58000dwt散貨船的船模試驗【畢業(yè)設(shè)計】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p><b>　　1緒論4</b></p><p><b>　　1.1簡介4</b></

2、p><p>　　1.2本課題研究的背景及意義4</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.4 拖曳水池的介紹及實船、船模參數(shù)6</p><p>　　2 船模阻力試驗9</p><p>　　2.1 船模阻力試驗簡介9</p><p>　　2.2 傅汝德法與三因

3、次換算法的比較分析10</p><p>　　2.3 三因次法的介紹10</p><p>　　2.4 船模阻力試驗及三因次換算過程11</p><p>　　2.4.1 船模試驗準(zhǔn)備過程11</p><p>　　2.4.2 船模阻力試驗方法12</p><p>　　2.4.3 船模阻力試驗三因次換算過程13&l

4、t;/p><p>　　2.5 試驗所得數(shù)據(jù)與計算結(jié)果14</p><p>　　3 螺旋槳模型敞水試驗19</p><p>　　3.1敞水試驗的意義19</p><p>　　3.2 螺旋槳模型敞水試驗的理論分析19</p><p>　　3.2.1 相應(yīng)表達式的解釋19</p><p>　　

5、3.2.2螺旋槳模型敞水試驗的相似條件19</p><p>　　3.3測量儀器的使用及螺旋槳參數(shù)20</p><p>　　3.4 螺旋槳敞水試驗的準(zhǔn)備22</p><p>　　3.5 試驗實施過程及注意事項23</p><p>　　3.6 試驗結(jié)果及計算過程24</p><p>　　4 船模自航試驗26&l

6、t;/p><p>　　4.1 船模自航試驗的目的26</p><p>　　4.2 自航試驗的相似理論27</p><p>　　4.3 摩擦阻力修正值28</p><p>　　4.4 兩種常用自航試驗方法29</p><p>　　4.4.1 純粹自航試驗29</p><p>　　4.4.2

7、強迫自航法29</p><p>　　4.5 試驗步驟31</p><p>　　4.6 試驗數(shù)據(jù)的整理和分析31</p><p>　　4.6.1 對測量數(shù)據(jù)進行速度修正31</p><p>　　4.6.2 繪制自航曲線31</p><p>　　4.6.3 推進系數(shù)及其成分的分析計算32</p>

8、<p>　　4.6.4 實船性能預(yù)估35</p><p>　　4.7 自航試驗總結(jié)38</p><p>　　5.總結(jié)與展望38</p><p><b>　　[參考文獻]40</b></p><p><b>　　致謝41</b></p><p>　　5800

9、0DWT散貨船的船模試驗</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了通過船模實驗研究58000DWT散貨船快速性能的過程。以浙江海洋學(xué)院拖曳水池為試驗場所，通過58000DWT散貨船船模及其槳模相應(yīng)的試驗，測量并推算出船模、槳模相應(yīng)的快速性能，進一步對實船的性能進行預(yù)估。船模試驗包括船模阻力試驗、螺旋槳模型敞水試驗和船模自航三大試

10、驗。首先，進行船模的阻力試驗，對此試驗測得結(jié)果進行一系列的換算可以得到實船的總阻力和所需要的有效功率；其次，進行螺旋槳模型的敞水試驗，通過此實驗所測結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)的公式可以得到螺旋槳模型的進速系數(shù)、推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、敞水效率等性能指標(biāo)，同時繪制處螺旋槳敞水性特征曲線；最后，進行船模的自航試驗，結(jié)合前兩個試驗結(jié)果和本次試驗所測結(jié)果，便可以對實船的推進效率進行分析，得出實船的性能預(yù)估數(shù)據(jù)。</p><p>　　[

11、關(guān)鍵詞] 船模；試驗；阻力；敞水；自航；性能</p><p>　　The ship model test of 58000 DWT bulk carrier</p><p>　　[Abstract] This paper describes the ship model experiment to study the process of bulk carriers fast perfor

12、mance 58000DWT. At Zhejiang Ocean University towing tank do the 58000DWT bulk carrier ship model and its propeller mode test to measure and calculate the optimal and fast of them, and forecast further performance of the

13、real ship. Ship model tests include resistance test, open water test and self-propelled three trials. First of all, ship model resistance test , we can get the total resista</p><p>　　[Key Words] ship model;

14、test; resistance ;open-water; self propulsion test; fast performance</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1簡介</b></p><p>　　散貨船作為三大主流船型之一, 有著巨大的市場需求, 而我國在散貨船建造方面

15、擁有明顯的競爭優(yōu)勢。建設(shè)世界造船大國, 我們應(yīng)特別關(guān)注散貨船市場[1]。.船舶是一種價值浩大的工具，在建造船舶之前，需要經(jīng)過相應(yīng)的模型試驗，來保證它建造完成之后有優(yōu)良的性能和效率。例如說能夠省燃料百分之二或百分之三，表面上看起來數(shù)目并不大，但是在這船舶整個壽命使用期間累積起來節(jié)省的航行費用就很可觀了[2]。而通過船模試驗來可以實現(xiàn)優(yōu)化船舶線型、降低船模阻力的目的，通過船模試驗特別是船模自航試驗可以到達配給船體最有效的主機和螺旋槳。因此，

16、船模試驗應(yīng)受到我們高度的重視。</p><p>　　船模試驗是研究船舶阻力及動力性能最普遍的方法。目前關(guān)于船舶阻力方面的知識、設(shè)計應(yīng)用優(yōu)良船型的資料、估算阻力的經(jīng)驗公式和圖譜絕大多數(shù)都是由船模試驗結(jié)果得來的[3]。新的理論的發(fā)展和新船的設(shè)計是否能得到預(yù)期的要求都需要由船模試驗來驗證。而理論分析的進一步發(fā)展，又為船型設(shè)計和船模試驗提供更為豐富的內(nèi)容，以及指出改進的方向。因此船模試驗是進行船舶性能研究的重要部分。&l

17、t;/p><p>　　1.2本課題研究的背景及意義</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟一體化進程的不斷加速，各國的商業(yè)來往日益頻繁、貨物貿(mào)易量連年遞增。尤其像中國這樣的新興經(jīng)濟體國家，進出口量出現(xiàn)了前所未有的增長。這就迫切需要運輸效率高、船舶性能優(yōu)秀、燃油經(jīng)濟的船種來滿足世界經(jīng)濟發(fā)展的需要。散貨船以其運量大、貨源充足、航線固定、裝卸效率高及良好的經(jīng)濟效益等因素，逐漸成為運輸船舶的主力軍。船型優(yōu)秀

18、、快速性能良好、燃油經(jīng)濟的散貨船不但能提高貨物運輸效率、節(jié)約經(jīng)濟成本，而且在一定程度上緩解當(dāng)下日益凸顯的全球氣候與環(huán)境問題。</p><p>　　船舶環(huán)境適應(yīng)性是信息時代衡量船舶及其設(shè)備裝置性能能否充分發(fā)揮和提高其總體性能的重要指標(biāo)[4]。船舶不斷地在向著高性能、高速化、安全可靠的方向發(fā)展，因此就要求船舶在較高海情下或者大風(fēng)浪中具有良好的航行安全性能，對船舶平臺性能提出越來越高的要求。不論是造船廠還是航運公司，船

19、模試驗的重要性已不待言喻。由此可以看出，一艘船的綜合航行性能的優(yōu)劣，是值得我們不斷去探索與研究的。當(dāng)下，對于已開發(fā)船型性能方面的驗證與研究，船模試驗是一種行之有效的方法，也是當(dāng)下最常用的方法。船模試驗在船型投入生產(chǎn)前，就能可以比較準(zhǔn)確地估算出船舶的性能指標(biāo)，大大降低新船型開發(fā)成本。也為船型優(yōu)化及修改提供科學(xué)的依據(jù)。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　早期自

