船模性能实验

《船模性能实验》实验报告

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实验报告一

一、实验名称：船模阻力实验

二、实验目的：

主要研究船模在水中匀速直线运动时所受到的作用力及其航行状态。其具体目标包括：

（1）船型研究通过船模阻力实验比较不同船型阻力性能的优劣。

（2）确定设计船舶的阻力性能

对具体设计的船舶，通过船模阻力实验，计算实船的有效功率，供设计推进器使用。

（3）预报实船性能

船模自航实验前，必须进行船模阻力实验，为分析自航实验结果预报实船提供必要的数据。

（4）系列船模实验

为提供各类船型的阻力图谱，必须进行系列船模的阻力实验。此外还有进行几何相似船模组实验，其目的在于研究推进方面的一些问题。

（5）研究各种阻力成分实验

为了研究分类，确定某种阻力成分，必须进行某些专门的实验。

（6）附体阻力实验

目的在于求得附体的阻力值以及比较不同形式的附体对阻力的影响。

（7）流线实验

在船模实验的同时，有时还要进行船模流线实验，目的在于确定舭龙骨，轴支架等附体以及船首尾侧推器开孔的位置等。

（8）航行状态的研究

在船模阻力实验时，测量船模在高速直线运动时的纵倾及升沉等状态，这对于高速排水型船，滑行快艇、水翼艇等高速船舶尤为重要。

三、实验原理：

1．简述水面船舶模型阻力实验相似准则。

（1）船模和实船保持几何相似；

（2）船模实验的雷诺数e R 达到临界雷诺数以上；

（3）船模和实船傅汝德数相等。

2．分别说出实验中安装激流丝和称重工作的作用。

1）安装激流丝：用1=Φmm 金属丝缚在船模的19站处使其在金属丝以后的边界层中产生紊流。

2）称重工作：准确称量船模重量和压载重量，以达到按船模缩尺比要求的实船相应的排水量。

3．船模阻力实验结果换算方法有哪些？

常用的船模阻力实验结构换算方法有两种，即二因次方法和三因次方法。二因次方法亦称傅汝德方法；三因此方法为1978年ITTC 性能委员会推荐的换算方法。

4．简述傅汝德假定的内容，并写出傅汝德换算关系式。

傅汝德假定：

①假定船体的总阻力可以分为独立的两部分，一为摩擦阻力f R ，只和雷诺数有关，

另一个为粘压阻力pv R 和兴波阻力w R 合并后的剩余阻力r R ，只和傅汝德数有关，且适用

比较定律。

②假定船体的摩擦阻力等于同速度、同长度、同湿面积的平板摩擦阻力。因此，可

以用平板摩擦阻力公式计算船体的摩擦阻力，通常称为相当平板摩擦 傅汝德换算关系：

3

)(αρρm s fm tm fs ts R R R R -+= 四、实验内容：

（一）填写实验主要设备表 名称 说明

拖曳水池

水池狭而长，配置有拖动设备和测量仪器，以测得船模在不同速度下的阻

力值。实验池的水采用淡水，船池尺度决定了船模大小和速度。

大连理工大学船模试验水池长160m ，宽7 m ，水深3.7 m 。拖车速度0~8m/s,

速度精度±1 mm/s 。配有摇板式规则波造波机。

拖车

拖车是在沿水池两旁轨道上行驶的。拖车的用途是拖曳实验船模，并使船

模保持一定的方向和一定的速度运动。

其次在拖车上要安装测量和记录仪器。拖车的主要技术指标是速度范围和

速度精度。

水面电测阻

力仪

水面电测阻力仪简称电测阻力仪，是用在水池实验中测量船模阻力。阻力

仪通常是应变式的传感器。阻力仪要求性能稳定，灵敏度高，具有良好的线

性和重复性。根据实验要求选择相应的量程，可提高测量精度。

（二）实验步骤：

（一）船模阻力实验准备

（1）船模制作：船模缩尺比依据水池的长度和航速决定的，船模线型要和实船保持几何相似，表面必须光洁，满足一定的加工精度。船模使用的材料通常是木模，木模不易变形，蜡模成本低。

