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1、三峡工程通航船队* L = 1 0 0 船模操纵性率定试验研究 严伟李利孙家斌 ( 长江科学院) 摘 要 本 文 介 绍三 峡工 程 通 航 船队a t o o 船 椒三 驳和 九 驳准纵 性 率 定 试 验 研 究 成 果， 应影响原因作了分析.经尺度效应修正后的各种船队船模操纵性指标符合船模试验要求. 关饭词 船模试脸实船操纵性能 擞光轨迹测试仪转首指数回转性指数尺度效应 并对船模尺度效 0绪言 三峡工程通航船队比 尺 1 / 1 0 0 船模是为配合本院一系 列三峡工程通航问 题的研究而制 作，与正态水工模型比 尺一致。 船队 推轮为2 6 4 0 H P ， 分别 顶推3 个、 6 个
2、和9 个千吨甲 板 驳，组成近期、 后期和远景三种船队。 船模试验前须参照实 船操纵性率定方法进行率定，以 判别船模与实船操纵性能的相似性， 并对其操纵性能予以 合适的 修正，使满足船模试验具有 实船实际航行特征， 且试验结果 偏于安全。 1实船资料概况 实船静水操纵性能试验由 长航科研所等单位于1 9 8 5 年7 月间 在江西都阳湖鞋山 东域进 行。 该系列 船队 初步 定为 三峡 水利 枢纽 通航 标准船队， 试验 船队 组成( 见图I 拱分三期， 试 验进行航速均为常车9 档. 近期考虑为施工期间通航:船队由2 6 4 0 马力推轮顶推3 X I O O O T甲 板驳组成，试验进 入
3、航速V , = 4 . 2 9 m / s o 后期船队由 上述推轮顶推6 X I O O O T甲 板驳组成，考虑二期工程通肮使用。远景船 队 仍由2 6 4 0 H P 推 轮顶推9 个千吨甲 板 驳组 成， 将 运用于 建 坝后 通航. 其试验 进入航速V , = 3 . 1 5 m / s o 上述船队均作1 0 0、巧。 和2 0 。 三种舵角左右舵操舵 . Z ”形试验，由于试验水域 月 : 境，受水流和风力影响，采用顺逆风K ，、T ，值的均值进行整理。经以 上处理的试验结果 其规律有如下两点。 ( 1 ) 按 三、 六 、 九 驳 船队 顺 序 排 列 ， 其 对 应K 、 T
4、 值 依 次 由 大 到 小 的 顺 序 排 列。( 2 ) 每种船队操舵以1 0 0、1 5 0、2 0 0的 顺序排列，其对应K 、 T ， 值也是按从大到小的 顺序 排列。 另外，报告建议三种船队船模 “ Z ”形试验的率定，以1 5 0 舵角的K 、 T 值为原型 数据比 较合适，固实船试验结果1 0 0 舵角及2 0 0 舵角 “ Z ” 形试验结果均较离散( 1 0 “ 相对 好 些) ， 所以 船模 “ Z ” 形 率定为1 0 0 和1 5 。 操舵的资料衡 准较 为合适 ( 主 要考虑1 5 . “ Z “ 形试验结果) 。各船队静水航速，以 各种船队率定试验次 数和每次 实
5、际航速取均值作为该船 队标准静水肮速。此 卜 一 一 应舵性指数侈 ) : 6 ， 舵角( a ) ; 孟 升 一 回 转性指 数(Us) 。 由 试验得出 的时间 (t)， 舵角( 6 ) 和 脯向角 ( 9 ) 的 变化关 系( 见图2) ， 求出 船舶操纵 性无因 次化指数K、T 值，便于船模和实船相互比 较。 t ( 5) 一6 图2 船柏 “ 2 ”形。 、6 、 t 关系过程线 K 、 T 值的具体分析计算 简述如下: 当 舵角6 二 0 时，船因 尾流及边界条件影响， 则一阶 方 程( 1) 为 船舶 并不直 航为 此考虑一常数 修正 项6 ， ， T d 夕 / dt+ 6 =
