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1、船舶与海洋工程性能试验技术课程要求及教材v掌握船舶与海洋工程模型试验的基本原理v掌握常规试验的试验流程v正确的处理分析常规试验的试验数据v参考书目船舶性能实验技术 俞湘三海洋工程水动力学试验研究 杨建民主要内容一.概述及试验原理二.误差分析三.常用的测试仪器四.船舶快速性试验五.螺旋桨空泡试验/流场测量/六.耐波性、操纵性试验七.海洋工程试验技术第一讲 概述1概述概述模型试验发展及试验规程试验水池试验模型2实验技术理论基础-相似律3模型试验设计 概述试验类型1.模型试验2.实物试验模型试验对象1.船模型试验2.海洋工程模型试验试验种类1.水池试验:拖曳水池,耐波水池,悬臂水池,特种水池2.风洞
2、试验3.水动试验船舶的种类1.常规运输船舶2.高性能船 常规排水型船 动力增升船 模型试验目的和意义对于正确预报实际的海洋结构物水动力性能、设计性能优良的海洋结构物，乃至促进船舶与海洋工程发展都有着重要的意义。模型试验发展船舶工程水动力试验发展19世纪60年代Froude首先提出用模型试验预报实船的阻力，逐步建立了各种船舶模型试验方法；1932年成立了国际船模试验水池会议International Towing Tank Conference)。20世纪50年代耐波性试验取得了大的突破，研究内容拓展到不规则波，包括不规则波中的船舶的运动 失速 阻力增加 甲板上浪等海洋工程试验技术的发展20世纪
3、50年代海洋石油的开采，原有的船舶模型试验技术及相关设备已经不能满足要求，ITTC增加了海洋工程技术委员会20世纪70年代开始建造专门的海洋平台实验室-风浪流实验室随着海洋资源开发的深入，深水海洋工程水池建立，解决了部分水动力问题，但并没有全部解决未来试验规程(1)CB*/Z 326-1982一般排水量船模阻力试验规程及结果的标准表达形式CB/T 346-1997螺旋桨模型敞水试验方法CB/T 347-1997一般排水型船船模单桨自航试验方法CB/Z 239-1987一般排水量船模双桨自航试验方法CB/T 3471-1992风、浪、流联合作用下浮式系统模型试验规程CB/T 3675-1995水
4、面船模耐波性试验规程CB*/Z 327-1982水面自航船模操纵性试验规程及其结果的标准表达形式试验规程(2)CB/Z 244-1988滑行艇船模阻力测试方法CB/Z 246-1988自稳式水翼艇模型阻力试验规程CB/Z 215-1987空泡水筒均流中螺旋桨模型试验规程CB/Z 216-1987潜艇船模水下阻力、自航试验规程CB/Z 252-1988潜艇自航模操纵性试验规程CB/Z 268-2002潜艇操纵性水动力模型试验方法 试验水池试验水池大致有以下分类：试验水池大致有以下分类：702所 474147， 20m/s, 1965 1507.54.5, 4.5m/s, 1996上海船研所 19
5、2404.5， 10m/s,1983上海交大 11063， 6.0m/s, 1958镇江船院 10063， 6.0m/s,2002HUST 17564, 8.0m/s, 1977605所 5106.55， 25m/s, 1985长航科研所 16093， 8.0m/s, 1985武汉理工 13210.20.2-2.0， 6.0m/s, 1985华南理工 12084， 6.0m/s, 1985中山大学 15661.3， 7.0m/s, 1974大连理工 15674， 8.0m/s, 1984哈船院 10873.5， 7.0m/s, 1988天津大学 13063.5， 6.0m/s, 1986拖曳水
6、池主要用途是进行船模快速性试验。 水池的长度1. 拖曳水池拖曳水池中航605所拖曳水池水池最小允许横截面的确定确定水池的最小宽度BT曲线确定水池最小允许深度HT曲线2.耐波性水池耐波性水池(长度要求，宽度要求长度要求，宽度要求)v耐波性试验中，舶模所受的水动力主要是惯性为和重力。相对地，粘性力影响较小。v可以只考虑船模与实船弗劳德数相等，不必计及粘性力的影响。v设计耐波性水池的宽度，必须满足船模到造波机之间要保持足够距离，以避免船模的反射波对造波装置有影响。3.操纵性水池操纵性水池（约束船模试验（约束船模试验/自航船模试验）自航船模试验）v通过约束船模试验，可获得作用于船模上的水动力系数，再通
