1、第五章第五章 船模阻力試驗船模阻力試驗船模阻力試驗是研究船舶阻力的最普遍方法，船模阻力試驗是研究船舶阻力的最普遍方法，也是新船型從開發到工程應用的唯一途徑。現也是新船型從開發到工程應用的唯一途徑。現有優良船型資料、估算阻力回歸公式、船型系有優良船型資料、估算阻力回歸公式、船型系列圖譜都來自船模阻力試驗。列圖譜都來自船模阻力試驗。5-1 船模阻力試驗的目的，試驗設備概述船模阻力試驗的目的，試驗設備概述一、船模阻力試驗的目的一、船模阻力試驗的目的目的：研究船模在水中等速直線運動時目的：研究船模在水中等速直線運動時所受到的阻力和航行狀態。所受到的阻力和航行狀態。內容：內容：1. 船型研究：比較不同船

2、型阻力性能的優劣，但逐步船型研究：比較不同船型阻力性能的優劣，但逐步被船型數值優化方法取代被船型數值優化方法取代2. 確定設計船舶的阻力性能：對具體設計的船舶進行確定設計船舶的阻力性能：對具體設計的船舶進行阻力試驗，計算有效馬力，供螺旋槳設計。阻力試驗，計算有效馬力，供螺旋槳設計。3. 預報實船性能：自航試驗前，必須進行阻力試驗，預報實船性能：自航試驗前，必須進行阻力試驗，為分析自航試驗結果，預報實船性能提供數據。為分析自航試驗結果，預報實船性能提供數據。4. 系列船模試驗：提供各類船型的阻力圖譜。系列船模試驗：提供各類船型的阻力圖譜。5. 研究各種阻力成分試驗：如波系分析、尾流測量。研究各種

3、阻力成分試驗：如波系分析、尾流測量。6. 附體阻力試驗：軸支架、吊艙等。附體阻力試驗：軸支架、吊艙等。7. 流線試驗：用確定舭龍骨，軸支架等附體的方向。流線試驗：用確定舭龍骨，軸支架等附體的方向。8. 航行狀態試驗：測量高速船的縱傾和升沉。航行狀態試驗：測量高速船的縱傾和升沉。二、試驗設備二、試驗設備1. 船模試驗水池（拖車式）船模試驗水池（拖車式）水池水池: 170米x7米x4米 拖車拖車: 自重13噸、最大速度8米/秒 造波機造波機: 20塊造波板組成、最大波高0.4 米、可以 造規則波、不規則波、非線性波、碎波 螺旋槳敞水動力儀螺旋槳敞水動力儀: 推力最大量程200N,功率4kW 大功率

4、螺旋槳敞水動力儀大功率螺旋槳敞水動力儀: 最大推力5000N,功率50kW 四自由度適航儀四自由度適航儀: 最大量程200N，升沉、縱搖、橫搖、阻力 自航動力儀自航動力儀: 最大推力100N 徐匯校區拖曳水池于1958年建成，是新中國最早建成的雙軌道船模拖曳水池。1978年成為國際船模試驗池會議（ITTC）的成員，1984年被推選為ITTC的顧問委員會委員，是海洋工程國家重點實驗室的重要組成部分。徐匯校區拖曳水池的長度為110m，寬6.0m，水深3.0m。拖車的最大拖曳速度可達6.0m/s。沖箱式造波機可產生規則波和不規則波，最大波高可達0.30m。目前在建的閔行校區多功能拖曳水池，池長300

5、m，池寬16m，池深7.5m，最大拖曳速度10m/s，可以滿足現代船舶的工業研發需求。（重力式）（重力式）2. 循環水槽循環水槽1拖車式船模試驗池拖車式船模試驗池 拖車式船模試驗池的拖車式船模試驗池的優點優點是：可以采用較大尺度是：可以采用較大尺度的的 船模，因此尺度效應較小，試驗結果的準確性較船模，因此尺度效應較小，試驗結果的準確性較高；其次，拖車式船池能進行廣泛的試驗，除了船模高；其次，拖車式船池能進行廣泛的試驗，除了船模阻力試驗外，還可以進行以下諸方面的試驗研究：阻力試驗外，還可以進行以下諸方面的試驗研究： (1) 測量和觀察船體表面的流動狀況，這對于船體線測量和觀察船體表面的流動狀況，

