本节要重点讨论的问题。二、尺度效应尺度效应问题，即船模尺度不同引起试验结果的不一致，其原因亦是多方面的。船模试验并不满足Re数相等的条件，如水面船只根据Fr数相等来进行试验；潜艇水下状态要求在大于临界

29、雷诺数的流态下进行试验。不同尺度的船模由于Re数不同，将导致其边界层的流态有所不同，边界层的相对厚度亦不同。此外船模的曲率不同亦影响到边界层的厚度及速度分布。所有这些原因都会影响到船模的摩擦阻力。根据实际分析，边界层流态不同是尺度效应的主要因素。对于实船，其雷诺数Re很大，全长范围内的界层流态均可视为紊流；但对于船模，即使采用很大的尺度，其Re数与实船相比仍相差甚远，层流段相对长度大，界层内流态与实船并不完全相似。事实上，根据Re数与Fr数之间的关系：Re若令1.0l0-6，并粗略地取Rexx/v5l0-5，则当Fr0.2和0.4时，不同长度船模的Re数及层流段相对长度列于下表：1.02.04

30、.06.09.00.20Re10-60.6261.775.009.2316.9010079.8728.2510.05.403.000.40Re10-61.2523.5310.018.5033.810039.9414.205.02.701.5表中所列数据表明，对于长度为2.0m以下的船模，其层流影响是相当严重的，即使用6m的船模，其层流段长度仍很大。由表还可看出，Fr数越低，层流的影响越显著。虽然这个计算不很严格，但表列数据可以给我们以粗略印象。可见，对于船模来说，如果不采取措施，其摩擦阻力难以用任何平板公式作正确计算。 这样在阻力换算时，由船模试验测得的总阻力减去按紊流平板公式计算的摩擦阻力，

31、求得的剩余阻力值必然偏低，最终求得的实船阻力也很难准确。有时由试验结果求得的剩余阻力甚至会出现负值。这说明船首部层流段的影响相当显著。人工激流法就是人为地使船模处于与实船相同的紊流状态所采取的措施。其目的是消除船模首部层流段对阻力试验和换算准确性的影响。世界各国船模试验池曾经采用的人工激流法主要有如下几种：(1) 表面粗糙激流法。在船模首柱处或9站处敷以砂粒或把表面弄粗糙，则边界层中水流由于表面粗糙而产生紊流。(2) 激流杆法。用一根或两根小杆置于船模前面，小杆垂直于水面与船模一起前进，使小杆后面产生紊流，因此船模边界层中也产生紊流，这小杆叫激流杆。(3) 激流丝法。用细金属丝缚在船模的9站上，此细金属丝称作激流丝。(4) 小钉激流法，在船模首柱