第5章 船模阻力试验分解

99第五章 船模阻力试验船模试验是研究船舶阻力最普遍的方法，目前关于船舶阻力方面的知识，特别是提供设计应用的优良船型资料及估算阻力的经验公式和图谱绝大多数是由船模试验结果得来的。

新的理论的发展和新船的设计是否能得到预期的效果都需要由船模试验来验证。

而理论分析的进一步发展，又为船型设计和船模试验提供更为丰富的内容，以及指出改进的方向。

因此船模试验是进行船舶性能研究的重要组成部分。

本章先对船模试验池和船模阻力试验作一简要介绍，然后分别从设计和研究观点来讨论表达船模阻力数据的方法。

§ 5-1 拖曳试验依据、设备和方法船模试验是研究船舶阻力性能的主要方法。

因此需要了解船模阻力试验的依据，试验设备和具体的试验方法。

一、船模阻力试验的依据由§1-2的阻力相似定律指出：如能使船模和实船实现全相似，即船模和实船同时满足Re 和Fr 数相等，则可由船模试验结果直接获得实船的总阻力系数。

§1-4中已阐述船模和实船难以实现全相似条件。

根据现实可能性，也不能实现船模和实船单一的粘性相似，即保持Re 相等，这是因为，如要使Re m = Re s ，则必有：υm L m /v m = υs L s /v s即 υm = α υs v m / v s (5-1) 式中，α为船模缩尺比。

因为船模和实船的运动粘性系数两者数值相近，如假定v m = v s ，则(5-1)式为：υm = α υs (5-2) 由于船模均要比实船缩小几十倍以上，因而要求船模的速度较实船速度大几十倍，甚至达到超音速情况下进行试验，显然是不现实的。

因此船模阻力试验，对水面船舶来说，实际上就是在满足重力相似条件下(保持Fr 数相等)进行的。

由于是在部分相似条件下所得的船模阻力值，因此必需借助于某些假设，诸如傅汝德假定，休斯假定等才能换算得到相应的实船总阻力。

二、船模试验池船模试验池是进行船舶性能研究和某些结构、强度试验的重要设施，因而世界各国均普遍建造了各种船模试验池。

100 普通的船模试验池，其主要任务是进行船舶模型的拖曳、自航及适航性等试验。

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。

为了避免海水的腐蚀作用，试验池的水都采用淡水。

为了提高船模试验的精确性，使能对较大尺度船模进行试验，并能更广泛地进行船舶性能、强度和振动等多方面的试验研究，通常需要建立拖车式船模试验池。

船模试验池的尺度主要由船模的大小和速度而定。

此外，还与拖曳设备的特点、试验的要求等有关，因为水池的长度和拖车的速度实际上对船模的尺度和速度有一定的限制。

船模每次试验时，启动拖车并加速到所需的试验速度，需要经过一段距离，然后进入匀速段，测量和记录船模的阻力和速度，最后拖车开始减速直至停止，需要留有一段减速距离。

显然水池的长度应大于这三段距离之和。

船模速度越高，则各段的距离相应亦要增加，特别是匀速段距离越长，越易于进行测量和记录。

由于试验是在保持Fr 数相同的条件下进行的，所以船模的试验速度与缩尺比的平方根成反比。

当船池的长度、速度受到限制时往往只有通过增大缩尺比，减小船模尺度和速度来进行拖曳试验。

此外，船池的宽度和深度也应以减少池壁和池底对船模试验的影响为依据，即池壁干扰作用不致过大，以保证试验的准确性。

所以长度较大的船模试验池其池宽和池深也要相应增大。

有不少船模试验池具有假底设备，池底与水面的距离可以调节，因此可作浅水船模试验。

如果在假底上再建造边壁，则就可以进行限制航道中的阻力试验。

近年来，为了进行限制航道船模试验，亦有将试验池的水面放低，同时阻力仪也相应下降来做试验的。

也有建造专门的浅水试验池供进行限制航道船模试验之用。

船模试验池按照拖曳船模的方式可分为拖车式和重力式两种。

1．拖车式船模试验池拖车式船模试验池都装有沿水池两旁轨道上行驶的拖车，如图5-1所示。

拖车的用途首先在于拖曳船模保持一定方向和一定速度运动。

其次安装各种测量和记录仪器，例如测定船模拖曳阻力的阻力仪、记录船模升沉和纵倾的仪器以及记录船模速度的光电测速仪等，甚至为了便于观察试验现象、拍摄照片和录像，在拖车上还设有观察平台。