6、這對于船體線型設計和附體布置是很有價值的；型設計和附體布置是很有價值的； (2) 船舶推進方面的試驗，如螺旋槳模型的敞水試船舶推進方面的試驗，如螺旋槳模型的敞水試 驗、船模自航試驗以及進行船體與螺旋槳的相互驗、船模自航試驗以及進行船體與螺旋槳的相互 作用問題的研究等；作用問題的研究等； (3) 船舶耐波性方面的試驗，主要研究船模在波浪船舶耐波性方面的試驗，主要研究船模在波浪 上的運動和航行狀態；上的運動和航行狀態； (4) 操縱性方面的試驗；操縱性方面的試驗； (5) 強度和振動方面的試驗強度和振動方面的試驗。船模系列試驗：船模系列試驗：，通過試驗比較不同船型阻力性能的優劣。，通過試驗比較不同

7、船型阻力性能的優劣。，為設計推進器服務。，為設計推進器服務。2. 循環水槽循環水槽可以進行類似于船模水池的試驗內容。盡管試驗方法可以進行類似于船模水池的試驗內容。盡管試驗方法有所不同，但試驗原理相同。由于水槽一般較窄，池有所不同，但試驗原理相同。由于水槽一般較窄，池壁影響較大。特別是由池壁反射波的影響，船模和實壁影響較大。特別是由池壁反射波的影響，船模和實船后的波系完全不同，興波阻力與實船誤差較大。因船后的波系完全不同，興波阻力與實船誤差較大。因此，循環水槽，只適用于定性的演示試驗。此，循環水槽，只適用于定性的演示試驗。FNS=FNmsmsmLLvv222)(smsmLLSS=1試驗準備試驗準

8、備 為了進行阻力拖曳試驗，必須進行一系列試驗準備工作：為了進行阻力拖曳試驗，必須進行一系列試驗準備工作： 首先，按一定要求制作試驗用的船模。可采用木模和蠟模。首先，按一定要求制作試驗用的船模。可采用木模和蠟模。 船模與實船滿足幾何相似，表面光滑，滿足一定的加工精度。船模與實船滿足幾何相似，表面光滑，滿足一定的加工精度。 其次，船模在試驗前要安裝人工激流裝置。其次，船模在試驗前要安裝人工激流裝置。其目的是使船其目的是使船模處于與實船相同的湍流流狀態，消除船模首部層流段對阻力模處于與實船相同的湍流流狀態，消除船模首部層流段對阻力試驗和換算準確性的影響。試驗和換算準確性的影響。 其三，準確地秤量船模

9、重量和壓載重量，以達到按船模縮尺其三，準確地秤量船模重量和壓載重量，以達到按船模縮尺比要求的實船相應的排水量。比要求的實船相應的排水量。 最后最后 ，調整壓載位置，使船模沒有橫傾，首尾吃水滿足規定，調整壓載位置，使船模沒有橫傾，首尾吃水滿足規定的要求。的要求。 浸濕面積和濕長度的確定。排水型船，與靜浮態相同；浸濕面積和濕長度的確定。排水型船，與靜浮態相同； 滑行艇，隨速度變化，通過攝像滑行艇，隨速度變化，通過攝像、攝影或其它方法確定。攝影或其它方法確定。 船體表面的流線測定，目的是使附體能按照流線的方船體表面的流線測定，目的是使附體能按照流線的方 向安向安裝以降低阻力，同時通過對流線的安裝以尋

