船模阻力試驗(yàn)修正曲線的研究

船模阻力試驗(yàn)修正曲線的研究

1871年，franch建立了世界上第一個船模型拖動池（長85m，寬11m，深3m，最大拖動速度5ms），并進(jìn)行了船模型運(yùn)動阻力試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測的船舶的速度和功率與實(shí)際情況一致。因此，許多國家先后建立了類似的拖動池。這不僅是為了預(yù)測航行能力，而且通過各種模型試驗(yàn)研究，我們可以獲得具有低阻力的船舶類型和高效的推進(jìn)器。目前，中國有10多個大型的拖動池，分布在不同的船舶研究中心和大學(xué)，其中大部分是在20世紀(jì)70年代和80年代。近年來，船模拖動池面臨著施工的小高峰。許多池塘正在進(jìn)行振動裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改造。江蘇省科技大學(xué)新建的艘模拖動池的施工工作于2002年8月完成。2003年11月，池渣完成，波設(shè)備和所需測試儀器的數(shù)量以及應(yīng)用。池進(jìn)行了一些初步比較試驗(yàn)，主要對船模進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)，并描述了江東大水池標(biāo)準(zhǔn)船模型的相同標(biāo)準(zhǔn)船模型的故障速度修正曲線、江東大水池修正數(shù)據(jù)的比較曲線和江東大水池故障影響的修正曲線。該池的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果具有良好的重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性。通過該曲線，可以迅速修改模型速度，以減少阻塞效應(yīng)對測試的影響。1泳池試驗(yàn)修改1.1阻塞效應(yīng)驗(yàn)算船模阻力試驗(yàn)是在一個有一定寬度和深度的狹長水池中進(jìn)行的.當(dāng)船模在水池中運(yùn)動時,不可能像實(shí)際船舶那樣在無限深廣的水域中航行(淺水內(nèi)河船模試驗(yàn)除外),由于受到池壁和池底的限制,致使船模周圍流場不同于在無邊界水中的情況,因而造成誤差,稱之為阻塞效應(yīng).試驗(yàn)證明,當(dāng)船模橫剖面面積與水池橫剖面面積之比小于1/375時,因阻塞而引起的模型水動力誤差不大于1%.水池深度對船模興波阻力影響較大,進(jìn)行淺水試驗(yàn)時,其水深應(yīng)按幾何相似條件要求;進(jìn)行深水試驗(yàn)時,其水深弗勞德數(shù)應(yīng)小于0.6即VgH√＜0.6(1)VgΗ＜0.6(1)式中,V為模型試驗(yàn)速度,單位為m/s;H為水深,單位為m,g為重力加速度.為避免水池池壁對船模試驗(yàn)的影響,一般可取船模寬度小于水池寬度的1/16.對于高速滑行艇的試驗(yàn),阻塞影響較小,因而對水池深度和寬度的要求可以降低.而在淺水試驗(yàn)和耐波性試驗(yàn)時,水池寬度影響較大,因而水池應(yīng)當(dāng)有較大的寬度.1.2rtm-vm特性許多船模試驗(yàn)池都注意到阻塞效應(yīng)問題,但迄今仍沒有得出可靠滿意的結(jié)果.目前,最簡便實(shí)用的阻塞效應(yīng)修正方法是修正船模速度.若船模的拖曳速度為vm,測得的阻力為Rtm,因船模的存在對水流有阻塞作用,產(chǎn)生了回流.設(shè)回流的平均速度為Δv,則船模與水的相對速度為(vm+Δv).上述Rtm值是對應(yīng)于船模速度為(vm+Δv)時的阻力.Rtm與(vm+Δv)曲線相當(dāng)于船模在無限深廣水域中的阻力曲線.可見,所謂阻塞效應(yīng)的修正就是計(jì)算Δv,并將試驗(yàn)所得的Rtm-vm曲線修正為Rtm-(vm+Δv)曲線.設(shè)A為水池的橫截面積,??為船模的排水體積,LWL為船模的水線長,船模的平均橫剖面面積可寫為a=?/LWLa=?/LWL.又設(shè)vm為拖曳速度,Δv為回流的平均速度,b為水池寬度,h為水池水深,Δh為水深變化高度.根據(jù)連續(xù)性定理,可得Avm=(A-a-bΔh)(vm+Δv)(2)或Δvvm=a+bΔhA?