7、过对试验结果的分析，即可获得各种机动下船舶运动状态和表征操纵性的特征参数。v通过舶模或实船在某种机动下的自航试验，可以直接测量出它的运动状态和表征操纵性能的特征参数。操纵性水池操纵性水池-旋臂水池旋臂水池v水池呈圆形或长方形，水池的中央岛或水池中间某立柱处有一悬臂装置，因而得名。模型装在距悬臂转轴中心为R的悬臂位置上。使模型纵轴与半径为R的圆周切线方向的夹角为,同时还可变动舵面与模型纵轴之间的角度；和分别称为漂角和舵角。试验时,悬臂以一定的角速度运动,强迫模型按一定回转半径、一定的漂角和舵角作定常回转运动。通过测力装置测定纵向力X、侧向力Y、力矩的值，从中扣去机械装置的离心力后，即可由回归分析
8、求得船舶在定常回转时各种与有关的力和力矩的线性和非线性导数。这些导数是求解操纵运动方程式所需要的。 ，4.循环水槽循环水槽5.空泡水筒6 海洋工程水池海洋工程水池 海洋工程水池要求可以模拟风、浪、流各种海洋环境条件并能根据试验要求改变水深，水池的主要装备一般有：v 可升降假底v造波机v消波装置v造流系统v造风系统v大跨度XY拖车大面积可升降假底FalseBottomFalseBottom:28m28m26m26m0m调节水深WaterDepthAdjustmentWaterDepthAdjustment5m双摇板造波机造单方向传播的长峰波Hydraulic Wave Generator 多单元
9、造波机造多方向长峰波、短峰波消波系统直喷式高压喷水造流系统造风系统WindgeneratingsystemWindgeneratingsystemVmax=Vmax=10m/s10m/s定常风和风谱StableWindandWindStableWindandWindSpectrumSpectrum大跨度XYXY方向拖车试验模型试验模型v模型尺度确定取决于试验内容和实验室的硬件条件(拖车的速度和功率、水池的尺度、造波机能力等）v模型类型蜡模金属模木模玻璃钢v模型精度宽度和深度误差为长度误差：以6m模型为例一般为卡板间隙不能超过螺旋桨尺度要求船舶模型试验对水池的要求 1.水池中的水必须保持清洁。2
10、.每天试验前预拖一次，通常称之为“破水”。3.一次试验完毕，要等水面基本平静后才能进行下 一次试验。4.拖车轨道要经常保持清洁。应定期对导轨的直线度和水平度进行检查和校正。5.水池中的水温应定点、定深测量。6.从开始到测试完毕，拖车上的人员应各就各位，不能随意走动。7.要随时检验试验质量。采用标准船模，按照标准程序试验。二、相似律二、相似律1.几何相似2.运动相似3. 动力相似4. 无因次相似数5. 船舶与海洋工程中的模型试验相似性问题 一、力学相似的基本概念一、力学相似的基本概念 1.几何相似几何相似 模型与实物几何形状相似。即两系统对应的长度成同一比例，且对应角相等。pmmp即两个系统的对
11、应长度成同一比例，且对应角相等。 长度比尺长度比尺 面积比尺面积比尺 体积比尺体积比尺 长度比尺是基本比尺长度比尺是基本比尺，面积比尺和体积比尺是导出比尺。导出比尺与基本比尺的关系为导出物理量量纲与基本物理量间的关系。 2.运动相似运动相似 流动的速度场相似。即满足几何相似的两系统对应瞬时、对应点上的速度方向相同，大小成同一比例。 速度比尺速度比尺 时间比尺时间比尺 加速度比尺加速度比尺 流量比尺流量比尺 运动粘度比尺运动粘度比尺 角速度比尺角速度比尺 可见，一切运动学比尺都是长度比尺和速度比尺的函数。速度比尺是基本比尺速度比尺是基本比尺。 3.动力相似动力相似 两系统对应位置处各作用力方向相
12、同，大小成同一比例。 密度比尺是基本比尺密度比尺是基本比尺 密度比尺密度比尺 质量比尺质量比尺 力的比尺力的比尺 动力相似包括运动相似，而运动相似又包括几何相动力相似包括运动相似，而运动相似又包括几何相似。所以动力相似包括力、时间和长度三个基本物似。所以动力相似包括力、时间和长度三个基本物理量相似。两系统的其它物理量由它们决定，也必理量相似。两系统的其它物理量由它们决定，也必然相似然相似。以密度相似为例说明如下： 在动力相似的条件下，对应的流体动力系数（压力动力相似的条件下，对应的流体动力系数（压力系数、升力系数和阻力系数）相等系数、升力系数和阻力系数）相等。无因次的流体动力系数流体动力系数C
13、P数定义如下： 对两动力相似系统：因此有两流动系统相似除应具有以上三个相似条件外，还要求初始条件和边界条件一致。一般来说，几何相似是流动相似的基础，动力几何相似是流动相似的基础，动力相似则是决定两流动相似的主导因素，运动相相似则是决定两流动相似的主导因素，运动相似是几何相似和动力相似的表现似是几何相似和动力相似的表现。4 无因次相似准数分量式矢量式该式表明：粘性流体在运动中所受的质量力、压力、粘性力与运动惯性力是平衡的。N-S方程是二阶非线性偏微分方程，从数学上求解比较困难，只有在特殊的情况下才能得到它的解析解。特征物理量特征物理量：如密度、速度v、长度L、粘性系数、压力p、加速度g和时间t等