现代船池的拖车上还配置有计算机处理系统，以便迅速地给出试验结果。

拖车式船模试验池的优点是：可以采用较大尺度的船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较高；其次，拖车式船池能进行广泛的试验，除了船模阻力试验外，还可以进行以下诸方面的试验研究：拖车导向杆滑动电弓滑线阻力仪轨道图5-1 拖车式船模试验池示意图101(1) 测量和观察船体表面的流动状况，这对于船体线型设计和附体布置是很有价值的； (2) 船舶推进方面的试验，如螺旋桨模型的敞水试验、船模自航试验以及进行船体与螺旋桨的相互作用问题的研究等；(3) 船舶耐波性方面的试验，主要研究船模在波浪上的运动和航行状态； (4) 操纵性方面的试验； (5) 强度和振动方面的试验。

2．重力式船模试验池这种试验池较拖车式试验池简单得多，它没有拖车设备，是靠重量的下落来拖动船模的，如图5-2示。

砝码的重量就等于船模的阻力，如同时记录船模被拖动一定距离所需要的时间，就可得到相应的船模速度。

因此，重力式船模阻力试验是在给定阻力情况下，测定船模相应的速度。

重力式船模试验池的优点是：水池小，设备简单，建造成本低，并具有一定的准确性。

其不足之处是：船模尺度小，尺度效应大，因此在一定程度上使试验内容受到限制，而且将影响试验结果的精确性，此外也不便于观察船模的运动和水流情况等。

三、船模阻力试验方法和内容如前所述，船模阻力试验是将实船按一定的缩尺比制成几何相似的船模，在满足Fr 数相等的条件下，在船池中拖曳以测得船模阻力与速度之间的关系。

1．试验准备为了进行阻力拖曳试验，必须进行一系列试验准备工作：首先按一定要求制作试验用的船模。

船模的缩尺比依据水池的长度、拖车最高速度以及实船的尺度和航速来确定。

船模线型要与实船保持几何相似，表面必须光洁，满足一定的加工精度。

船模所使用的材料通常有蜡质和木质两种。

木质船模不易变形并可以保存。

对于一重锤102 些重要的和试验周期较长的模型，采用木模为宜，但其加工困难，时间长，成本高；而蜡模加工方便，时间短，便于改型，且石蜡又可重复使用，唯在夏季气温较高时容易变形。

其次，船模在试验前要安装人工激流装置，一般用细金属丝缚在船模的921站处，则在细金属丝以后的边界层中产生紊流，这细金属丝称为激流丝。

船模安装激流丝后，进行称重工作。

准确地秤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。

最后通过调整压载位置使船模没有横倾，首尾吃水满足所要求的吃水情况。

2．阻力试验测量数据完成上述试验准备工作后，可以进行船模拖曳试验。

试验要求测量和记录的主要物理量有船模速度、船模阻力、船模纵倾角、重心升沉和浸湿长度等，这些量的测量方法介绍如下：(1) 船模速度记录：根据实船长度、航速范围和模型尺度按Fr 数相似的原则，确定船模的速度范围，然后在不同的速度下进行拖曳试验。

