14 船舶耐波性试验

以容易地求得一定速度下不同波长时波浪上的阻力增量△Rw=Rw Rs，其中Rw是波浪中船模的总阻力，Rs是静水中阻力。
试验的结果通常表达为K△R～ωe 曲线，如图14-15 所示。K△R为阻 力增量△Rw的无因次系数，可表达为
船模试验的相似条件
2. 运动相似 在几何相似的条件下，处于定常流动中的模型与实船，其 对应点上的速度值成同一比例，即
式中: Vs、Vm 分别表示实船、模型的速度，下标1、2、…表示对 应点的位置。
3.动力相似 在运动相似的条件下，作用在模型与实船对应点上的某种 力的比值相同，即
摇板式造波机是由平板和四连杆机构组成的。四连杆机构 使平板绕其下端的水平轴摇荡。由于平板的前后两面都能 造波，而后面的波是有害的，所以安装造波机一端的池壁 上应设置消波器。现已出现一种后面不产生波浪的摇板式 造波机。为了改善波形，还出现了双重摇板式造波机，即 将原来的一块平板改成中间为铰接的两块平板，上下平板 各由一组液压缸驱动。

冲箱式造波机是由冲箱和曲柄连杆机构组成的。冲箱 横剖面的形状如图14-8 (a) 所示，曲柄连杆机构的作用 是使冲箱作近似于简谐运动的垂直振荡运动。波浪由冲箱 的凸面产生，而在平的一面实际上不产生波浪。
图14-8 造波机 (a) 冲箱式; (b) 摇板式; (c)气动式 1-调节阀门; 2-压力可以变化的钟; 3-鼓风机
在船舶方案设计阶段，为了预估横摇运动性能，通常利用船模 试验求横摇无因次衰减系数2 。其方法是，将满足相似规律并 经校准好的船模置于静水中，使船模横倾一角度，然后任其自由 横摇，通过装在船模里的陀螺仪传送横摇角信号，由示波器记录 横摇衰减曲线。 在线性阻尼规律下，可按式(11-48)直接由衰减曲线求 ，即：
二、波浪中零速横摇试验
规则波中零速横摇试验可确定频率响应函数及有效波倾系 数。 试验方法是将调整好的船模置于水池中间，使船舷正对规 则波的传播方向，两端用细绳系于池壁，船模横向完全自 由。然后，按预定方案，造一系列规则波(1 4～16个)，
记录不同波长的规则波产生的横摇幅值θa和规则波的波高
ζw，算出放大因数θa/α0，其中 浪圆频率。
w 0 2，λ是试验波长。
绘制图14-9的的放大因数曲线θa/α0～ωm, ωm为试验波
实船横摇性能的预估: 实船的横摇谱密度根据式(13-55)为， 根据式(13-69)实船的频率响应函数Yθζ(ω)为:
由于Yθζ(ω)的因次是m-l，所以模型试验结果换算之实船 需进行因次转换。船模与实船的频率响应函数之间存在如 下关系:
水池试验---孤波
水池试验---不规则波
Seakeeping TestsΒιβλιοθήκη Baidu
Ponce Vessel Seakeeping
Seakeeping Tests
Orca Vessel Seakeeping
M. V. North Star Sea Trial August 2003
船模试验的相似条件
式中:Fs、Fm 分别表示作用在实船和模型对应点上的力。
动力相似包括粘性力相似、重力相似和惯性力相似。
动力相似条件
粘性力相似，要保证模型和实船的雷诺数Rn相等 重力相似要满足傅汝德数Fn相等。 惯性力相似代表了不定常流动的相似条件，要求 斯图罗哈数Sn相等，
式中:是运动粘性系数，L和V代表模型的特征 线长度和速度。t是时间常数。例如，对横摇可 以取横摇固有周期。
别如图14-10和图14-11所示。图中ωem表示试验波浪的遭遇圆 频率。 实船纵摇性能预估:
实船纵摇能谱按式(13-72)有:
类似于横摇，实船与船模的纵摇频率响应函数的关系为
实船的纵摇角方差按式(13-64)有:
速度方差按式(13-65)有:
加速度方差按式(13-66)有:
谱宽参数εψ按式(13-67)为
由式(11-61)得:
三、船模在规则迎浪中垂荡与纵摇运动试验
船模在规则波中迎浪前进，便产生垂荡和纵摇运动。试