14、。 由N-S方程可以看出，单位质量的各力可用这些特征物理量的量级表示如下：压力粘性力压力粘性力 质量力质量力 局部惯性力迁移惯性力局部惯性力迁移惯性力由动力相似条件得：直接影响流动的力是惯性力，它力图维持原直接影响流动的力是惯性力，它力图维持原有的流动状态；其它各力是流体受到的外力，有的流动状态；其它各力是流体受到的外力，它们力图改变流动状态。流动的变化就是惯它们力图改变流动状态。流动的变化就是惯性力与其它各力相互作用的结果。因此，性力与其它各力相互作用的结果。因此，将将迁移惯性力与其它各力进行比较就可得到四迁移惯性力与其它各力进行比较就可得到四个相似准数个相似准数。四个相似准数 雷诺数雷诺数
15、 傅汝德数傅汝德数 斯特洛哈尔数斯特洛哈尔数 欧拉数欧拉数重力惯性力=2glvFr2惯性力压力=2vpEur粘性力惯性力=Revln主要反映主要反映粘性力相似粘性力相似主要反映主要反映重力相似重力相似主要反映非定主要反映非定常运动相似常运动相似主要反映主要反映压力相似压力相似螺旋桨进速系数螺旋桨进速系数 空泡数空泡数 对于完全相似的流动现象，必定有： Rem=Rep；Frm=Frp； Stm=Stp； Eum=Eup 。 相似准则既是判断流动相似的标准，又是相似准则既是判断流动相似的标准，又是设计模型的准则设计模型的准则。 一般情况下，模型与实际流动选用同一种介质。但要做到完全力学相似是很困难
16、的，实验均采用近似模型法。近似模型法 1.傅汝德模型法傅汝德模型法 用于重力起主要作用，粘性力可忽略的场合。相似准则为Fr，有： 基本比尺为： 速度比尺速度比尺 C Cv v 和长度比尺长度比尺 C Cl l 。 2.雷诺模型法雷诺模型法 用于粘性力起主要作用，重力影响很小，可忽略的场合。相似准则为Re，有： 基本比尺为： 速度比尺速度比尺 Cv ； 长度比尺长度比尺 Cl ； 密度比尺密度比尺 C 。lvlvvlvlCCCnnnn=；粘性力惯性力 Re 例一船舶长为L78m，水面航速为13kn,现用1：50的模型在水池中做实验测它的兴波阻力，试确定水池拖车的拖曳速度。 解：实验应按傅汝德准则
17、进行。已知船模长度 ，实艇水面航速为：故实验时船模的拖曳速度为：5 船舶与海洋工程性能试验中的相似性问题定常流:船模阻力及部分操纵性试验船模阻力及部分操纵性试验( (位置导数和旋转位置导数和旋转导数测量导数测量) )非定常流:自航试验自航试验, , 耐波性及部分操纵性实验耐波性及部分操纵性实验( (干扰系数干扰系数) )等等海洋工程结构强度试验:风浪流试验风浪流试验定常流假定无重力作用，只有粘性影响。 采用船长作为特征长度、航速作为特征速度。任何流动都是由这三个参数来确定的。这些量的量纲是 这三个参数构成一个无量纲组合,称为雷诺数速度分布 压力分布作用在物体上总合力（即阻力） 存在自由液面及兴
18、波，则重力对流体的作用 非定常流不仅要求有 还要有表示流动特征的时间间隔 只能对周期性的运动给出特征数，这就是所谓的斯特罗哈数，船模本身具有非定常运动。要使船模与实船的运动及动力相似，除了要保持几何相似外，尚需使质量和质量分布也保持相似。 结构强度实验必须同时满足模型与实船几何相似、质量与质量分必须同时满足模型与实船几何相似、质量与质量分布相似、结构特性相似。布相似、结构特性相似。某一断面的拉伸应变某一断面的拉伸应变 ： 如果无法做倒，则需要把模型的如果无法做倒，则需要把模型的截面积按几何相似准则减小截面积按几何相似准则减小 倍倍 , ,才能保证应变相才能保证应变相等等偏转角偏转角 弯矩和惯性
19、矩比是弯矩和惯性矩比是长度比的四次方长度比的四次方, ,一般试验杨氏模量一般试验杨氏模量 故角变故角变形一般是满足相似的形一般是满足相似的. . 缆索的相似性准则几何相似：长度相似质量与质量分布相似弹性相似：缆索受力-伸长关系的相似。 缆索的相似性准则质量分布相似和弹性相似都比较难以满足；质量相似：采用分布质量块解决弹性相似：采用分布弹性元件解决 三 模型试验方案设计流程进行一项模型试验基本思路为：明确试验目的，确定试验内容和测试的物理量调研选择试验地点根据试验条件和试验目的制定试验方案确定缩比选定试验测试仪器制定模型安装及试验方案方案设计及模型加工安装调试按照试验规程进行试验数据处理及误差分析提交试验报告