20、航試驗中通常使用光電示波器或磁帶記錄儀記錄運動船模的各個運動參數(shù)，在試驗進行過程中無法及時觀察到是否完整地記錄了試驗數(shù)據(jù)，往往在試驗結(jié)束后，檢查數(shù)據(jù)是才發(fā)現(xiàn)，由某些試驗儀器故障導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)記錄不全而不得不重做，試驗數(shù)據(jù)也必須人工讀數(shù)，不利于實現(xiàn)計算機自動分析處理[5]。計算機運行速度不快，儀器設(shè)備的精度也不高、操作繁雜，某些儀器由于人工讀數(shù)導(dǎo)致認(rèn)為誤差的增加，這些都會給試驗結(jié)果帶來一定的影響。</p><p>　

21、　國內(nèi)外多數(shù)船池在進行自航船模試驗時，船模的電源線、傳感器信號輸出線及控制線等均通過電纜與拖車上有關(guān)設(shè)備相連接。船模運動時，拖車帶著多束電纜與船模一起運動，眾多的電纜給船模產(chǎn)生一個附加的外力，在一定程度上影響數(shù)據(jù)的精度。</p><p>　　進入20世紀(jì)80年代后期，隨著單板機和微型機應(yīng)用在我國逐步的普及，我國曾采用專門設(shè)計的單板機采集運動模型的各運動參數(shù)，也就是第一代計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于當(dāng)時計算機的計算速度

22、比較慢，該系統(tǒng)不能實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的及時顯示，只能在一個試驗結(jié)束，船模返航靠岸后，使用電纜通過相應(yīng)的接口，把儲存于數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)上傳至岸邊的計算機。在數(shù)據(jù)傳送過程中，從計算機屏幕上可以觀察數(shù)據(jù)的可靠性。同時，由于單板機是特別設(shè)計的，單件生產(chǎn)而不是工業(yè)化流水線生產(chǎn)，存在功能固定，故障率高，市場上很難找到替代件等缺點。</p><p>　　近年來計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和便攜計算機價格的大幅降低，使得我們可以用

23、便攜式計算機做船上計算機，微型無線數(shù)傳機和Pentium級計算機做岸機，組成了我們第二代計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。另外，現(xiàn)代水池都根據(jù)安裝了攝像設(shè)備，全方位時時監(jiān)測試驗對象的狀態(tài)并做記錄，為試驗帶來了極大的便利。</p><p>　　船模試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與船池測試系統(tǒng)的精度有直接關(guān)系, 應(yīng)用計算機對船模試驗數(shù)據(jù)的采集。分析和處理是提高測試精度及實現(xiàn)船模試驗研究現(xiàn)代化的重要手段，為此專門研制了一套以船模試驗為主要對象的計

24、算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多功能數(shù)據(jù)處理器和船模阻力、自航、敞水、耐波、等試驗分析、處理軟件組成,并以技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠、實用性強等特點, 完全替代了船模性能試驗傳統(tǒng)的測試、處理方法。</p><p>　　同時，也是由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶計算流體力學(xué)（SCFED）和相應(yīng)的處理軟件得到了快速的發(fā)展并越來越普及。船模數(shù)值水池的建設(shè)已成為當(dāng)前世界造船大國和造船強國水動力學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向。數(shù)值水池的重

25、要基礎(chǔ)是CFD技術(shù)，即應(yīng)用CFD方法進行船舶流動數(shù)值模擬，實現(xiàn)船舶水動力學(xué)性能的數(shù)值計算和預(yù)報[6]。</p><p>　　船模試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與水池測試系統(tǒng)的精度有直接關(guān)系，由于國內(nèi)工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)起步晚、缺乏核心技術(shù)，所以一些精度要求比較高的儀器都需要進口，例如本論文中浙江海洋學(xué)院的阻力測力儀就是進口英國的。應(yīng)用計算機對船模試驗數(shù)據(jù)的采集、分析和處理是提高測試精度及實現(xiàn)船模試驗研究現(xiàn)代化的重要手段。華中科技

26、大學(xué)專門研制了一套以船模試驗為主要對象的計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多功能數(shù)據(jù)處理器和船模阻力、自航、敞水、耐波等試驗分析、處理軟件組成，并以技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠、實用性等特點，代替了船模性能試驗傳統(tǒng)的測試、處理方[7]法?？赏瑫r進行16通道數(shù)據(jù)采集處理，主要完成船舶性能試驗的測試。如船舶阻力、船模自航、螺旋槳敞水等試驗。通過軟件處理，可得出試驗數(shù)據(jù)的平均值、最大值、瞬時值、周期等，并且還可以對采樣數(shù)據(jù)進行濾波、快速傅立葉變換以及

27、曲線擬合。此系統(tǒng)不能將試驗數(shù)據(jù)進行實時顯示，需要進一步完善。</p><p>　　1.4 拖曳水池的介紹及實船、船模參數(shù)</p><p>　　浙江海洋學(xué)院實驗室于實驗教學(xué)方面主要擔(dān)負(fù)船舶與海洋工程、海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的實驗教學(xué)任務(wù)，同時承擔(dān)浙江省內(nèi)外船舶設(shè)計與水動力性能研究，以及漁具、漁業(yè)工程設(shè)施設(shè)計與研究的各項試驗任務(wù)。完成《船舶阻力》、《船舶推進》、《船舶操縱與搖擺》、《流體力學(xué)

28、》、《漁具力學(xué)》、《漁具漁法學(xué)》、《船舶結(jié)構(gòu)與原理》等課程的實驗項目，其中包括：船模阻力試驗、波形分析與測量、螺旋槳敞水試驗、船模自航試驗、船模耐波性試驗等；拖網(wǎng)模型試驗、張網(wǎng)模型試驗、網(wǎng)箱模型試驗、網(wǎng)片水動力試驗、網(wǎng)囊阻力試驗、鋼索水動力試驗及浮子水阻力試驗等。于科學(xué)研究方面主要承擔(dān)船舶與海洋工程、海洋漁業(yè)等科學(xué)領(lǐng)域進行船舶性能研究和漁具科學(xué)研究任務(wù)。本試驗水池可完成船舶快速性、船舶耐波性與操縱性試驗以及漁具、養(yǎng)殖網(wǎng)箱、人工魚礁模型等

29、試驗研究。</p><p>　　本實驗室也是浙江省與我國東南地區(qū)唯一的一座進行船舶與漁具水動力性能試驗研究的多功能大型設(shè)備。本實驗室是設(shè)計、創(chuàng)新和開放性實驗室，它面向校內(nèi)學(xué)生、省內(nèi)外專家、學(xué)者和工程技術(shù)研究人員開放。其主要參數(shù)如下所示：</p><p>　　本實驗室建筑面積：2000 m2；</p><p>　　總 長：130 m；

30、 池 寬：6.0 m； </p><p>　　池 深：4.1m； 水 深：3.5 m；</p><p>　　拖車速度：0.1 m/s~6.5 m/s； 精 度：0.1%；</p><p>　　造 波 機：液壓搖擺式；

31、 波長范圍：0.5~20 m連續(xù)可調(diào)；</p><p>　　頻率范圍：0.2~2.0 HZ； 波高范圍：最大波高為350 mm。</p><p>　　圖1 浙江海洋學(xué)院船模拖曳水池</p><p>　　此次試驗的船模與實船的縮尺比為50，實船及船模設(shè)計載況狀態(tài)的主尺度參數(shù)列于表1、表2。船模實物請參見圖2.</p>

