1、第四講 船舶快速性試驗(yàn)技術(shù),船舶與海洋工程試驗(yàn)技術(shù),1,主要內(nèi)容,試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x 測(cè)試儀器 試驗(yàn)原理及過程 數(shù)據(jù)處理和分析,2,一 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x(1),1.船?？焖傩栽囼?yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容 *船舶快速性是指船舶在一定裝載狀態(tài)下，在某 一指定主機(jī)功率時(shí)航行的快慢問題。 *通常用快速性試驗(yàn)檢驗(yàn)船舶是否達(dá)到快速性的 設(shè)計(jì)要求?？焖傩栽囼?yàn)內(nèi)容通常包括阻力試驗(yàn)、 推進(jìn)器的敞水試驗(yàn)和船模的自航試驗(yàn)。,3,阻力試驗(yàn)?zāi)康?確定船體阻力,研究線型和船體參數(shù)變化對(duì)船體阻力的影響,研究各種附體阻力及其對(duì)總阻力的影響,選擇優(yōu)良的線型. 推進(jìn)器的敞水試驗(yàn) 研究推進(jìn)器自身的水動(dòng)力特性及各種參數(shù)變化對(duì)性能的影響. 自航試驗(yàn) 分析

2、研究各種推進(jìn)效率成分的重要手段,采用一定的方法預(yù)報(bào)實(shí)船性能,驗(yàn)證是否滿足快速性要求,同時(shí)也可以判斷船機(jī)槳的匹配性.,一 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x(2),4,二 試驗(yàn)設(shè)備和儀器,水池及控制系統(tǒng) 電機(jī)及調(diào)速儀 壓力傳感器 拉壓傳感器 多分力天平 自航儀(推扭傳感器) 敞水箱,5,圖 3 SIEMENS 6R24 全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)及水池,6,多功能高壓直流電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器,壓力傳感器,7,拉壓傳感器及自航儀,8,后置式敞水箱,前置式敞水箱,9,10,1試驗(yàn)前的模型準(zhǔn)備 a 尺度確定 阻力試驗(yàn)時(shí)，要求弗勞得數(shù)相等，即 ,故 式中： 為縮尺比； （忽略黏性） 敞水試驗(yàn)時(shí)，要求進(jìn)速系數(shù)相等，即 幾何相似： 因此：

3、 根據(jù)GB*/Z346-85的規(guī)定，用于自航的螺旋槳模型直徑不 得小于0.12m。,三、試驗(yàn)原理及試驗(yàn)流程,11,b 激流裝置 平板摩擦阻力計(jì)算公式主要是適用于湍流，激流絲的作用是使得層流邊界層盡快過渡到湍流邊界層，減少流態(tài)對(duì)模型阻力換算的影響。 激流絲增加的阻力與船模首部層流降低的阻力抵消。 常用的激流裝置有以下幾種： 金屬絲 狹條粗糙表面 急流桿 首柱小釘,激流絲的直徑,試驗(yàn)報(bào)告中必須說明激流絲安裝的位置和形式,12,c 吃水標(biāo)志和安裝附件 d 稱重和壓載 船模試驗(yàn)狀態(tài)的總質(zhì)量應(yīng)與計(jì)算的排水量一致。試驗(yàn)完畢后，船模質(zhì)量要復(fù)秤，兩次秤重之差額不應(yīng)大于0.5%。 e 安裝 f 破水（以設(shè)計(jì)速度

4、破水同時(shí)測(cè)量力，以確定量程）,13,2 船模靜水阻力試驗(yàn) 2.1 船模連接 分為水上水下船模阻力試驗(yàn)。因船模位置不同，而連接方法不相同。,14,水下阻力試驗(yàn)安裝圖,15,16,17,2.2 船模阻力試驗(yàn)中物理量的測(cè)量 主要物理量是船模阻力和船模速度，對(duì)高速船舶還需要測(cè)量航行中的浮態(tài)變化。 2.3 試驗(yàn)點(diǎn)安排 從低速到略超過設(shè)計(jì)航速的范圍內(nèi)選取若干個(gè)速度，一般少于15個(gè)。速度間隔大致均勻。最大速度值一般應(yīng)大于要求速度的10%。 2.4 試驗(yàn)精度 阻力試驗(yàn)測(cè)量精度可取0.2%，拖曳速度的波動(dòng)值宜小于0.3%。阻力試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差小于1.5%。,18,3 試驗(yàn)速度修正 *注意到池壁影響問題。最簡(jiǎn)便

