通航小尺度船模试验研究

船模的稳定性而言，以上8种效应有互相抵消的趋 势，究竟哪一种效应起主要作用，则要视具体情况而
存在不利影响，在物理船模中， 这个问 题 是 不 易 解 决 的，只 好
定；$ 由于船模的 #$较小，船舵容易产生水流的分 离和失举。
把它作为船模试验的一种安全
从通航小尺度船模试验研究中可知，船模的操
余地予 以 容 忍，即 船 模 操 纵 者 能完成 的 操 作，实 船 驾 驶 者 更 容易完成，从某种意义来讲，视 角对船模操纵者的有利影响与 时间比尺对船模操纵者的不利 影响有一定的补偿作用。
!"世纪’"，)" 年 代 欧 美 一 些 国 家 将 自 航 船 模 广泛用在港口、船坞、内河航道及船闸引航道的试验 中。譬如，德国慕尼黑工业大学水工试验所对多瑙 河通航的研究、美国密西西比河支流通航的研究以 及荷兰德尔夫特水工研究所对航道和船闸的通航研 究等，都应用了自航船模技术。其比尺在’"至%!" 之间。国外，对比船模试验应用较多，常常配合数学 模型，相互验证和补充。我国上世纪("年代初长江 科学院制作自航船模，%&($年在葛洲坝工程的试验 研究中正式使用，该工程完工后，根据交通部、长江 航务管理局的要求，由长江航道科研所进行了实船 试验，证明 船 模 试 验 效 果 甚 佳。(" 年 代 后 期，国 内 其他一些科研单位也相继使用自航船模研究通航问 题。譬如，在长江三峡工程科学研究中，先后在三 峡枢纽、三峡施工导流明渠、三峡回水变动区、三峡 —葛洲坝两坝间等通航水工模型试验研究中，进行 了自航船模试验。国内的自航船模试验大多进行了 操纵性能相似率定试验和尺度效应修正，力图用与 实船基本相似的船模来预演航道的通航情况，其比 尺在%""至%’"之间。
图! "#$!%&船 模监控系统
’()*! "#$!%& +,(-./012
./3(4/5106/345/2 +7+41.
! 操纵性能尺度效应及修正
纵性能指数 %&，’&与实船的操纵性能指数通常是 不相同的，它 们 之 间 的 大 小 应 视 具 体 船 形、船 队 而
定。在三峡 葛洲坝间改进船型船队扩大通航能力
! 小尺度自航船模的相似性
自航船模作为实船在水中运动过程的物理模 拟，要求船 模 和 实 船 完 全 相 似，实 际 上 是 非 常 困 难
的，目前只能从实际应用的角度出发，满足主要的相 似条件，其中包括几何相似、质量相似、运动相似、水 动力相似、驾驶视角相似以及时间比尺关系。对于 船模和实船不相似部分，则是通过对船模总体性能 进行率定的方法予以修正。
在小尺度自航船模试验中，船模的动力主机和 舵机与实船的负荷特性是不相同的，其运动过程中 的转速变化也不可能完全一致。水动力相似应满足 船模与实船 运 动 有 相 同 的 傅 汝 德 数（!"）、雷 诺 数 （#$），即
!" % &／（’(）%／!，#$ %!&(／" 。 水面航行的小尺度自航船模，主要应满足重力相似 （!" 相等）。从上式可看到，同一缩尺模型中，重力 相似时，无法同时满足 #$ 相等，在实际船模试验中 应尽量将船模处于紊流之中，使得模型超过层流达 到临界 #$，其值为%;%"’。
因为当船模与实船的 !" 相等时，船模的 #$ 必然小 于实船的#$，反映在船模水动力特性上，主要表现 在以下几方面：" 船模遇到的粘滞阻力大于实船， 为保证航速相似，必然要提高螺旋的转速，这时船舵
深域中操纵性能与实船相似的船模，在有限水深域
中不一定相似。为此，我所在三峡!=!>>船模率定 中，着重进行了与三峡引航道相近水深（(?:.）的 浅水操纵性能试验，其试验成果见表!。
深的水域（水 深 !9 倍 船 舶 吃 水 深 度 ）中 进 行 的，三 峡工程引航道中水深仅为:. 左右，而三峡通航船 队吃水深 度 却 为8*;<.，属 有 限 深 水 域，有 限 深 水 域对船舶的操纵性能会产生一定的影响，即无限水
纵性能完全相似，最好是船模与实船的 !"、#$ 水动 力参数都相同，但由于缩尺影响，这是难以实现的。
真实性：" 在水力学量测试验中，往往是独立
地测试各量测点的流速、比降等水力要素。但是，孤 立点的流速、比降值的大小并不能完全反映船舶航 行的难易，船模试验则能反映整个船舶或船队的船 艏、船舯、船尾、左舷、右舷各部分受到复杂水流条件 作用的综合影响。可以说，自航船模是一种特殊的 传感器，它量测的不是各孤立点的水流条件，而是量 测各点流速、比降等水力要素对整个船体作用的合 力，因而，更 能 真 实 地 反 映 船 舶 在 航 道 中 的 航 行 条 件；# 有时会出现按照模型试验成果设计的通航工 程竣工后，船舶实际的通航情况与试验成果不一致 的情况。其中一个重要的原因，就是常规水工、河工 模型量测试验，只反映了无船舶航行时的航道水流 条件。但是，一个航道的水流条件在有无船舶航行 时情况是不一样的。譬如，在鸡扒子滩险整治船模 试验中发现，船模通过某些窄浅断面时，用1K!+L型 电脑流速仪，测得航道底 部 的 流 速 增 加 达 +&, 以 上。可见船舶与航道水流条件的相互作用是不容忽 略的，通过船模试验可反映出船舶驶入某些特殊航 道后引起 的 流 速、比 降 等 水 流 条 件 的 变 化 和 影 响。 因此，自航船模试验可使通航水流条件的研究更加 真实［"］。
从表中可见，船模浅水（( ?:.）操 纵 性 能 试 验 与 无 限 深 水 域 操 纵 性 能 试 验 相 比 ，静 水 航 速 降 低 ，
表! 船队操纵性能试验成果
@AB21! @1+451+C24+/D/-15A4(3)6,A5A6415(+4(6+/D4E/BA5)1!4/E+
水深 (／.