32、<p><b>　　圖2 木制船模</b></p><p>　　表1 實船主尺度參數(shù)</p><p>　　表2 船模主尺度參數(shù)</p><p>　　本試驗由三個試驗組成，分別是阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗。阻力試驗和船模自航試驗所用的儀器是英國進口的阻力儀R47（技術(shù)指標(biāo)如表格3所示），其能測量船模的總阻力；螺旋槳模型敞水試

33、驗主要試驗儀器是型無摩擦應(yīng)變式螺旋槳敞水動力儀，通過其可以測量螺旋槳模型在敞水狀況下的推力、扭矩等參數(shù)。</p><p>　　表3阻力儀R47技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　另外一種必不可少的設(shè)備就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很大程度上決定了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次試驗所用試驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備是DH5920/22動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，其包含動態(tài)信號測試所需的信號調(diào)理器（應(yīng)變、振動等調(diào)理器）、直流電

34、壓放大器、抗混濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通訊的全部硬件，并提供操作方便的控制軟件及分析軟件，是以計算機為基礎(chǔ)、智能化的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。系統(tǒng)對應(yīng)變能力及力、壓力、扭矩、荷重、溫度、位移、速度、加速度等物理量進行自動、準(zhǔn)確、可靠的動態(tài)測試和分析，是工礦企業(yè)、科研機構(gòu)及高等院校在研究、設(shè)計、檢測、生產(chǎn)和施工中進行非破壞性動靜態(tài)應(yīng)變、振動、沖擊及各種物理量測試和分析的一種重要工具，其技術(shù)指標(biāo)如下。</p&g

35、t;<p><b>　　技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　系統(tǒng)準(zhǔn)確度：小于0.5%（F.S）（預(yù)熱1小時后測量）</p><p>　　系統(tǒng)穩(wěn)定度：0.1%/小時</p><p>　　準(zhǔn)確度：a.一次積分：不確定度＜3% b.二次積分：不確定度＜5%</p><p><b>　　2 船

36、模阻力試驗</b></p><p>　　2.1 船模阻力試驗簡介</p><p>　　阻力實驗是研究新型船型快速性常用、有效的方法。因為一艘船能否達到預(yù)定速度，關(guān)鍵取決于其所受的總阻力。新船型設(shè)計好以后，往往通過制作相同形狀的船模在拖曳水池里進行性能數(shù)據(jù)的采集和研究，再通過科學(xué)的計算方法把船模所采集到的數(shù)據(jù)換算到實際船舶上去。船模阻力試驗的結(jié)果也是船體線型優(yōu)化的重要依據(jù)，通過首

37、尾線型優(yōu)化降低興波阻力和粘壓阻力等，而達到提高航速的目的。例如，從降低興波阻力方面入手，主要調(diào)整船艏形狀，船首部采用球鼻首；從降低粘壓阻力方面入手，可以調(diào)整船尾形狀，以使船舶在設(shè)計航速下，流體能更為流暢地留個船體表面，降低首尾壓力差，從而達到降低粘壓阻力的目的[8]。此外，利用這樣的試驗不但大大減少研究周期和簡化研究手段，而且于經(jīng)濟上，把開發(fā)新船型風(fēng)險控制在可承受的最小范圍內(nèi)，大大降低新船型開發(fā)的成本與資金風(fēng)險。</p>

38、<p>　　通常情況下，船舶總阻力由摩擦阻力、興波阻力和粘壓阻力組成，也就是船舶總阻力是由摩擦阻力、粘壓阻力和興波阻力三個阻力所產(chǎn)生的一個合力。其中，摩擦阻力是由于水的粘性，在船體周圍形成“邊界層”，從而使船體運動過程中所受到粘性切應(yīng)力；興波阻力是由于船在行駛過程中，船首的波峰使首部壓力增加，而船尾的波谷使尾部壓力降低，導(dǎo)致首尾流體壓力差所形成的阻力；粘壓阻力由于船體曲度驟變和水的粘性，特別是較豐滿的尾部常產(chǎn)生漩渦，進而引起船

39、體前后壓力不平衡所產(chǎn)生的阻力。粘壓阻力一般所占比重不大，且實際上也很難同興波阻力分開，為方便學(xué)習(xí)研究，通常把粘壓阻力和興波阻力合并在一起稱為剩余阻力Rr。因此船體總阻力可以分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分。但三因次換算法并不是這樣劃分阻力的，其把摩擦阻力和粘壓阻力合在一起并稱為粘性阻力，由</p><p>　　2.2 傅汝德法與三因次換算法的比較分析</p><p>　　本論文將采用三因次換算

40、法將船模實驗所采集的數(shù)據(jù)換算到實船上。在展開此方法論述前，先來介紹下雷諾定律、雷諾數(shù)和傅汝德定律、傅汝德數(shù)以及傅汝德?lián)Q算法。</p><p>　　雷諾定律：雷諾定律實際是粘性阻力相似定律，其表明一定形狀的物體，粘性阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)雷諾數(shù)相同時，粘性阻力系數(shù)比相等。其中雷諾數(shù)Re=Lv/ν(L為船長、v為船的速度、ν為粘性系數(shù))。</p><p>　　傅汝德定律：傅汝德定律其實是興

41、波阻力相似定律，其表明對于給定船型的興波阻力系數(shù)，當(dāng)兩船的傅汝德數(shù)相等時，興波阻力系數(shù)必相等。其中傅汝德數(shù) 。但對于不同船型而言，興波阻力系數(shù)除與傅汝德數(shù)有關(guān)外，還會因船型變化而發(fā)生變化。</p><p>　　實際上，船模與實船是不可能實現(xiàn)全相似，即同時滿足雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)相等。單一的雷諾數(shù)相等也是不能實現(xiàn)的，因此只能保持傅汝德數(shù)相等的情況下組織實驗。</p><p>　　傅汝德法有兩個假

42、定前提條件：一是假定船體總阻力分為兩部分，即只與雷諾數(shù)有關(guān)的摩擦阻力和只與傅汝德數(shù)有關(guān)的剩余阻力；另一是船體摩擦阻力符合相當(dāng)平板假定，即等同于同速度、同長度、同濕面積的平板摩擦阻力。</p><p>　　雖然可以用傅汝德法計算出實船的總阻力，而且具有一定的準(zhǔn)確性，但是但嚴(yán)格地從物理意義上講, 傅汝德方法是不夠合理的。隨著肥大船型的發(fā)展, 傅汝德?lián)Q算方法的不合理性愈益突出, 因為在與實船試驗結(jié)果分析比較時, 常出現(xiàn)

43、負(fù)值粗糙度補貼(即船模實船換算補貼)這樣, 早在1954年由Hughes提出的三因次換算方法又重新得到人們的重視[9]。此外，從傅汝德法的兩個假定上也可以得出這種算法具有一定的不科學(xué)性，其一是傅汝德法吧船體阻力機械地分為兩個獨立部分進而忽略了兩者的相互影響；其二是傅汝德法將興波阻力和粘壓阻力這兩種不同性質(zhì)的阻力成分合并為剩余阻力，并認(rèn)為符合傅汝德比較定律，在理論上這是不恰當(dāng)?shù)?；其三是船體形狀是相當(dāng)復(fù)雜的三因此物體，其周圍流動情況與平板相

44、比有明顯的差別，因而用相當(dāng)平板的摩擦阻力來代替船體摩擦阻力，必然是有誤差的。</p><p>　　2.3 三因次法的介紹</p><p>　　綜合2.2的論述，所以本論文為了得到更精確的數(shù)據(jù)，選擇了三因次換算法。三因次換算法較傅汝德法主要在于三因次換算法考慮了船?；?qū)嵈男螤钚?yīng)。三因次換算法依據(jù)因船體表面彎曲而增加的摩擦阻力系數(shù)與相當(dāng)平板摩擦阻力系數(shù)之比為一常數(shù)這一重要結(jié)論展開，并且把粘