5、實(shí)用池壁修正方法是根據(jù)所謂的阻塞效應(yīng)修正船模速度。 *阻塞效應(yīng)的修正： 計(jì)算 ，并將試驗(yàn)曲線 修正為 曲線 *根據(jù)連續(xù)性定理，可得： 或 根據(jù)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 。,19,池壁修正曲線,20,池壁修正2： V/V = m1/(1 - m1 Fnh2) 式中m1= Am/(bh), 當(dāng)m1小于 1時(shí)影響細(xì)微可不修正。,21,22,4 船模阻力試驗(yàn)結(jié)果的換算方法 *二因次方法亦稱弗勞德方法，三因次方法為1978年ITTC性能委員會(huì)推薦的方法。 4.1 二因次法 弗勞德假定： 船的總阻力分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分組成。且認(rèn)為摩擦阻力僅與雷諾數(shù)

6、有關(guān)，剩余阻力僅與弗勞德數(shù)有關(guān)； 因此，有： 或 根據(jù)弗勞德假定，實(shí)船的剩余阻力系數(shù) 和模型的剩余阻力系數(shù) 是相等的。而摩擦阻力是雷諾數(shù)的函數(shù)且與物體的形狀有關(guān)。由于流線型物體表面曲率對(duì)剩余阻力的影響不甚明顯，弗勞德有假定，船的摩擦阻力與速度同長度同濕表面積的平板摩擦阻力相同.,23,1957年的第八屆ITTC建議取 考慮到粗糙度對(duì)剩余阻力的影響，引入粗糙度附加值 實(shí)船裸體總阻力系數(shù)為 實(shí)船的總阻力和有效功率為 弗勞德提出的換算方法曾被世界各國的船模試驗(yàn)池中廣泛使用，直到現(xiàn)在仍在繼續(xù)使用。用該假定進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際相當(dāng)接近，而要建立更完善、合理的假定有很多困難。嚴(yán)格地說，弗勞德假定既不合理，

7、又不完善。,24,4.2 三因次法,三因次換算方法是1978年第15屆ITTC推薦的方法。將船的總阻力分為三個(gè)部分，即平板摩擦阻力、粘壓阻力和興波阻力。粘壓阻力包括摩擦阻力的形狀效應(yīng)和因邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦作用。兩者均因水的粘性而產(chǎn)生，所以應(yīng)為雷諾數(shù)的函數(shù)。,船的總阻力可以寫為,或,25,式中，1+k為形狀因子，k稱形狀系數(shù)。它只與船形有關(guān)，且認(rèn)為幾何相似的船的形狀因子1+K是相同的。形狀因子根據(jù)船模在弗勞德數(shù)Fr=0.1-0.2范圍內(nèi)阻力試驗(yàn)結(jié)果，按下式確定： A及n等數(shù)值均由最小二乘法確定，指數(shù)n的范圍為2.06.0。,如果將摩擦阻力和粘壓阻力合并計(jì)算，并稱之為粘性阻力，可以寫為：,26

8、,1978年第十五界屆ITTC性能委員會(huì)推薦的方法中，船的總阻力還需要考慮空氣阻力及粗糙度附加。 有舭龍骨實(shí)船的總阻力系數(shù)為 cm船模的總阻力系數(shù) 實(shí)船粗糙度附加，按下式計(jì)算： cAA空氣阻力系數(shù)，按下式計(jì)算： N = 4 , PROHASKA 法 （普魯哈斯咔法）,27,4.3 誤差來源,試驗(yàn)本身的一些影響因素 池壁影響 尺度效應(yīng) 拖車速度（加速度、平穩(wěn)度） 軌道平直 消波（開過后，要等一段時(shí)間，等水平靜后再開） 測(cè)量?jī)x器本身的誤差,28,5 螺旋槳模型的敞水試驗(yàn),1對(duì)于某一具體的螺旋槳，通過模型試驗(yàn)可以確定 實(shí)際螺旋槳的水動(dòng)力性能。 2通過多方案的試驗(yàn)研究，可以分析螺旋槳的各種幾何要素對(duì)水