验时应选择几个适当的航速，一般应不少于4个航速。在所选
择的每个航速下，船模在一系列(14-16个)频率的波浪上进行 试验。对应于波长等于船长附近的频率间隔应取密些。船模
的垂荡和纵摇运动总是同时产生的。垂荡和纵摇试验结果分
(14-33)
所以实船横摇能谱为 (14-34)
根据实船的波浪频率ω，利用关系
可算出ωm，
再利用船模试验结果，即利用图14-9，根据ωm可查取
值。利用式(14-33)便可求出实船的频率响应函数
。
4
5
6
67
根据静水中自由横摇试验和规则被中零速横摇试验可以求出 有效波倾系数Kθ。共振时，由式(12-37)得:
下的运动的统计值。特别是由于横摇水动力的复杂性，目前理 论计算尚未达到纵向运动的计算精度，因此更需依靠模型试验。
目前常用的耐波性试验大致有四种形式:
(1)静水中的摇荡试验:
• 目的是确定作用于船体上的水动力系数，特别是横摇阻尼。
(2)规则波中的运动试验:
• 确定各种运动的频率响应函数。
(3)不规则波中的运动试验: • 按照预定要求在试验水池中产生一系列不规则液，测量模 型在此不规则波上的运动。由输入(波浪)和输出(运动)的 谱分析计算出相应的频率响应函数。 (4) 瞬态波试验: • 在水池中产生一系列波，其频率随着时间从所要求的最高 频率到最低频率线性地减小。传播快速的波(低频)赶上慢 速的波(高频) ，那么在某一瞬时于水池中的某一点产生 一包含全部频率在内的很大的波，测量船模在这一瞬时最 大波上的瞬时反应。通过对波及运动的谱分析，求得频率 响应函数。 目前国内主要进行(1)和(2)试验。(3)和(4)试验要求有能按预 先规定制造不规则波的程序控制造波机，同时还要有自动采样 记录和数据处理装置，但是试验工作量可以大大减小。
平均纵摇周期
对于实船垂荡运动预估与纵摇预估一样，仅实船垂荡频率响应 函数按下式计算:
公式只要将纵摇的式(14-44)﹑ (14-45)﹑(14-46) 、(14-47) 、( 14-48)诸公式中的下标ψ换 成z即可。
四、波浪中的阻力增量的平均值 R w
通常，进行迎浪中的垂荡和纵摇试验，除了测量船模 的运动外，还要测量船模的阻力。由于波浪作用和垂荡纵 摇运动引起的兴波对船体绕流的共同影响，产生了附加阻
在耐波性模型试验中满足全部的动力相似条件是困难的。 由于粘性力在耐波性试验中起次要作用，一般只保证重力 相似和惯性力相似两个条件，即保证模型和实船的傅汝德 和斯图罗哈数相等:
Vs 0 Vm
由上式可得到：
λ0
如何保证船模与实船重力相似与惯性力相似？
为保证船模和实船之间的重力相似和惯性力相似 条件，除几何相似外，还应使运动速度相似、自 摇周期相似；在船模排水量、重心的纵向位置和 垂向位置、船模的质量惯性矩等满足表14-1中的 对应关系。因此，在进行模型试验前必须首先对 船模的重量、重心位置和质量惯性矩进行校验， 使之与给定的实船数据相对应。 试验船模的重量等于船壳的重量、仪器重量和可 调压载的重量之和。为了能够调节船模满足与实 船的相似关系，可调压载的重量应为总重量的1/3 左右，这样就要求船模制造得薄而轻。
但是，若阻尼与横摇角速度不是线性关系，则直接由衰减曲线求 2就比较困难。为此，引入消灭曲线=f(m)求无因次衰减系 数。
由衰减曲线可方便地求出消灭曲线，如图14-7所示。其中 =i-i+1，m =(i+i+1 )/2 当阻尼为线性规律时，由式(11-53 )得:
二、静水中强迫横摇试验
强迫横摇的特解为
§ 14-3 船模在波浪中的运动和增阻试验 一、试验设备
船模在波浪中的耐波性试验可在长条拖曳水池或专门
为耐披性试验建造的宽型耐波性水池中进行。典型的耐波 性水池如表14-3所列。

耐波性试验的主要设备是造波机，造波机的作用原 理通常是依靠振荡装置的振荡造成水中压力场的周期性变 化而产生波浪。常用的造波机有冲箱式、摇板式和气动式， 如图14-8所示。