45、壓阻力和摩擦阻力合并為與雷諾數(shù)有關(guān)的粘性阻力。興波阻力只與與傅汝德數(shù)有關(guān)，所以總阻力可以表達為：</p><p>　　另外根據(jù)船模實驗結(jié)果，認(rèn)為粘壓阻力和摩擦阻力系數(shù)之比為一常數(shù)k，其表示為：</p><p><b>　　或</b></p><p>　　其中（1+k）稱為形狀因子，k稱為形狀系數(shù)。</p><p>　　因

46、此船體總阻力可以表示為：</p><p>　　船模的總阻力系數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　由于興波阻力符合比較定律，故實船在相應(yīng)速度時的總阻力系數(shù)換算式無：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　綜合

47、(1)、(2)兩式得：</p><p>　　上式的、分別為船模和實船的摩擦阻力系數(shù)，、（1+k）值由船模實驗來確定 。</p><p>　　2.4 船模阻力試驗及三因次換算過程</p><p>　　2.4.1 船模試驗準(zhǔn)備過程</p><p>　　試驗采用木制船模，在艏垂線后1/20垂線間長處安裝1mm的激流絲[10]（參見圖3），試驗本應(yīng)該

48、在三種種不同載況下對船模進行試驗，包括設(shè)計載況狀態(tài)、結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)和壓載載況狀態(tài)。但限于本論文的篇幅，所以只以比較有代表性的設(shè)計載況狀態(tài)進行說明。試驗過程中，船模通過R47阻力測量儀與拖車相連，測量記錄水池溫度、拖車速度、以及船模阻力。所有阻力測量值經(jīng)過阻塞效應(yīng)修正，獲得開敞水域條件下的模型阻力值。阻力試驗布置如圖4所示。試驗前的準(zhǔn)備工作大致有以下四步：</p><p>　?。?）船模準(zhǔn)備：試驗前先檢查船模是否漏水

49、，如漏水應(yīng)及時修補。（2）激流的安裝：本次試驗的激流方法是在離船模首垂線后處安裝設(shè)直徑為1mm的銅質(zhì)激流絲。若只加大船模長度，即使模型長度達9m，雷諾數(shù)可以達到，若不采用激流裝置，在船模首部仍然存在層流界層區(qū)域，使換算結(jié)果存在較大的誤差。以本文3.996m長的船模為例，激流裝置與否會造成換算到實船的結(jié)果相差7~10%。因此，在進行船模阻力試驗時，必須采用激流裝置。（3）船模稱重：按船?？s尺比的要求計算船模的排水量，并進行稱重，根據(jù)稱

50、重結(jié)果加壓載，以滿足試驗所要求的排水量和吃水。（4）與阻力測量儀對接安裝（參見圖4）：船模安裝到拖車上，應(yīng)使其縱中剖面與前進方向一致，拖力作用線應(yīng)位于縱中剖面內(nèi)其作用點在水線附近的位置上并保持水平。試驗過程中的進退，縱搖和升沉運動應(yīng)都不受限制。</p><p>　　圖3 船模首部的激流絲</p><p>　　圖4 靜水阻力試驗布置</p><p>　　2.4.

51、2 船模阻力試驗方法</p><p>　　根據(jù)實船的設(shè)計航速及其航速范圍可以換算出此船船模試驗時所需的速度，經(jīng)換算得本次船模應(yīng)該進行的試驗速度范圍為0.400至1.250m/s。為滿足試驗要求，選取了以下速度值進行船模的阻力試驗：0.400 m/s、0.500 m/s、0.600 m/s、0.700 m/s、0.750 m/s、0.800 m/s、0.850 m/s、0.900 m/s、0.950 m/s、0.9

52、89 m/s、1.000 m/s、1.050 m/s、1.100 m/s、1.150 m/s、1.200 m/s、1.250 m/s。</p><p>　　以船模試驗速度為0.400m/s進行試驗過程的說明。首先，在一切準(zhǔn)備工作做好后，啟動拖車并設(shè)置拖車運行速度為0.400m/s，此速度亦是船模航行速度。其次，待拖車速度穩(wěn)定在0.400m/s時就可以松開固定裝置并拔出阻力測量儀上的安全插銷，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電腦顯

53、示屏上就可以顯示出船模所受的總阻力，系統(tǒng)自動保存船模試驗所得的試驗結(jié)果。最后，待測量完畢時，用固定裝置夾緊船模再插上阻力儀的安全插銷，拖車在減速停止并駛回出發(fā)地。如果拖車導(dǎo)軌夠長，就可以進行連續(xù)的測量，如在某個測量總阻力完畢時，直接設(shè)置拖車速度到下一個要試驗的速度。其它船模試驗速度所對應(yīng)的總阻力值都是按照上述操作得出的。</p><p>　　2.4.3 船模阻力試驗三因次換算過程</p><p

54、>　　船?？傋枇tm分成兩個部分，即粘性阻力和興波阻力。粘性阻力只與雷諾數(shù)有關(guān)，興波阻力與傅汝德數(shù)有關(guān)。</p><p>　　其中為濕表面積，為船池水密度， 為模型雷諾數(shù)，為池水的運動粘性系數(shù)。船模總阻力系數(shù)可根據(jù)下式計算：</p><p>　?。ㄓ蓪嶒灉y得） </p><p>　　船模剩余阻力 及其剩余阻力系數(shù)可根據(jù)下式計算：</p>

55、<p>　　其中，（1+k）由普魯哈斯卡方法給出，及以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，將個點標(biāo)在圖中，并作出各實驗點的平均直線，如圖，該直線的斜率為系數(shù)y，而在縱坐標(biāo)上的截距就是形狀因子（1+k）的值。</p><p>　　實船在對應(yīng)速度的剩余阻力值可直接換算如下：</p><p>　　其中，為15°C條件下的淡水密度，為船?？s尺比， 為實船速度，為表面粗糙度修正。</p&

56、gt;<p>　　實船自身對應(yīng)處的總阻力系數(shù)及總阻力為：</p><p>　　實船裸船體有效功率根據(jù)下式計算：</p><p>　　根據(jù)上述的方法分別對船模在設(shè)計載況狀態(tài)進行試驗數(shù)據(jù)的采集和處理，以分別計算出設(shè)計載況狀態(tài)下船舶的快速性能。</p><p>　　2.5 試驗所得數(shù)據(jù)與計算結(jié)果</p><p>　　船模設(shè)計載況狀

57、態(tài)下所得試驗數(shù)據(jù)如表4所示。</p><p>　　表4阻力試驗所得試驗數(shù)據(jù)</p><p>　　利用三因次換算法的計算方法，對船模阻力試驗所得數(shù)據(jù)進行處理，便可得出船模的興波阻力系數(shù)、總阻力系數(shù)、總阻力和所需的有效功率等，其換算過程如表格5所示。</p><p>　　表格5：有效功率計算表</p><p>　　三因此換算法雖比二因此換算法更為

58、合理，但要使其獲得實際應(yīng)用就面臨著一個在常規(guī)試驗中如何而又簡便地確定形狀因子的問題[12]。本文形狀因子的計算采用文獻[3]所介紹的普魯哈斯卡方法。形狀因子（1+k）值可由以下處理方法得來的。</p><p>　　依據(jù)上述表格及相關(guān)公式和數(shù)據(jù)，就可以算出 、 的值，再分別以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)便可得到以下經(jīng)excel處理過的坐標(biāo)圖（如圖5所示）。</p><p>　　圖5 （1+k）值的確定