9、動(dòng)力性能的影響。 3檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)的正確性，不斷完善理論設(shè)計(jì)的方法。 4通過對(duì)螺旋槳模型的系列試驗(yàn)，可以繪制成專用圖譜，供設(shè)計(jì)螺旋槳使用?，F(xiàn)時(shí)廣泛使用的楚思德B系列圖譜和MAU系列圖譜等都是螺旋槳模型系列敞水試驗(yàn)的結(jié)果。,29,5.1 螺旋槳模型試驗(yàn)的相似條件和要求 幾何相似；Dm的決定；150mm / 300mm 螺旋槳模型有足夠的深度； 試驗(yàn)時(shí)雷諾數(shù)應(yīng)大于臨界雷諾數(shù)。 進(jìn)度系數(shù)相等。 螺旋槳雷諾數(shù)采用ITTC推薦表達(dá)式： 臨界雷諾數(shù)一般大于3105 槳模的沉深深度：,30,31,32,33,34,35,Propeller Model Test A test on a model propel

10、ler 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) VA velo.of flow 2.) n - rotation of motor 3.) po - pressure can be controlled Measure VA , Q, T, and n.,36,Development of cavitations

11、 of a propeller in a cavitation tunnel,37,38,39,40,Purpose of open-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 & pitc

12、h-diameter ratio) are systematically varied. The result data are 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 efficie

13、ncy Studying the extent and development of cavitations over a propeller.,41,5.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn), 主要設(shè)備是螺旋槳?jiǎng)恿x,42,試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作,儀器的標(biāo)定（靜標(biāo)） 采用假轂測(cè)量零扭矩 推力修正 儀器動(dòng)標(biāo),43, 敞水試驗(yàn)通常是保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，改變拖車前進(jìn)速度。速度范圍應(yīng)從va0至推力小于零的進(jìn)速之間，在該范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)取15個(gè)左右。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表達(dá)： 進(jìn)速系數(shù)： 推力系數(shù)： 扭矩系數(shù)： 效率：,44,5.3尺度作用修正 因雷諾數(shù)的不同對(duì)螺旋槳性能的影響稱為尺度作用。一般說來，尺度作用對(duì)推力的影響較小。在同一進(jìn)度系數(shù)

14、時(shí)，實(shí)槳和槳模的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)及效率之間的關(guān)系(即尺度作用的影響)為 ， ，,概括地說，對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果的尺度修正有下列三種辦法。 不修正； 僅修正扭矩系數(shù)KQ； 1978年ITTC推薦的修正方法：,45,1978年ITTC推薦的修正方法： ， 及 由下式?jīng)Q定： ， 式中：,46,螺旋槳敞水試驗(yàn)是將螺旋槳安裝在敞水箱上，浸深大于1.0倍的螺旋槳直徑，轉(zhuǎn)速滿足臨界雷諾數(shù)大于3.0105,47,48,49,50,51,52,53,54,6 模型自航試驗(yàn),自航試驗(yàn)則是判斷船、機(jī)、槳三者配合后 的綜合性能。主要目的： 1）分析和研究各種效率成分，研究槳、船兩者相互影響； 2）預(yù)報(bào)實(shí)船性能； 3）判斷

15、螺旋槳、主機(jī)、船體之間的配合是否良好。,55,自航試驗(yàn)時(shí)，要求船模和槳模的雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)。同時(shí)也要求滿足弗勞德數(shù)和進(jìn)速系數(shù)相等德條件，即 為了試驗(yàn)時(shí)使各種力都成三次方關(guān)系，需要對(duì)摩擦阻力進(jìn)行修正，增加一個(gè)修正值FD，人為地湊成三次方關(guān)系。該修正值稱為摩擦阻力修正值，即,使螺旋槳模型與實(shí)槳的載荷一致,56,試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作 船模及螺旋槳模型與阻力和敞水試驗(yàn)相同 螺旋槳及舵與船體間的相對(duì)位置都要按實(shí)船的情況幾何相似 地安裝。 船模的總重量包括測(cè)量?jī)x器及壓鐵等組成的排水量必須與實(shí)船的排水量幾何相似。 在船模內(nèi)橫向和縱向移動(dòng)壓鐵，調(diào)整浮態(tài)，使船模兩側(cè)的首、中、尾吃水符合要求。 船模與拖車的連接安裝