船模与实船还应遵守质量分布相似，由表14-1得:
动力校准求 船模惯性矩
静力校准求 重心位置
静力校准求 重心位置
θ
G
x
长
14.2 静水中自由和强迫横摇试验
一、静水中自由横摇衰减试验 用于确定船舶的横摇固有周期、无因次衰减系数和附加质 量惯性矩。 实船自由横摇的具体作法是:实船按预先的排水量浮于静水面 上，试验指挥者指挥一批人由一舷跑到另一舷，往返几次(跑 动的周期大致等于船的横摇固有周期) ，使船摇荡起来，船摇 到一定程度(5°左右)后，指挥跑动人员停止于船的中线面，让 船自由横摇，通过陀螺仪输出横摇角信号，利用示波器记录横 摇衰减曲线，如图14-6所示。
试验时按预先确定的几个航速逐一进行。在每个航速下，改变
波浪的长度，以作出固定航速下总阻力随波长的变化曲线，如
图14-13所示。为了求得船模在波浪中运动的阻力增量，必须提 供船模在静水中的阻力资料。图14-13中λ=0 时的阻力值就是 静水阻力。
在图14-13 上截取8～10 个波长，获得给定波长时随速度变化的阻 力值，把它们和静水阻力曲线绘在一起，见图14-14。从图14-14可
船舶操纵性与耐波性
第14章 船舶耐波性试验
第14章 船舶耐波性试验
14.1 船模试验的相似条件
14.2 静水中自由和强迫试验 14.3 船模在波浪中的运动和增阻试 验
14 船舶耐波性试验
模型试验是研究耐波性的重要手段。通过模型试验可确定横摇、
垂荡和纵摇运动的频率响应函数，据此可预报实船在给定浪级

为了应用线性理论预报实船的运动，一般试验波高ζw=
2 Lm/35～ Lm/50 (Lm是船模长度)。波浪长度 1.56TB ，
TB= 2π/ω，TB为波浪周期，其中ω为造波机的振荡圆频率。
波浪高度可通过浪高仪测定，浪高仪通常有电阻式、 电容式和超声波式三种。电阻式浪高仪适用于定点测量。 另外，在水池中定点测量波高时，浪高仪与造波机之间的 距离应不小于20m ，而与池壁的距离不小于1.5m。
以上两种造波机产生的波浪频率等于造波机的运动频率。 改变造波发动机的转数可以在一定范围内任意改变波浪的
长度。改变造波机的振荡幅值可以调节波浪的高度。
气动式造波机由鼓风机和调节阀门组成。通过调节阀门来
控制气体对水面的压力变化而产生波浪。
为了消除水池另一端返回的波浪，应在水池另一端安装消 波器，一般为用横向条材组成的栅栏式消波器。
可确定横摇阻尼和附加质量惯性矩随摇荡频率的关系曲线。 静水中自由衰减试验确定的阻尼和附加质量惯性矩仅对应共 振时的频率，故为了准确预报不规则波中实船横摇，必须采 用阻尼和附加质量惯性矩随频率变化的关系，所以静水中强 迫横摇试验非常重要。 此外，静水中强迫横摇可揭示大角度横摇的非线性阻尼特性， 对于研究波浪中船舶倾复非常有用。 试验所使用的强迫摇荡机构只允许船模作单自由度的大角度 横摇运动，若在简谐激振力矩M(t)= M0sin(t)作用下，则船 模运动方程为:
模型试验必须遵守力学相似定律，即模型和实船应几何相 似、运动相似和动力相似。满足了这些条件，就可将模型 试验的结果换算到实船上去。
1.几何相似 模型与实船相似，即它们对应的线性尺度的比 例是一样的，即
式中:L、B、d分别表示船长、船宽和吃水，下标s表示 实船，m表示模型。而且，任意对应的尺度之比都等于 0，称0为尺度比。
力，因此船模在波浪中拖曳时的阻力比船模在静水中拖曳
时的阻力大为增加。这部分增加的阻力称之为波浪中的阻 力增量，它是由在波浪中拖曳航行的船模总阻力减去相同 速度下船模在静水中拖曳航行时的总阻力而得。
船模在波浪中与静水中阻力的测量方法一样，可以用通常 的阻力仪测量。图14-12 为用悬挂重量法测量在波浪中船 模阻力的示意图。阻力与垂荡、纵摇运动的测量是同时进 行的。船模的拖曳点应放在重心G 上，并使拖曳的钢索尽 量放长，以免纵摇运动引起阻力的误差和减小垂荡运动引 起的阻力误差。