59、</p><p>　　由上圖我們可以得到y(tǒng)=1028.9x+1.1292這樣一個一次函數(shù)，且這函數(shù)的截距就是（1+k）的值，即</p><p>　?。?+k）=1.1292</p><p>　　依據(jù)表格5，就可以得到船模阻力曲線圖和實船有效功率曲線圖，分別參見圖6和圖7。</p><p>　　圖6船模總阻力曲線圖</p><

60、;p>　　圖7 實船有效功率曲線圖</p><p>　　3 螺旋槳模型敞水試驗</p><p>　　3.1敞水試驗的意義</p><p>　　螺旋槳模型單獨地在均勻水流中的試驗稱為敞水試驗，試驗可以在船模試驗水池中，也可以在循環(huán)水槽中，也可以在空泡水筒中進行，本試驗采取船模試驗水池來進行試驗，為了消除自由液面的影響(興波和吸氣)，螺旋槳的軸線潛深Hs應(yīng)大于或等

61、于一個槳徑，同時為了避免嚴(yán)重的粘性尺度效應(yīng)，槳模雷諾數(shù)要求大于某一臨界值。</p><p>　　敞水試驗可以估算螺旋槳運轉(zhuǎn)性能, 是測定和分析螺旋槳性能較為簡便和可靠的方法。由于敞水試驗要求同時對轉(zhuǎn)矩、推力、車速和轉(zhuǎn)速進行測試,現(xiàn)在都應(yīng)用計算機對敞水試驗數(shù)據(jù)進行分析處理[13]。螺旋槳模型敞水試驗為螺旋槳的設(shè)計及提高螺旋槳效率提供了可靠的依據(jù)，也為螺旋槳理論發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本次螺旋槳敞水試驗的主要目的在于為配合船模

62、自航試驗而進行，通過此方法分析推進效率成分，比較各種設(shè)計方案的優(yōu)劣，便于選擇最佳的螺旋槳。</p><p>　　3.2 螺旋槳模型敞水試驗的理論分析</p><p>　　3.2.1 相應(yīng)表達式的解釋</p><p>　?。簽檫M速系數(shù)J的表達式，兩個幾何相似螺旋槳的相同，即相同，其表明螺旋槳及其模型在各對應(yīng)點處流體質(zhì)點的速度具有相同的方向，這是螺旋槳模型與實槳運動相似

63、的基本條件。</p><p>　?。簽槁菪龢字Z數(shù)Re的表達式，模型和實槳粘性力相似必須滿足雷諾數(shù)相同的條件，當(dāng)螺旋槳及其模型的雷諾數(shù)相同時，兩者之粘性系數(shù)相等，即由粘性而產(chǎn)生的力也與成比例。</p><p>　　：相當(dāng)于螺旋槳傅汝德數(shù)，表示模型和實物的重力相似條件，與螺旋槳在水下面的沉沒深度有關(guān)。</p><p>　　3.2.2螺旋槳模型敞水試驗的相似條件<

64、/p><p>　　船用螺旋槳是一種常規(guī)船舶推進器，對其性能的研究幾百年來多集中在水池實驗的基礎(chǔ)之上，但同時對螺旋槳性能的理論研究也從未間斷過[14]。結(jié)合以往的實驗與理論的研究，首先，螺旋槳模型與實槳要滿足全相似條件，按流體中運動模型與實物達到力學(xué)上全相似的要求，必須滿足幾何相似、運動相似和動力相似。以下就按這三方面來對螺旋槳敞水實驗的要求進行論述。</p><p><b>　?。?

65、）幾何相似</b></p><p>　　在選擇螺旋槳模型時，要按實槳尺寸的一定比例選擇既能滿足此條件，但在粘性力相似條件中需達到臨界雷諾數(shù)的要求，因此槳模尺寸不宜過小，敞水試驗槳模直徑一般要大于120。本文試驗選擇槳模為也基本符合試驗要求。</p><p><b>　　（2）運動相似</b></p><p>　　運動相似體現(xiàn)在進速系

66、數(shù)J，亦如前面所述，兩幾何相似螺旋槳的相同，即相同，這表示實槳與槳模在各對應(yīng)點處流體質(zhì)點的速度具有相同的方向且其比值為一常數(shù)。這在換算水動力系數(shù)時其條件就是進速系數(shù)相等：，即能自動滿足。</p><p><b>　?。?）動力相似</b></p><p>　　根據(jù)船舶水動力理論，槳模敞水試驗時的水動力是受流體粘性力及質(zhì)量力所控制，而質(zhì)量力是由重力引起，如果試驗時保持槳

67、模有足夠深度而不產(chǎn)生興波現(xiàn)象，即消除自由液面的影響則可認(rèn)為符合重力相似條件。實踐證明，當(dāng)槳軸的沉沒深度（為螺旋槳模型直徑），興波的影響可以忽略不計，即可滿足此條件。本文試驗以上述條件為準(zhǔn)，綜合考慮試驗時螺旋槳運行時空泡現(xiàn)在選擇。</p><p>　　至于粘性力相似條件，由于螺旋槳模型試驗時的雷諾數(shù)無法保持與實槳的相同，若雷諾數(shù)過低，則由于切面上流動狀態(tài)與實槳不同，將使試驗結(jié)果無實用價值，因此必須確立一個模型槳試驗

68、的最低雷諾數(shù)——臨界雷諾數(shù)。要想實槳處于紊流狀態(tài)工作，其雷諾數(shù)大致在左右，這是槳模所達不到的。而只有當(dāng)槳模的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時，界層中的流動才能達到紊流狀態(tài)，故臨界雷諾數(shù)是保證槳模界層流動達到紊流狀態(tài)的最低值。螺旋槳模型敞水試驗的雷諾數(shù)應(yīng)大于1978年ITTC建議的臨界雷諾數(shù)值，它是以處葉切面的舷長及合速度作為特征量來計算的，在槳模試驗室，只要超過此值即認(rèn)為符合粘性力相似條件。</p><p>　　綜上可知：

69、在要求螺旋槳敞水試驗相似條件基礎(chǔ)上，確保進速系數(shù)J相等，對于雷諾數(shù)則僅要求超過臨界數(shù)值就可。實驗過程中也因槳模和實槳不同而引起的水動力性能差異進行修正。</p><p>　　3.3測量儀器的使用及螺旋槳參數(shù)</p><p>　　本文進行的敞水試驗使用的螺旋槳動力儀為型無摩擦應(yīng)變式螺旋槳敞水動力儀和五葉螺旋槳模(詳見圖8)。</p><p>　　CH-D5型無摩擦應(yīng)變

70、式螺旋槳敞水動力儀是專為在水池中進行敞水試驗用的大型精密專用儀器，使用前所要準(zhǔn)備的工作內(nèi)容多且非常重要。為確保動力儀的安全和測試結(jié)果的準(zhǔn)確和有效，特制定本使用規(guī)程。使用CH-D5型動力儀時應(yīng)注意嚴(yán)格按本使用規(guī)程的要求進行試驗前準(zhǔn)備工作、槳模安裝工作和試驗工作，這對CH-D5型動力儀這高精度特殊儀器的一種有效保護手段。</p><p>　　每次安裝和使用CH-D5型動力儀前應(yīng)按動力儀的靜、動態(tài)標(biāo)定規(guī)程進行CH-D5