船模速度就是拖车速度。

具体方法有由机械式测速轮得到距离记录与相应的时间记录来计算船模速度，或应用光电管原理，通过数字记录器直接读出船模速度。

(2) 船模阻力的测量：阻力测量与速度记录应同时进行。

船模阻力可由专门仪器，即阻力仪测得。

阻力仪有机械式和电测式两类。

图5-3为机械式阻力仪的原理图。

由图可知，当拖车作匀速运动时，船模阻力R tm 中的主要部分由砝码盘上的砝码重量W 所平衡，而剩余部分则由摆锤p 的偏移来平衡。

由力矩平衡原理得：W · r B ± p l p sin θ = R tm · r A由此得船模阻力θr l p W r rR sin A p A B tm ±=其中，r A 和r B 分别为阻力仪同轴轮A 和B 的半径；l p 为摆锤p 到轮中心的距离；θ为摆锤p的偏移角度。

图5-3 机械式阻力仪原理103因此对于给定的阻力仪摆轮，只要已知砝码的重量W ，并由记录筒记录下摆针的偏移，就可求得船模阻力R tm 值。

上述是机械式阻力仪的原理，但具体的结构形式可以是各式各样的。

电测式阻力仪的基本原理是通过测定并记录传感器在受到阻力情况下的变化信号，然后根据传感器受力大小与其相应的变化信号间的标定关系来换算得相应的阻力值。

电测式阻力仪记录测量方便，便于应用计算机进行数据处理。

但周围环境对记录仪的影响较大，因而其精确性并不比机械式阻力仪高。

(3) 船模纵倾角和重心升沉的测量：可以用纵倾仪或专门用来测量船模运动的仪器来测量船模纵倾角和升沉。

(4) 浸湿面积和湿长度的确定：通常对排水式船舶由于航行中航态变化小，所以认为浸湿面积和湿长度与静浮状态下完全相同。

但对于滑行艇，其湿长度和湿表面积将随拖曳速度而变化。

因此，对于每一拖曳速度，可以通过目测、摄影或摄像得到。

此外，船体表面的流线测定也是船模阻力试验的内容之一。

流线试验的目的是为了使附体能按照流线的方向安装以尽量降低附体阻力；同时通过对流线的分析以寻找改善阻力性能的方法。

我国一些水池采用在船模上涂油漆的方法或安装丝线方法来进行流线试验。

图5-4是流线试验所得的一个例子。

3．船模与实船阻力换算船模阻力试验的主要目的是由试验所得的船模阻力换算得到实船的静水总阻力或有效功率值。

具体的换算方法有两种：一是基于傅汝德假定的傅汝德换算法；另一是根据休斯提出的三因次换算法或称为(1+k )法。

前者在§1- 4中已 作详细叙述，即由模型试验测得船模总阻力后， 实船总阻力或总阻力系数可按(1-25)和(1-26) 式换算得到。

三因次换算法如在§2-8中所述，相应速度下的实船总阻力系数可按(2-49)式换算得到。

这两种换算方法均可列表进行。

§ 5-2 船模阻力数据表达法由船模阻力试验可得到船模阻力与速度之间的关系曲线，进而通过阻力换算得到实船的阻力和有效功率曲线。

但为了对所设计的船舶能更方便地进行船体阻力换算以及不同船型之间比较阻力性能的优劣，需要将由船模试验所得的阻力(或功率)与速度之间的关系，以一定的参数、恰当的形式来表达，这称为船模数据表达法。

一、表达法的目的和要求船模阻力数据表达法的目的有以下两方面：一是船体阻力换算。

这是指船型相同，而大小不同的船舶之间的阻力换算。

显然按不同缩尺比均可由船模阻力资料换算得各大小不同船舶的阻力值。

另一是比较船型阻力性能之优劣。

这是指船型不同，但大小相同或相近的船舶之间阻力104 性能优劣的判别。

目前，尽管对船模数据表达尚未取得一致意见，因而国际船模试验池会议还不能推荐一 种能被大家所共同接受的表达方法，但为了达到上述目的，倾向性的意见认为恰当的表达法 应具有的几个基本要求是明确的：(1) 无量纲化。