(a+bΔh)(3)Δvvm=a+bΔhA-(a+bΔh)(3)根據(jù)伯努利方程,有Δh=(vm+Δv)22g?v2m2g=12g[(Δvvm)2+2(Δvvm)]v2m(4)Δh=(vm+Δv)22g-vm22g=12g[(Δvvm)2+2(Δvvm)]vm2(4)令x=Δv/vm,并將式(4)代入式(3)中,經(jīng)整理后,得a=Ax1+x?bv2m2g(x2+2x)(5)a=Ax1+x-bvm22g(x2+2x)(5)式(5)為Δv/vm與A,a,vm的關(guān)系式.若已知A,a及vm值即可求出回流的平均速度Δv.由此可見,速度修正與船池的尺度、船模的尺度及拖曳速度有關(guān).因此,不同船池的阻塞效應(yīng)修正值是不同的.2靜水阻力重復(fù)試驗(yàn)試驗(yàn)選用一艘玻璃鋼標(biāo)準(zhǔn)船模,在江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行了靜水阻力的重復(fù)試驗(yàn),并且該船模在708所和702所水池也進(jìn)行了靜水阻力試驗(yàn).2.1船模和流態(tài)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐凰铱傞L為3.44m的玻璃鋼標(biāo)準(zhǔn)船模,該船模引用某3000t油船的型線經(jīng)λ=30縮尺后制成.船模材料為玻璃鋼,船模肋骨加密,外板比一般試驗(yàn)的阻力模型要厚實(shí),是作為今后水池標(biāo)定的阻力標(biāo)模.船模表面經(jīng)油漆涂刷達(dá)到平順光滑,未裝附體.在離船首L/20處裝有?=1mm激流絲.此激流方法是充分有效的,認(rèn)為在測力過程中由流態(tài)引起的影響可忽略.模型主尺度如表1.2.2船模阻力rtm測量模型江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池全長100m,寬度6m,內(nèi)壁水面寬5.5m,水深可以調(diào)節(jié),范圍在0.3～2m,此阻力試驗(yàn)時水深2m.拖車測橋在垂向和橫向可移動,橫向可移至距左側(cè)池壁0.6m,上下升降行程1.5m,可用于做淺水實(shí)驗(yàn).一般采用3～4m模型.拖車最高車速6m/s.最低車速0.01m/s.船模阻力Rtm由電測式阻力儀測得,阻力儀安裝在拖車上,拖線經(jīng)導(dǎo)輪與船模連接,帶動船模前進(jìn).3拖充池內(nèi)阻力的修正通過對江科大阻力曲線與船研所修正曲線的比對,可以得出:1)江科大拖曳水池內(nèi)的阻力曲線具有較好的重復(fù)性;2)在江科大水池內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)得出的未經(jīng)修正的阻力數(shù)據(jù)確實(shí)比船研所修正后的數(shù)據(jù)大,也就是說在此水池內(nèi)試驗(yàn)時確實(shí)存在阻塞效應(yīng),需要修正(圖1).通過對江科大阻力曲線與修正后阻力曲線的比對,可以得出:經(jīng)計(jì)算,Δv>0.003m/s,不能忽略阻塞效應(yīng)對試驗(yàn)的影響,需要修正(圖2).通過對江科大阻力修正曲線與船研所修正曲線的對比,可以得出:江科大拖曳水池內(nèi)的阻力曲線經(jīng)修正后,與船研所修正曲線已相當(dāng)接近,說明該水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)是正確的、可靠的,尤其是v在1.2～1.4m/s的區(qū)域內(nèi),重合度相當(dāng)高(圖3).由前面所述可知江科大水池的內(nèi)壁寬度b=5.5m,試驗(yàn)水深h=2m,A=bh=11m2.鎮(zhèn)江地區(qū)的重力加速度g=9.80665m/s2,將上述值代入式(5)中,可以得到a=11x1+x?0.2804(x2+2x)v2m(6)a=11x1+x-0.2804(x2+2x)vm2(6)式中,a的單位為m2,vm的單位為m/s.假定有一系列的x值,便得到對應(yīng)的一組a=f(vm)曲線.據(jù)此便可以繪制出江蘇科技大學(xué)拖曳水池阻塞效應(yīng)修正曲線,即a-vm的Δv/vm等值曲線(圖4).有了該圖,若已知船模的平均橫剖面積a和拖曳速度vm,立即在圖上可以讀出Δv/vm值,進(jìn)而求出Δv,可以迅速地對船模速度進(jìn)行修正,得出準(zhǔn)確的Rtm-(vm+Δv)曲線,從而為準(zhǔn)確預(yù)估實(shí)船功率和得出優(yōu)良船型等工作提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù).4拖危險(xiǎn)水池的修正以江蘇科技大學(xué)拖曳水池為