71、型動力儀的靜態(tài)標(biāo)定工作，（或是在動力儀安裝到拖車上以后先用標(biāo)準(zhǔn)槳模進行動力儀的動態(tài)標(biāo)定），這項工作最好在試驗的當(dāng)天進行，當(dāng)動力儀的靜態(tài)標(biāo)定（或動態(tài)標(biāo)定）結(jié)果足以說明動力儀及其測量系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時，采用當(dāng)天的標(biāo)定結(jié)果處理測試結(jié)果。</p><p>　　在進行動力儀扭矩靜態(tài)標(biāo)定工作時需要把扭矩校驗板固定在水平位置，這時利用四象限敞水試驗的加里裝置，旋緊連軸節(jié)摩擦輪直徑兩端的加力螺栓、壓縮彈簧，增加對摩擦輪的正壓力從

72、而增加在摩擦輪上產(chǎn)生的摩擦力矩，直至此力矩可以克服扭矩標(biāo)定砝碼對動力儀傳感器軸造成的標(biāo)定力矩，維持傳感器軸和扭矩標(biāo)定板不發(fā)生轉(zhuǎn)動為止?？梢姙榱说玫阶銐虼蟮膶δΣ凛喌恼龎毫?，有必要使兩個加力螺栓產(chǎn)生的正壓力大體上相同，以免因不平衡正壓力過大而造成電機軸彎曲變形，因此應(yīng)盡可能保持同步旋緊這兩個加力螺栓。此外，CH-D5型動力儀設(shè)有起吊孔，應(yīng)用行車進行動力儀在水池拖車上的裝拆工作。動力儀的電動機在最高位置，因此整個儀器的重心較高，用行車起吊時

73、應(yīng)注意吊耳的高度位置是否適合，起吊時要絕對防止因重心過高而發(fā)生動力儀傾復(fù)或翻到的嚴(yán)重事故。</p><p>　　檢查試驗用槳模的情況，包括槳模表面是否完好、槳模軸孔和鍵槽是否與動力儀吻合、是否已準(zhǔn)備好與槳模配套并滿足試驗項目要求的將軍帽和引流套，要求在動力儀支架上進行槳模試裝。試裝時要求槳模可以很順利而平滑的裝到動力儀的傳感器軸上，嚴(yán)禁用沖擊和強力的方法安裝槳模，在旋緊將軍帽時應(yīng)確保傳感器不會承受到使用工具安裝時

74、可能受到的超量程的力和力矩，以確保傳感器的安全。為此必須由經(jīng)驗的試驗工作人員進行操作，禁止由其他人員參與此項工作。對于新建水池，應(yīng)對試驗操作人員進行必要的專業(yè)培訓(xùn)才能上崗操作以免因操作不當(dāng)造成貴重儀器的損壞。</p><p><b>　　圖8 </b></p><p>　　該螺旋槳實槳及槳模的參數(shù)如表6：</p><p><b>　

75、　表6 螺旋槳參數(shù)</b></p><p>　　3.4 螺旋槳敞水試驗的準(zhǔn)備</p><p>　　螺旋槳敞水試驗的目的是測量槳模的水動力性能，而槳徑D值及水密度ρ值是已知量，因此只需測出槳模在試驗過程中的轉(zhuǎn)速值，進速值推力及其轉(zhuǎn)矩值就可得出其水動力性能。在船模拖曳水池中的螺旋槳敞水試驗常采用保持轉(zhuǎn)速值不變而以不同的進速值進行試驗以得到不同進速系數(shù)值對應(yīng)的推進系數(shù)值及轉(zhuǎn)矩系數(shù)值

76、。現(xiàn)簡述其實施過程如下：</p><p><b>　　試驗前的準(zhǔn)備工作：</b></p><p>　?。?）加工槳轂和轂帽</p><p>　　為測量槳模質(zhì)量在試驗中引起的摩擦損耗及其槳軸，槳轂在水中運動時引起的摩擦損耗，需要制作一個沒有槳葉而形狀與模型槳轂相同，質(zhì)量與模型相近的鉛制或其他材料的槳轂，稱為“槳轂”。轂帽是使水流平順地流過槳模周圍

77、，在槳轂前后必須安裝流線型的轂帽和光順的過渡部件。</p><p>　?。?）動力儀的靜校驗</p><p>　　在進行動力儀扭矩靜態(tài)標(biāo)定工作時需要把扭矩校驗板固定在水平位置，這時利用四象限敞水試驗的加里裝置，旋緊連軸節(jié)摩擦輪直徑兩端的加力螺栓、壓縮彈簧，增加對摩擦輪的正壓力從而增加在摩擦輪上產(chǎn)生的摩擦力矩，直至此力矩可以克服扭矩標(biāo)定砝碼對動力儀傳感器軸造成的標(biāo)定力矩，維持傳感器軸和扭矩標(biāo)

78、定板不發(fā)生轉(zhuǎn)動為止?？梢姙榱说玫阶銐虼蟮膶δΣ凛喌恼龎毫Γ斜匾箖蓚€加力螺栓產(chǎn)生的正壓力大體上相同，以免因不平衡正壓力過大而造成電機軸彎曲變形，因此應(yīng)盡可能保持同步旋緊這兩個加力螺栓。</p><p>　　機械式動力儀通過靜校驗得出機械摩擦損失值以及儀器指針刻度與力的關(guān)系曲線，對于電測動力儀須測定信號與力合轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。本次試驗使用電測式動力儀，在試驗前進行了靜校驗，校驗結(jié)果符合要求。</p>

79、<p>　　（3）測量尾軸摩擦損失</p><p>　　把槳模和試驗設(shè)備一起正確安裝在拖車上之后，校準(zhǔn)儀器零點。將槳轂安裝在船模的位置，槳平面沉沒至試驗所需深度，本文試驗綜合（槳模軸的沉沒深度一般?。?.625~1.00））選取槳平面沉沒深度選取1.00，該情況下，即符合試驗要求，且螺旋槳運行時空泡效應(yīng)良好，為理想的試驗工況，在該要求的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)動力儀，在轉(zhuǎn)矩測量元件上測出總的摩擦損失，從中扣除相應(yīng)的摩

80、擦損耗，便得到尾軸摩擦損失值，它與轉(zhuǎn)速有關(guān)。對于電測動力儀來說，測量尾軸摩擦損失值會更簡單些，一般在要求試驗轉(zhuǎn)速下校正零點，以扣除尾軸摩擦損耗。</p><p>　　（4）測量推力修正值</p><p>　　因敞水試驗時，槳模安裝在軸的前端并向前運動，其槳軸和槳轂將受到前進方向的水阻力，從而抵消了一部分槳葉發(fā)出的推力。上述阻力在實船上是不存在的。因此，對測定得的推力值必須修正，該阻力稱為推

81、力修正值，其大小與螺旋槳前進速度有關(guān)，其測量方法如下：</p><p>　　在正式試驗前，槳假槳轂安裝在槳轂位置上，敞水箱沉沒到規(guī)定，以敞水試驗要求的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，測定在不同進速是動力儀上顯示的推力值即是槳轂及軸的前進阻力。因此，螺旋槳產(chǎn)生的推力用下式計算:</p><p>　　式中——槳產(chǎn)生的靜推力</p><p>　　——儀器測定的總推力</p>&l

82、t;p><b>　　——推力修正值</b></p><p>　?。?）動力儀的動校驗</p><p>　　本次試驗在浙江海洋學(xué)院拖曳水池拖車上進行。拖車位于兩平直軌道上，由電機驅(qū)動，可在軌道上行駛。拖車上裝又車速測量裝置及CH-D5型動力儀。儀器正確安裝于推車上之后，先用某一標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳模型按照規(guī)定的程序進行敞水試驗，此試驗過程稱為動力儀的動校驗，其目的在于校驗本