16、基本與阻力試驗(yàn)相同。,57,自航試驗(yàn)方法 船模自航試驗(yàn)有純粹自航和強(qiáng)迫自航兩種方法。 純粹自航法又稱大陸法。該方法是事先在船模上扣除船模速度時(shí)的摩擦阻力修正值，當(dāng)船模以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，使其發(fā)出的推力滿足下列條件： 強(qiáng)迫自航法又稱英國法。該方法是在某一船模速度下，在船模運(yùn)動(dòng)方向上施加一系列的強(qiáng)制力Z，其中應(yīng)包括Fd在內(nèi)，船模在強(qiáng)制力和推力的共同作用下達(dá)到力的平衡，即： 對(duì)某一選定的自航速度，一般取5個(gè)不同的強(qiáng)制力，為使試驗(yàn)點(diǎn)分布較為均勻合理，一般取Z10，相當(dāng)于船模自航點(diǎn)。Z3Fd，相當(dāng)于實(shí)船自航點(diǎn) .,58,59,自航試驗(yàn)過程 .安裝調(diào)試等準(zhǔn)備工作； 校正零點(diǎn)，采集零負(fù)載推力扭矩；

17、 在某一航速下計(jì)算摩擦阻力修正值FD，在FD附近（從0到2 FD ）取5個(gè)值，得到某一個(gè)航速不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的推力和扭矩； 航速一般不少于四個(gè)，其中第三個(gè)速度一般為設(shè)計(jì)航速，強(qiáng)制力大約從02FD，摩擦阻力修正值按照下式粗略估算 經(jīng)常遇到的問題： 行車速度不穩(wěn)定 電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定導(dǎo)致讀數(shù)的不穩(wěn)定 自航阻力和阻力試驗(yàn)阻力值不同,60,61,自航試驗(yàn)結(jié)果分析,原始數(shù)據(jù) 阻力試驗(yàn)結(jié)果（阻力和有效馬力） 螺旋槳敞水（敞水效率） 自航試驗(yàn)結(jié)果,62,模型推進(jìn)效率成分分析,由于計(jì)算造成的誤差應(yīng)小于0.001,63,實(shí)船性能預(yù)報(bào) 根據(jù)船模阻力、自航等試驗(yàn)結(jié)果推算出實(shí)船航速、螺旋槳轉(zhuǎn)速及主機(jī)功率之間的關(guān)系 目前正在

18、使用的方法有三種即： （1+x),K2 法、 方法以及1978年ITTC推薦的單槳實(shí)船性能預(yù)報(bào)方法。 （1+x),K2 法 1959年英國皇家物理實(shí)驗(yàn)室等單位提出,認(rèn)為船模和實(shí)船的伴流分?jǐn)?shù)及推力減額分?jǐn)?shù)及推進(jìn)效率成分是相等的。 實(shí)船螺旋槳收到功率： 實(shí)船螺旋槳轉(zhuǎn)速： （1+x)為阻力相關(guān)因子， K2為照顧伴流尺度作用相對(duì)轉(zhuǎn)速修正的相關(guān)因子。,64,(1+x），K2法實(shí)船性能預(yù)報(bào)計(jì)算表,65,2) 法 瑞典、日本及北歐諸國采用的方法,該方法認(rèn)為由于尺 度作用引起的差別主要反映在阻力和伴流中，對(duì)推力 減額分?jǐn)?shù)和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的影響較小、可忽略不計(jì)。,66,方法計(jì)算表,67,3)1978ITTC法 本方法認(rèn)為,經(jīng)驗(yàn)修正,68,主機(jī)功率預(yù)報(bào)圖,69,實(shí)船速度預(yù)報(bào)及螺旋槳與主機(jī)匹配判斷 (1) 螺旋槳與主機(jī)匹配，預(yù)報(bào)的實(shí)船速 度可以達(dá)到。 (2) 螺旋槳與主機(jī)不匹配，螺旋槳負(fù)荷“過輕” (3) 螺旋槳與主機(jī)不匹配，螺旋槳負(fù)荷“過重”,70,備用螺旋槳的自航試驗(yàn) 選擇備用螺旋槳的原則是它的直徑必須與設(shè)計(jì)槳的直徑相同。以保證伴流分?jǐn)?shù)、推