船队
摘要：阐述了小尺度船模试验研究的几个主要问题，包括船模的相似性、操纵性能、尺度效应及修正、技术特点以及
试验资料分析等，并对各点进行了分析。其中西南水运工程研究所研制的 56!!$7船模驾驶室监控系统（船模轨 迹实时接受装置）及该所进行的与三峡工程引航道水深相近的船模性能试验研究，在船模试验研究方面有所创新，
通过多年的实际运用，均能满足试验研究与工程实际的需要，其效果较好。
关 键 词：船模；通航；试验
中图分类号：8))%9(#
文献标识码：:
自航船模通航试验主要有两类：一是对比船模试 验，主要用于方案选优，此时对船模与实船相似问题 要求相对不严；二是通航情况预演试验，要求船模与 实船除了几何相似外，操纵性能也要求尽可能相似。
! 通航小尺度船模试验技术优点
直观性：通 航 小 尺 度 船 模 试 验，能 直 接 操 纵 船 模，直接从 岸 台 观 察 船 模 的 运 行 轨 迹 以 及 船 艏、船 舯、船艉在航道中所处的位置，并对各种航行要素和 操纵要素进行实时记录。如西南水运工程科学研究 所在三峡 葛洲坝两坝间改进船型船队扩大通航能 力船模试验研究中，通过船模试验，找出了水田角和 石牌两个航段为三峡两坝间通航的控制航段，因为： 水田角段航行的难度在于航线上过高的纵向流速和 比降，使船队上行航速很低；石牌段的难度在于该 航段转弯半径小，弯道急，操舵角很大，船队上、下行 均困难，如图-所示。
收稿日期：!""#!"#!"$
作者简介万：方汪拥数赤据（%&’(!），男，四 川 南 部 人，助 理 研 究 员，主 要 从 事 现 代 量 测 技 术 及 通 航 船 模 研 究，（ 电 话 ）%$)!*##!)()（电 子 信 箱 ）
+,- ./012"3124。
I
长江科学院院报
8>>:年
示器上清晰地显示出船模驾驶
处于较强的螺旋桨尾流中，导致船模与实船的舵效
室内观 察 到 的 景 象，其 框 图 如
图!所示。 在 正 态 物 理 模 型 中，时 间
不同；# 船模边界层厚度和附加质量比实船大，船 模船体有较大的面积处于边界层之中，导致水动力
降低，表现为船模的稳定性和机动性较实船差。就
比尺为 长 度 比 尺 的 平 方 根，可 见船模试验的时间比尺对操纵
通航小尺度自航船模与实船视角相似是一个需 要解决的难题，实船驾驶者是在驾驶室中驾驶，而船 模操纵者相当于在岸边山头上驾驶，二者实际感受 是不一样的：从驾驶的视角位置看，对船模操纵者有 利因素是视野更加广阔，能观察到航道更远处的情 况，也无实船驾驶者的不安全感；不利因素是不可能 像实船驾驶者那样近距离观察水情，对船模操纵的 真实性产生一定影响。西南水运工程研究所研制的 56<!$7船模驾驶室监控系统较好地解决了船模视 角相似这一难题。该系统通过安装于船模驾驶室内 的超小型彩色摄像装置、监视信号发射装置以及设 置在岸边的彩色监视信号接收系统，对船模的航行 状态进行实时监控，能在船模航行过程中，从岸台显
的船模试验研究中，西南水运工程研究所采用的船
舶模型，其操纵性能指数 %&，’&均比实船的操纵性 能指数小，通过采用以下%种方法加以修正：" 减 小船舵面积，降低舵效和回转阻力矩；# 改襟翼舵 为普通舵，减小舵效；$ 对船体和船舵的某些部位 进行局部加糙，以改变其水动力特性。
由于缩尺的影响，小尺度自航船模的操纵性能
下降幅度相近。从无限深水域到有限深水域（(?: .），九驳船队模拟计算的 %&从!*<J9增大到!*9J>， 增大了!;*9>F，’&从>*I:9增 大 到>*;%J，增 大 了 <8*99F；船模在无限深水域与在有限深水域（(?:
第-期
汪拥赤 等 通航小尺度船模试验研究
%