（2）安装激流丝：用1=Φmm 金属丝缚在船模的19站处使其在金属丝以后的边界层中产生紊流。

（3）画水线：按首尾吃水、平均吃水画水线。

（4）称重工作：准确称量船模重量和压载重量，以达到按船模缩尺比要求的实船相应的排水量。

（5）调整压载的位置：使船模没有横倾，首尾吃水满足规定要求。

（6）安装导航装置：使船模纵中剖面和前进方向一致，纵向和垂向运动不受匀速。

（7）拖点（浮心位置）

（8）最后将船模安装在拖车上。

（二）船模阻力实验数据测量

（1）船模速度测量：

（a ）根据实船设计航速，确定最高航速，通常比设计航速高2节。

（b ）根据实船长度、速度范围和模型尺度按r F 数相等的原则，确定船模实验速度范围。

（c ）在不同航速下进行拖曳实验。待拖车速度达到稳定匀速时即可进行速度和阻力记录。拖车速度就是船模速度，速度是用数字编码器（光栅盘）测量的。

（2）船模阻力测量：

（a ）阻力测量和速度记录同时进行。船模阻力由专门的阻力仪测量。阻力仪有机械式和电测式两类。

（b ）电测阻力仪输出电压信号，所以使用前要进行标定，确定标定系数。

阻力值=测得的电压值*标定系数。测量前要调零。

五、问题和思考：

1．船模阻力实验结果换算方法之间的区别是什么？

答：常用的船模阻力实验结构换算方法有两种，即二因次方法和三因次方法。这两种方法的区别在于对粘性阻力的处理原则不同。

2．实船摩擦阻力计算中，粗糙度补贴系数是根据什么选取的？

答：实船船体表面比较粗糙，故实船摩擦阻力为其中为粗糙度补贴系数，按不同船长选取。

实验报告二

一、实验名称：螺旋桨敞水实验

二、实验目的：测定单独螺旋桨工作时的特性，通常包括桨的推力系数、扭矩系数和敞水效率。

三、实验原理：

1．什么叫螺旋桨敞水实验？螺旋桨敞水实验可以在哪里进行？

螺旋桨模型单独地在均匀水流中的实验称为敞水实验，实验可以在船模实验池、循环水槽或空泡水筒中进行。

2．简述螺旋桨模型敞水实验必须满足的条件。

从理论上讲，螺旋桨模型实验必须满足全相似条件、扭矩系数和敞水效率和实桨的相等。实际上，模型实验时无法满足全相似条件。

螺旋桨模型敞水实验必须满足以下条件：

（1）几何相似；

（2）螺旋桨模型有足够的浸深（傅汝德数可不考虑）；

（3）实验时雷诺数应大于临界雷诺数，e R =510*3.0(ν2nD R e =

)

（4）进速系数相等。

3．写出螺旋桨进速系数的公式，及公式中各符号代表的含义。

进速系数 D n V J a p ?= a V ：拖车速度 n ：桨转速 D ：螺旋桨直径

4．简述螺旋桨敞水性征曲线的概念及其意义。

推力系数T K ，转矩系数Q K 及敞水系数0η对进速系数J 的曲线称为螺旋桨的性征曲线。我们讨论的是孤立螺旋桨的性能，所以称为螺旋桨敞水性征曲线。它表示了螺旋桨在任意工作情况下的全面性能。

四、实验内容：

（一）填写实验主要设备表 名称 说明

敞水动力仪（H29-1） 敞水动力仪是敞水实验的专用设备。它包括自航动力仪、光栅编码器（测

速发电机）、驱动电机及传动机构。

敞水动力仪功能是测量安装在轴上的桨模的转速、推力和扭矩。

1.敞水实验准备

（1）桨模制作：敞水桨模直径为0.2-0.3m ，通常用巴氏合金、铜合金、不锈钢或铝等合金。桨模精度在0.05mm ；

（2）将敞水动力仪固定在水池拖车上，预先应进行校验和标定；

（3）将桨模安装在敞水动力仪上，叶背向前，浸没深度大于桨径。

2.敞水实验程序

（1）零航速敞水实验，按预定转速开动敞水动力仪，测t T ，t Q

（2）按预定转速开动敞水动力仪，同时开动拖车，使螺旋桨进速系数达到预定值。

（3）当拖车速度稳定时，记录拖车速度a V ，桨转速n ，推力t T ，扭矩t Q ，完成一进速的实验。

（4）系列变化拖车速度，完成全部实验内容，注意各次之间应有足够的等水时间。

（5）用尺寸、重量相近的假毂代替桨模，重复上述实验，测得敞水动力仪自身的推力s T ，扭矩s Q ，用以进行修正。

（6）扭矩修正值，测的s Q 是尾轴摩擦损失，和转速有关。螺旋桨吸收的净扭矩

s t Q Q Q -=

（7）推力修正值。桨轴和桨毂横剖面上受到水的阻力，抵消了一部分桨叶发出的推力，其大小和桨前进速度有关。

s t T T T +=

五、实验数据处理：

螺旋桨敞水试验中，测得推力T=62.2N ，扭矩Q=24.4N ·m ，水的密度ρ=1.0310?kg/3m ，螺旋桨的转速n=14r/s, 螺旋桨直径D=0.202m ，拖车速度a V =2.08m/s 。试求出推力系数、扭矩系数、敞水效率、进速系数。