6、 k ( J + 蕊(2) 用同目 对方程( 2) 积分得 T 。 十 。 = 城， + K 少 (t) ， 当 脂向 角。 到 达最大值时 即比 、 te 、 ter 代 入方程 (3)， 此时 角 速度6 e 、。 日 、e e ，分别趋于零。 得 B , = K , to 十 K 乒 (t)d t(4 ) B , = K , te + K 少 (t) d t(5 ) “ 一K , te + K 乒 (t)d t( 6 ) ( 5 ) . ( 6 ) 两 式联 立解得K . 应舵指数T小， 表示船舶的稳定性好，操舵后船能很快地改变首向进入定常回转。 另 外，还考虑了 瑞典的诺尔宾在此基础上
7、建立的转首指数P .尸 二 厂 卜尸十 T e“ 勺 P 值物理意义为: 船舶 操定舵后肮行一个船长的距离时，单位舵角使馗向角的变化量。 对 式 中 。 ilT 展 开 成 幕 级 数 ， 则 可 得 P 二 与 李) ， 由 此 可 见 转 首 指 数 P 与 无 因 次 的 K ， 2 T T 之比 值关系，它能综合反映K ， 、 T 特征参数，也便于船模与 实船操纵性能优劣的比 较。 船模与实船的操纵性指数K 、 T 、P 均采用上述计算方法。 4 船模试验尺度效应分析及修正 船模设计 通常是按照重力相似( 即 佛汝德数相同 ) 考虑， 操纵性能上的差异，是引起船模尺度效应的最主要原因，
8、 由于阻力不相似造成船模与实船 简要分析如下。 表 1 实船与船模T . P 值比 较 船型舵面积首舵 T s ( % ) . 尸相差 ( % ) 尸 . P l % ) 09 力 工 . 1 0 8 0 .7 0 1 0 . 6 8 6 0 . 7 0 0 0 .6 2 5 0 . 6 4 9 0 . 6 5 7 1 . 1 1 9 1 . 1 1 9 0 . 9 3 7 试毅船速 ( ra t s ) 09 9 8 1 位 7 42 4 0 . 6 9 6 1 2 0 7 实船 船队 0 . 6 6 3 22 5 一23 刊】 . 5 9 0 . 6 5 3 1 . 1 4 2 0 . 4
9、 2 4 船棋 1 . 1 5 5 1 .0 兑 。 .% 5 1 . 1 8 1 1 .2 4 0 1 . 1 3 1 I 31 8 1 . 1 8 6 1 0 9 8 I .砚 10 1 09 9 2 0 . 9 9 5 15c-100一100-150一150一100一100 3X1000T击公0匹 + 2 6 . 6 - 1 0 . 9 0 98 9 月 . . . . . . . . . . ， . 叫 . 1 . 0 0 4 1 . 1 5 1 0 . 9 9 6 0 . 7 3 3 1.2 361.17 5 1 . 1 力 15cll0o一100 06 4 0 1 . 1 9 0
10、一 了 二 二 二 二 一1 20 3 3 . 1 5 实那 船队 27 5 10015 0 0 . 6 6 9 1 . 3 8 4 I .0 6 1 0 . 9 8 9 1 .0 6 1 1 23 2 - 1 2 . 7 +91 0 . 5 2 9 0 31 5 船模 0 . 8 6 7 9X1000T函叉0匹 +1 2 . 2 0 . 6 7 4 目爪1.9 8 61 0 0 3 一 石1 0 6一 一一一一 1 3 . 8 训-7321翔一609-胡j7021636工528)里842一塑669一诩 右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右一左一右