10、求改善阻力的裝以降低阻力，同時通過對流線的安裝以尋求改善阻力的方法。方法。三因次換算法又稱（三因次換算法又稱（1+k）法。）法。1. 基本思路基本思路1.）將粘壓阻力與摩擦阻力合并為粘性阻力并與雷諾數有關。）將粘壓阻力與摩擦阻力合并為粘性阻力并與雷諾數有關。2.）興波阻力與傅汝德數有關。）興波阻力與傅汝德數有關。3.）根據模型試驗結果，認為粘壓阻力系數）根據模型試驗結果，認為粘壓阻力系數Cpv與摩擦阻力系數與摩擦阻力系數Cf之比是一常數之比是一常數k:式中式中k稱為形狀系數，（稱為形狀系數，（1+k）稱為形狀因子，只與船體形狀有關。）稱為形狀因子，只與船體形狀有關。)145(1fvfpvCCk

11、CCk或2. 換算方法換算方法1.）船模總阻力系數：）船模總阻力系數：2.）實船的總阻力系數：）實船的總阻力系數：Cwm可由（可由（5-15）式計算并）式計算并代人（代人（5-16）式得：）式得：)155()1 (wmfmtmCCkC)165()1 (wmfstsCCkC)175()(1 (fsfmtmtsCCkCC15屆屆ITTC推薦的（推薦的（1+k）法計算式為：）法計算式為：無舭龍骨：無舭龍骨：有舭龍骨：有舭龍骨：式中：式中： Cf, Caa分別是粗糙度補貼系數和空氣阻力系數。分別是粗糙度補貼系數和空氣阻力系數。3. 計算步驟計算步驟1.）Cfs和和Cfm分別為實船和船模的摩擦阻力系數可

12、用分別為實船和船模的摩擦阻力系數可用1957-ITTC公式計算。公式計算。2.）根據傅汝德數）根據傅汝德數Fr=0.1-0.2范圍內的試驗結果，可用兩種方法計范圍內的試驗結果，可用兩種方法計算（算（1+k）值。）值。a.)普路哈斯卡發：普路哈斯卡發：)185()(1 (aaffsfmtmtsCCCCkCC)195()1(aawmffsbktsCCCCkSSSC)205()1 (4fmrfmtmCFykCCb.）15屆屆ITTC推薦方法：推薦方法：式中式中Fr的指數的指數n 取決于船型，其值在取決于船型，其值在2 6范圍內變化。范圍內變化。式中式中k, y 和和 n可根據試驗結果用最小二乘法計算

13、。可根據試驗結果用最小二乘法計算。3.） Cf及及Caa按按15屆屆ITTC推薦的公式計算：推薦的公式計算：)215()1 (fmnrfmtmCFykCC)225(1064. 0)(10533/1wlsfLkC式中，式中，ks是船體表面粗糙度，取是船體表面粗糙度，取ks=150 10-6(m)；)235(001. 0SACTaa式中，式中，AT是水線以上船體及上層建筑在中橫剖面的投影面積是水線以上船體及上層建筑在中橫剖面的投影面積；S為濕面積。為濕面積。題。題。 但由圖但由圖5-5知，各知，各Fr的等值線并不與的等值線并不與1957ITTC摩擦阻力系數摩擦阻力系數 曲線曲線(Fr=0)相平行。

14、相平行。 船模尺度船模尺度, 任意等任意等Fr線間的距離線間的距離 Cr 實船實船Ct 。三、比較不同換算法的合理性三、比較不同換算法的合理性1 無量綱化，避免絕對尺度的影響，在任何單位系統中數值無量綱化，避免絕對尺度的影響，在任何單位系統中數值 都相同。都相同。3 表達形式既要便于換算，又要真實反映不同船型的優劣。表達形式既要便于換算，又要真實反映不同船型的優劣。一一 .目的和要求目的和要求 1 指船型相同、大小不同的船舶之間的阻力換算。顯然按不同縮尺指船型相同、大小不同的船舶之間的阻力換算。顯然按不同縮尺 比均可由一個船模阻力資料換算得出大小不同船舶的阻力值。比均可由一個船模阻力資料換算得