解：

由公式：推力系数 42D n T K T ?=

ρ 得：K T =0.191 扭矩系数 52D n Q K Q ?=

ρ 得：K Q =0.370 敞水效率 Q T p K K J ?=

πη20 得： η0=0.0308 进速系数 D

n V J a p ?= 得：J p =0.736 实验报告三

一、实验名称：船模摇荡实验

二、实验目的：

①确定待设计或已建造船舶的耐波性,判断是否满足使用要求。

②寻找，评价减摇措施，或者优良船型。

③测定水动力系数，供理论计算及机理研究。

④测定其载荷加速度，供结构和强度使用，砰击还和振动有关，某些设备（如电子侦查设备，水面发射武器等）要求。

三、实验原理：

1．简述耐波性主要研究的内容，并描述什么样的船耐波性比较好？

船舶摇荡是耐波性的主要内容，耐波性能所涉及的其它内容主要是由船舶摇荡引起的。估计船舶摇荡是评定耐波性最基本的条件。根据船舶摇荡实验可以定量地计算出像砰击、上浪、飞车等性能。一般来说，船舶摇荡较缓和，则耐波性也好。

2．简述船舶摇荡实验的相似准则。

模型实验相似准则：和快速性类似，要求符合船模和实船保持几何相似、运动相似和动力相似。而动力相似应包括：雷诺数超过临界雷诺数；傅汝德数相等；斯特鲁哈尔数相等

3．简述船舶的十二种运动形式的名称，并指出哪些属于往复运动。

十二种运动形式的名称：横倾、纵倾、回转、横摇、纵摇、首摇、前进或后退、横漂、上浮或下沉、纵荡、横荡、垂荡；其中属于往复运动的有：横摇、纵摇、首摇。

4．对造波机造的波浪的要求都有哪些？

波浪频率应当覆盖船模的谐摇频率，越宽越好。在规则波上实验波长范围0.5PP L -2.0PP L 左右，波高2h 和船长之比应少于1/50，波高2h 和波长之比应少于或等于1/20。

四、实验内容：

（一）填写实验主要设备表 名称 说明

实验水池 船模耐波性实验在常规的拖曳水池中实现，只需配备造波设备、消波

设备和必要的运动参数测量仪即可。但是在拖曳水池中只能进行迎浪或顺

浪两种航向的船模耐波性实验以及横浪无航速的横摇实验，局限性较大。

耐波性水池：耐波性实验水池中主要设备是拖车和造波装置。为了实

现各种斜浪条件下的耐波性实验，船模应当能够在水池中做相对于波浪的

斜向运动。

造波机 安装在水池的两边，一边是水池终端边，另一边是水池的侧边。另外两

边安装消波岸，以消除反射波的干扰影响。造波机是耐波性水池的关键设

备，目前各国采用的造波机的结构形式有冲箱式、摇板式和空气式几种，

其传动系统有电动伺服系统，液压伺服系统和机械可调振幅系统

造风机

消波器 （1）一种是固定的消波器，通常设置在造波机对面。其作用是消除造波

机传过来的波浪，避免波浪反射回去。（2）另一种是可动的边消波器，通

常设置在水池一侧或两侧。其作用是消除船行波，减少等水时间。在进行

波浪实验时应当将边消波器提到适当高度，以免对波浪形成干扰。

适航仪 六自由度适航仪。用这种仪器可同时记录下船模的横摇、纵摇、摇首、

垂荡、纵荡和横荡6种耦合运动。如果只需测量船模在迎浪、随浪或横浪

时的运动，可采用结构比较简单的三自由度适航仪。

陀螺仪

陀螺仪在船舶性能实验中广泛使用于测量航向角、横倾角、纵倾角。垂直陀螺只能测量横倾角和纵倾角两自由度。 浪高仪 浪高仪是用来测量水池中波浪的仪器。

惯性矩校验台 惯性矩校验台（架）是用于船模重心位置和质量惯性矩的调试。

（二）实验步骤：

（1）船模准备：除满足几何相似外，船模本体应当较轻，易于调整惯量；

（2）调整重心高度，调整纵向惯性矩，在水中测横向摇摆周期。

（3）船模上安装陀螺、加速度计等仪器均应固定在适当位置。船模两端在重心高度位置系上两根细绳；

（4）造波机准备：调整造波参数使之满足本次实验要求；

（5）零速横摇实验时用船模两端细绳将模型固定在水池适当位置，注意模型必须在浪高仪后方；纵向运动实验时将模型连接在拖车下，注意导向装置对船模在纵向运动不会形成约束；