11、一左 1 . 0 6 9 船舶阻力模型试验中，根据经验， 船舶阻力可分为摩擦阻力的剩余阻力两部分，前者只 与雷诺数有关， 后者与 佛汝德数有关， 若考虑重力相似， 则原、 模型的 剩余阻力部分是相似 的 ( 可按 重力 相似关系换算 ) 。 而 模型上 达到 满足重力相似的 条 件下，同 时满 足雷诺数 相 似 船模的雷诺 数总比 实 船相 应小 ， 其结果船 模的 摩 擦阻力( 换 算值 ) 比 相应实 船大， 这额 外增加 的摩擦阻 力需通过增加船模螺旋浆的 转速增加推力加以 补偿，以 保证原、 模型 足重力相似条件) ， 从而使船模螺旋浆推进尾流比相应实船强 得多， 航速相似( 满 相应
12、实船，在水动力性能上的差异上引起原、 由 此引起一系列船模与 模型船舶操纵性差异的主要原因。一 般船模比 尺和尺度愈小.尺度效应反应在K、 效应修正方法，通常采用减小 舵面积， 研究目 的，在综合考虑K、T 、 T 指数较实船的偏离也愈大。目 前国内 对船模尺度 来修正其舵效，完成对船模操纵性能的负修正。 根据 P 值前提下，我们认为操纵性指数T 、P 作为对船模 操纵性尺度效应修正的衡准参数较为合适， 小1 0 “/ 2 0 %，而T 值大 1 0 0/ v - 2 5 %, 从试验结果偏于安全考虑， 船模比实船的P 值 可满足船模试验的要求. 首先对原舵1 0 0 % 舵面进行三驳和九驳船
13、模 + Z 形率定试验， T 并与实船试验结果作比 较，结果表明， 律，试验计算结果表明 整个船模 “ 2 ” 定的。原舵面积的船模较实船的K、 P 计算值列于表1 ， 船模与实船操纵性指数K 、 T ， 有着相同的变化规 形试验结果离胶度比 实船小。船模试验结果是比 较稳 T 值略小， 基本符合尺度效应影响的一般规律。从 原舵 船模 与实 船P 值 ( 即 首舵的1 0 0 、1 5 。 的 均值 ) 比 较， 九 驳船模P 值和T 分 别优于 实船 9 . 1 % 和1 2 . 7 %。 三驳船模P 和T ， 综合值分别优于实船5 . 9 % 和2 2 . 3 %0 根据对原舵船模操纵性率
14、定试验结果分析，对船模原舵进行适当的负修正，经综合分析 确定， 减小全舵面积的2 8 %， 仍按实船操纵性率定规程，再次对三 驳和九驳船模进行 “ Z “ 形率定 试验， 船模 Z . , 形试验结果仍比 较稳定， 修正 后船模与实 船的脂向角过程线相比， 船模脂向 角的 超越角时间 伽、 t e 、 to “ ) 普遍 滞后于实 船( 见图3 ) ， 完 成整个“ Z ” 率定 试验 过程时间te 略长于实船。 修正后船模与实船的K 、 T 值变化规 律相符台，也基本符合 尺度效应 修正后的一般规律，修正后的船模操纵性能， P 值按三驳和九驳较实船分别小H % 和1 4 %, T 值按三驳和
15、九驳分别较实船大2 6 %和1 2 %，说明经舵面积修正后的船模操纵性 较相应实船略差。可满足通航条件船模试验的要求。 实船! 船模 图3 船模九驳船队修正后与实船关系过程比较图 5 结语 三峡通航1 / 1 0 0 比 尺三驳、九驳船模的 操纵性率定 试验结果表明:各种船队船模操纵性 能指数基本符合尺度效应修正范围， 经修正后，表征船模操纵性的K 、T 指数随编队和 首舵值改变变化规律与实船一致。船 模率定试验结果离散 度较小，试验成果稳定可靠， 修正 后船模与实船相比， 应舵指数T 值增大1 2 / -2 6 / . ,转首指数P 值减小1 1 0/ wl 4 %,说明 经 舵面积修正后的 船模操纵性能较实船略差，可满足通航条件船模试验的要求，即具备实船操 纵性能特征，而又要求试验结果偏于安全。 另 外为船模操纵性率定资料完整 性，补充回转试验，回 转与, . z ” 形试验的回 转性能指 数K值均较相近。 参考文献 r i p - 伟 、陆 小 刚 激光船 模轨迹测试系 统的 改 进研究 长江科学院院 报，1 9 9 4 4 74 4 ) 闭船舶操纵性。 天津大学，7 9 8 1 年8 月. 3 1 船铂遥摆与操纵，国防工业出版社，1 9 8 0 年 1 0 月.