15、出大小不同船舶的阻力值。2 比較船型不同，但大小相同的船舶之間阻力性能的優劣。比較船型不同，但大小相同的船舶之間阻力性能的優劣。目的目的:要求要求:2 由于船型變化對由于船型變化對Rr影響顯著，而對影響顯著，而對Rf影響不大，因此選取影響不大，因此選取Fr作為作為 速度參數。當考慮與速度參數。當考慮與Rf有關的問題時，可取有關的問題時，可取Re作為參數。作為參數。二、介紹兩種阻力數據表達式二、介紹兩種阻力數據表達式1. 泰洛表達式及換算關系泰洛表達式及換算關系這種表達式應用比較普遍。其速度用這種表達式應用比較普遍。其速度用Fr數（或數（或V/L1/2），阻力用單），阻力用單位排水量總阻力位排水

16、量總阻力Rt/ 或單位排水量剩余阻力或單位排水量剩余阻力Rr/ 。1.） Rr/ 對對Fr數的表達式形式數的表達式形式當船模數據已表達為當船模數據已表達為Rrm/ 與與Fr的關系時，則實船的總阻力為：的關系時，則實船的總阻力為：srssfsstsRRRRrs/ s是實船值，對幾何形似是實船值，對幾何形似Fr相同，其值等于相同，其值等于Rrm/ m。2.） Rt/ 對對Fr數的表達式形式數的表達式形式當船模數據已表達為當船模數據已表達為Rtm/ 與與Fr的關系時，則實船的總阻力為：的關系時，則實船的總阻力為：)255()(sfsmfmmtmstsRRRR)265()(212ffsfmssbsrm

17、tmstsCCCTBCSFRR從（從（5-26）式可知，阻力將隨）式可知，阻力將隨Fr的平方迅速增加。如將（的平方迅速增加。如將（5-26）兩邊除以兩邊除以Fr2可得：可得：)275()(2122ffsfmssbsrmtmrstsCCCTBCSFRFR用（用（5-28）式作圖，可使波阻峰、谷點明顯。）式作圖，可使波阻峰、谷點明顯。2. 傅汝德圓圈系數表達法及換算關系傅汝德圓圈系數表達法及換算關系1888傅汝德提出的表達法中，給出了一系列無量綱系數，且以圓傅汝德提出的表達法中，給出了一系列無量綱系數，且以圓圈系數的形式表示。這些表達方法在英國等仍采用，而且這種表圈系數的形式表示。這些表達方法在英

18、國等仍采用，而且這種表示法比較全面，有必要介紹。示法比較全面，有必要介紹。1.）船體幾何尺度系數）船體幾何尺度系數3/1L3/1B3/1T3/2S從（從（5-28）式可知，幾何形似的船，在相應的速度，其）式可知，幾何形似的船，在相應的速度，其 相等相等2.）速度系數表達式）速度系數表達式 船速與波長為船速與波長為 的波速之比：的波速之比：)285(4212/3/13/1gg3/121Lg43.）阻力系數關系表達式）阻力系數關系表達式)295(211254100010003/2223/12tttRggRR總阻力系數與總阻力系數與關系如下關系如下 :21000fR21000rR125tC由船模由船

19、模m- 關系曲線，便可關系曲線，便可 換算到實船的換算到實船的曲線曲線 :)275()(ffsfmtntsCCCCC將上式兩邊乘以將上式兩邊乘以125/ 得得:)(125125125ffsfmtntsCCCCC)315()(125ffsfmmsCCC對于給定對于給定 122 對對 的情況，則有：的情況，則有：)325()(125122122ffsfsCCC3. 比較不同船型的阻力性能比較不同船型的阻力性能為比較不同船型的優劣，需將不同船型的阻力換算到大小相同的船為比較不同船型的優劣，需將不同船型的阻力換算到大小相同的船舶阻力。在相同船速時，比較單位排水量的總阻力舶阻力。在相同船速時，比較單位排水量的總阻力Rt/ 的大小來判的大