（6）启动造波机制造波浪，当船模摇荡进入稳定状态时记录数据。

五、问题和思考：

1．船模惯性矩计算中，纵向惯性半径和横向惯性半径怎么选取？

答：0.25pp L 作为船舶的纵向惯性半径，0.35s B 作为船舶的横向惯性半径,

2．为什么要进行船模惯性调整？

答：模型惯性调整是耐波性实验的重要环节。即按照模型实验相似性原则，将模型的重心位置、纵横向惯性矩调整到设计要求。

实验报告四

一、实验名称：船模自航实验

二、实验目的：

船舶快速性主要和主机、船体和推进器的独自性能以及它们的配合是否得当有关。阻力和螺旋桨敞水实验用来获得船体和螺旋桨的各自性能，而自航实验有以下主要目的：

①分析各项效率及船尾伴流对螺旋桨效率的影响和螺旋桨工作时对船舶阻力的影响，为螺旋桨设计提供资料；

②预报实船性能。即通过实验给出主机功率、转速和船速之间的关系，得出实船航速预报，验证设计的船舶是否满足任务书中要求的航速；

③判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。

三、实验原理：

1．简述船模自航实验的相似定律。

桨模的雷诺数超过临界雷诺数，傅汝德数相等，螺旋桨部分应满足进速系数相等

2．船模自航方法都有哪些？简述其中一种方法。

船模自航方法都强迫自航法和纯粹自航法

强迫自航法简述：是在某一船模速度m V 下，在船模运动方向上施加一系列的强制力Z ，其中应包括D F 在内，船模在强制力和推力的共同作用下达到力的平衡，即在航速为m V 的情况下，螺旋桨发出的推力应满足下列条件： tm m R Z t T =+-)1(。

3．简述推进效率的各种成分。 船模推进效率m

m m m Dm Q n R V πη2= 船模自航速度、实船速度、自航前的阻力、摩擦阻力修正、桨模转速、桨模推力、桨模扭矩、桨模推力克服阻力

4．简述自航实验中的推力减额的概念。

螺旋桨发出的推力一部分用来克服船的阻力R （不带螺旋桨时的阻力），而另一部分则为克服阻力增额R ?,习惯上将R ?称为推力减额。)

四、实验内容：

（一）填写实验主要设备表 名称

说明 电机等传动装置(可调电

机转速)

是完成船模水池性能试验工属具。配有精度较高的车速控制系统，保证船模运动速度和试验结果的精度。 电测阻力仪

阻力仪要求性能稳定，灵敏度高。具有良好的线性和重复性。根据试验要求选择相应的量程，可提高测量精度。 自航动力仪 自航动力仪是自航实验的专用设备。

水池 水池狭而长，配置有拖动设备和测量仪器，以测得船模在不同速

度下的阻力值，实验池的水采用淡水，船池尺度决定了船模大小

和速度。

拖车 拖车是在沿水池两旁轨道上行驶的，拖车的用途是拖曳实验船模，

并使船模保持一定的方向和一定的速度运动。其次在拖车上要安

装测量和记录仪器。拖车的主要技术指标是速度范围和速度精度。

1．自航实验速度一般取4个：以设计航速m V 为基点，高于设计航速1个，低于设计速度的2个。速度间隔为1.5-2kn 。

2．强制力一般取5个：以摩擦阻力修正值D F 为基点，上下各2个。即取强制力为0、0.5D F 、D F 、1.5D F 、2D F 。

3．实验。拖车达到相应速度时，调整螺旋桨电机转速，当船模达到力的平衡时，测强制力、螺旋桨转速、推力和扭矩。

五、问题和思考：

1．船体对螺旋桨有哪些影响？

答：螺旋桨在船后工作时由于流场不均匀，产生同样推力时的扭矩不相同，引起螺旋桨的效率变化。

2．螺旋桨对船体有哪些影响？

答：由于螺旋桨工作改变了船舶周围流场，尤其尾部流速提高，使阻力增加。

学习心得

有幸能够再次大连理工大学学习，同时非常珍惜在这个学期我们学习了《船模性能实验》，《船模性能实验》课程知识的实用性很强，因此实验就显得非常重要，刚开始做实验的时候，由于自己的理论知识基础不好，在实验过程遇到了许多的难题，也使我感到理论知识的重要性。但是我并没有气垒，在实验中发现问题，自己看书，独立思考，最终解决问题，从而也就加深我对课本理论知识的理解，达到了“双赢”的效果。

实验中我学会了许多船舶性能血管的验证，实验过程中培养了我在船舶性能实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力，以及培养了良好的素质和道德，例如团队精神、交流能力、独立思考、测试前沿信息的捕获能力等；提高了自己动手能力，培养理论联系实际的作风，增强创新意识。