83、次試驗結(jié)果與以往的試驗結(jié)果的一致性，借以全面判斷儀器及設(shè)備安裝是否正確合理。</p><p>　　3.5 試驗實施過程及注意事項</p><p>　　螺旋槳敞水試驗的目的是測定其水動力性能，而槳徑D值及水密度ρ值是已知量，因此只需測出槳模在實驗過程中的轉(zhuǎn)速n值，速度VA值，推力T值及轉(zhuǎn)矩Q值就可得出其水動力性能。</p><p>　　在船模拖曳水池中進行螺旋槳敞水試

84、驗通常是采用常規(guī)方法進行，即保持槳模轉(zhuǎn)速不變而改變推車前進速度而獲得槳模不同工況（不同的進速系數(shù)J值）的水動力性能。</p><p>　　按臨界雷諾數(shù)的要求以及儀器量程及推車最高限速的情況選定適當(dāng)?shù)臉＾D(zhuǎn)速。經(jīng)計算本次試驗取900r/min。試驗是由低速至高速依次進行，此次試驗的速度范圍為0至3.00m/s,t梯度為0.300 m/s。在拖車速度及槳模轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后在同一瞬間測量槳模槳模相應(yīng)轉(zhuǎn)速，前進速度的推力及轉(zhuǎn)矩

85、值。</p><p>　　在調(diào)整拖車速度和槳模轉(zhuǎn)速時，兩者相互有影響，故必須保證兩者都穩(wěn)定后才能記錄。</p><p>　　每次試驗前，水面應(yīng)平靜，要先啟動推車，然后在啟動螺旋槳動力儀。測量完畢后要先使動力儀停止轉(zhuǎn)動，然后使拖車停止，避免系泊情況產(chǎn)生，保證動力儀的安全。</p><p>　　在低速段試驗時，如果水池有足夠長度，為提高工作進度，可連續(xù)進行多個速度的試驗

86、，但一定要滿足槳模工況（進速與轉(zhuǎn)速）穩(wěn)定及水面平靜的條件。</p><p>　　3.6 試驗結(jié)果及計算過程</p><p>　　螺旋槳敞水試驗的目的是測量槳模的四個主要性能參數(shù)，即螺旋槳的進速VA(m/s)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n（r/min）由臨界雷諾數(shù)決定，以及在該進速及轉(zhuǎn)速下螺旋槳的推力T（kg）和扭矩Q（kgcm）。然后將上述四個參數(shù)換算成該槳的相應(yīng)的四個無因次特征系數(shù)，即：</p&

87、gt;<p><b>　　進速系數(shù)</b></p><p><b>　　推力系數(shù)</b></p><p><b>　　扭矩系數(shù) </b></p><p><b>　　螺旋槳的效率系數(shù)</b></p><p>　　式中：VA——螺旋槳的進速米/

88、秒（m/s）</p><p>　　D——螺旋槳的直徑米（m）</p><p>　　n——螺旋槳的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/秒（r.p.s）</p><p>　　T——螺旋槳發(fā)出的推力公斤（kg）</p><p>　　Q——螺旋槳的扭矩公斤.厘米（kg.cm）</p><p>　　r ——試驗時水的密度公斤.秒/米4（kg.s/m4）&l

89、t;/p><p>　　槳的敞水性能分析結(jié)果和性能曲線分別在表7中和圖9中呈現(xiàn)：</p><p>　　表7 五葉右旋螺旋槳敞水分析結(jié)果</p><p>　　圖9：五葉右旋螺旋漿的敞水性征曲線圖</p><p><b>　　4 船模自航試驗</b></p><p>　　4.1 船模自航試驗的目的<

90、/p><p>　　船模在速度某一個船模速度的阻力已從阻力試驗中求得。自航試驗中，螺旋槳模型的轉(zhuǎn)速n、推力T及轉(zhuǎn)矩由動力儀測得。船模由拖車拖拽力和螺旋槳推力共同作用著前行，船模速度為拖車前進的速度。前面所進行的船模阻力試驗及螺旋槳敞水試驗得出的數(shù)據(jù)要用來確切評估實船的快速性，那還得進行船模的自航試驗。通過自航試驗可以獲取螺旋槳與船體之間的相互作用因素，如半流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)等。船模自航試驗也是研究各種推進效率成分的重

91、要手段。</p><p>　　通過船模阻力試驗及螺旋槳模型敞水試驗，我們分別求得船體阻力曲線及螺旋槳的敞水性征曲線，但是，實際上船體和螺旋槳是一個整體，當(dāng)船舶在船后螺旋槳工作時運行，它們之間彼此相互影響附近的速度場和壓力場，此種影響是非常復(fù)雜的，迄今還不能用純粹理論的方法來正確計算，而船模自航試驗是目前研究船體和螺旋槳相互影響最有效的方法。</p><p>　　船模自航試驗的目的是求出設(shè)計

92、船的推進因子, 包括伴流分?jǐn)?shù)ω、推力減額分?jǐn)?shù)t ,相對旋轉(zhuǎn)效率 等, 為船舶的螺旋槳圖譜設(shè)計提供合理的參數(shù),使設(shè)計的螺旋槳能最有效地吸收主機的功率,推動船舶前進。測定船模在螺旋槳推進下的航行性能，據(jù)此可檢驗該船型、主機和螺旋槳之間的配合情況，對于新設(shè)計的船舶來說，自航試驗可用于預(yù)報實船能夠達到的航速以及船體、主機和螺旋槳是否匹配。自航試驗還可以若對干方案進行比較，從而選擇較優(yōu)的方案。</p><p>　　船模自航

93、試驗要用到船模阻力試驗和螺旋槳敞水試驗的結(jié)果，所以一般會在阻力試驗和螺旋槳敞水試驗后面進行，并分析推進效率的各種成分。所以，綜合三種試驗的結(jié)果才能進行完整的數(shù)據(jù)分析和預(yù)報實船性能。</p><p>　　4.2 自航試驗的相似理論</p><p>　　自航船模作為實船在水中運動過程的物理模擬,應(yīng)滿足一定的相似條件, 包括幾何相似、運動相似和動力相似。要做到船模和實船完全相似, 實際上是非常困

94、難的。我們知道在船模阻力試驗時必須保持模型和實船的Fr數(shù)相等，而在敞水試驗時必須保持進速系數(shù)J 相等。因為船模自航試驗是船模阻力試驗與螺旋槳敞水試驗的結(jié)合，故在船模自航試驗時必須同時滿足Fr數(shù)和J 相等的條件。</p><p>　　設(shè)及分別為實船和船模的船長，槳直徑，船速，進速，轉(zhuǎn)速，則由Fr數(shù)相等的條件得： </p><p>　　若假設(shè)船模與實船的縮尺比為，上式也可以表示為：</

95、p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由進速系數(shù)相等得條件，得：</p><p>　　假定伴流不受尺度影響，即</p><p><b>　　則</b></p><p>　　， （4）</p><p>　　(3)、（4）兩式是

96、船模自航試驗應(yīng)滿足的相似條件。由于船后螺旋槳滿足了進速系數(shù)相等的條件，螺旋槳及其模型之間的推力和扭矩存在下列關(guān)系：</p><p><b>　　即： （5）</b></p><p>　　（5）式只對螺旋槳來說是正確的。但自航試驗是把螺旋槳與船體聯(lián)系在一起考慮的，因此推力與阻力之間必然有：</p><p>　　對于實船： （6）

97、</p><p>　　對于船模： （7）</p><p>　　如果將（5）、（6）、（7）三式聯(lián)系起來分析，發(fā)現(xiàn)兩者是不一致的。假定推力減額無尺度作用， ts =?tm，則從（6）、（7）兩式看來，實船與船模的阻力之間也應(yīng)與有關(guān)才能使兩者一致。但是在船舶阻力中我們已知，當(dāng)船模與實船在Fr數(shù)相同時，兩者的總阻力并不存在的關(guān)系，即</p><p>　　為了克

98、服這個矛盾，需要在船模自航試驗中作適當(dāng)處理后才能進行數(shù)據(jù)分析和實船性能的預(yù)報。</p><p>　　4.3 摩擦阻力修正值</p><p>　　船舶阻力可分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分, 前者只與雷諾數(shù)有關(guān), 后者與佛汝德數(shù)有關(guān)。若滿足重力相似, 則原型和模型的剩余阻力是相似的, 由于船模的雷諾數(shù)總比實船相應(yīng)小, 船模的粘滯阻力( 換算值) 比相應(yīng)實船大。這額外增加的粘滯阻力的影響需通過增加

99、船模螺旋槳的轉(zhuǎn)速( 以增加推力) 加以抵消, 以保證原型和模型航速滿足重力相似條件, 但這又使船模螺旋槳推進尾流比相應(yīng)實船強得多, 由此引起的一系列水動力性能上的差異是引起原型與模型船舶操縱性差異的主要原因[15]。因此在自航試驗中，為了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要對摩擦阻力進行修正。這種修正的方法是學(xué)者們根據(jù)科學(xué)理論與不斷的實踐所得出的。</p><p>　　在自航試驗中,要求船模和槳模的雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)，船模

100、和實船傅汝德數(shù)相等,槳模和實槳進速系數(shù)數(shù)相等。即</p><p><b>　　根據(jù)幾何相似條件:</b></p><p><b>　　由傅汝德數(shù)相等得:</b></p><p>　　由進速系數(shù)相等,得:</p><p><b>　　即，</b></p><p

101、>　　由于自航試驗時槳推力與成比例，阻力中剩余阻力部分也與成比例:</p><p><b>　　即：</b></p><p>　　而摩擦阻力部分不與成比例。由平板公式可知，船模的雷諾數(shù)小，因而摩擦阻力系數(shù)大。因此在‘船模自航點’工作時螺旋槳要產(chǎn)生額外推力以克服這部分摩擦阻力增量。</p><p>　　為了避免這種‘不相似’影響，用強制力抵

102、消摩擦阻力增量—摩擦阻力修正值FD。</p><p>　　即， </p><p>　　實際上, 在船模自航試驗中當(dāng)同時滿足Fr數(shù)和J 相等，則模型和實船之間的各種力基本上是的關(guān)系。兩者總阻力之間不存在的關(guān)系，主要是摩擦阻力部分造成的。為了使船模自航試驗中各種力都存在的關(guān)系，必須人為地對阻力進行修正，將其硬湊成與成比例。試驗時在船模上加一個拖曳力FD,則槳發(fā)出的推力Tm

103、需要克服的阻力為(Rtm-FD)。在這一點上，試驗船型達到力的平衡，稱該點為實船自航點。</p><p>　　4.4 兩種常用自航試驗方法</p><p>　　自航試驗也是在拖曳水池中進行。用阻力儀測定一系列速度的強制力。用自航動力儀測對應(yīng)速度下,相應(yīng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速下的扭矩和推力。進行自航試驗的方法有兩種：一種是純粹自航法，另一種為強迫自航法。</p><p>　　4

104、.4.1 純粹自航試驗</p><p>　　純粹自航法又稱為歐洲大陸法或常負(fù)荷法，在船模上加一個固定的輔助脫離，試驗中使船模在螺旋槳推力作用下達到與拖車相同的速度。在進行試驗前首先決定船模的速度及算出摩擦阻力修正值 ，各種測量儀器的布置如圖1 所示。所采用的電測動力儀與敞水試驗相同。在進行試驗時，阻力儀砝碼桿上掛的砝碼重量相應(yīng)于預(yù)定速度時的摩擦阻力修正值 。然后，由拖車通過制動裝置帶動船模前進，與此同時，啟動螺旋

105、槳使之產(chǎn)生推力，當(dāng)拖車達到所需之船模速度時，松開制動裝置，使船模與拖車脫開，同時調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，使其發(fā)出的推力恰能克服阻力（），保持拖車速度與船模速度相同。待穩(wěn)定后，記錄拖車的速度V，螺旋槳模型轉(zhuǎn)速n，螺旋槳推力T 和轉(zhuǎn)力矩Q。這種方法稱為純粹自航法。由于要使拖車速度嚴(yán)格地與船模的預(yù)定速度一致，調(diào)節(jié)工作相當(dāng)困難和費時，因此，各水池一般都采用強迫自航法。</p><p>　　在長期的實驗過程中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)純粹自航試

106、驗法要較下面的強迫自航法優(yōu)秀，其優(yōu)點為試驗點數(shù)目少、可以節(jié)省大量實驗時間、提高試驗效率，其實驗過程也較強迫自航法簡單。</p><p>　　4.4.2 強迫自航法</p><p>　　強迫自航法又稱為英國法或常速法，是保持某一航速改變幾種強制力的試驗方法，即在船模在螺旋槳推力和拖車上阻力儀對船模拉力的共同作用下進行的自航試驗。其試驗儀器及布置與純自航法相同。在進行試驗時，自航船模在螺旋槳推

107、力T和拖車上阻力儀對船模的拉力（及強制力Z）共同作用下運動。在試驗時保持拖車速度V（即預(yù)定的船模速度）不變，調(diào)節(jié)螺旋槳模型的轉(zhuǎn)速使其發(fā)出的推力克服(Rtm-Z)。待拖車速度和船模速度一致且穩(wěn)定后，測量并記錄船模速度V（即拖車速度）、強制力Z，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n，推力T 和扭矩Q。對某一選定的船模試驗速度Vm ，一般需要外加五個不同的強制力Z1 ,Z2 , Z3,Z4 ,Z5。其范圍大致是Z1 =0?(相當(dāng)于船模的自航點)、Z3 =?Ra（相

108、當(dāng)于實船自航點），Z5 =2Ra 。?對于大小不同的強制力，為保持預(yù)定的船模試驗速度Vm而要求螺旋槳模型發(fā)出的推力T、轉(zhuǎn)速n及扭矩Q是不同的。因此對于一個試驗速度需要進行五次試驗，而且各次的速度應(yīng)保持一致。將其同一速度測得的n，Z，T，Q，等數(shù)值繪制如圖10的曲線。圖中Z =Ra直線與Z～n曲線的交點a 即為對應(yīng)于實船的自航點，對應(yīng)于此點的轉(zhuǎn)速，推力</p><p>　　在長期的實驗過程中發(fā)現(xiàn)強迫自航法有試驗點數(shù)

109、目多、實驗過程復(fù)雜、試驗時間長、效率低等缺點。</p><p><b>　　圖10</b></p><p><b>　　4.5 試驗步驟</b></p><p>　　為了使試驗順利進行，試驗前需預(yù)估若干數(shù)據(jù)。</p><p>　　首先選擇 4～5個試驗速度（設(shè)計航速包括在內(nèi)）,至少4個試驗速度；其次

110、，對每一試驗速度，選擇4～5個強制力Z；再根據(jù)經(jīng)驗公式估計推力減額t；最后由阻力曲線上查出該速度下的船模阻力Rtm ，根據(jù)R tm 和選定的若干Z估算相應(yīng)的推力。本次試驗選定四個速度，分別是0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s。對某一選定的船模試驗速度，需要外加5個強制力，且對不同的強制力，為維持船模速度而要求螺旋槳模型發(fā)出推力T，轉(zhuǎn)速n及轉(zhuǎn)矩是不同的。因此對于同一個速度，本實驗都盡可能地保持同一速度試驗5次，并記錄、