船模阻力試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)測(cè)量方法及不確定度

PAGEPAGE12船模阻力試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)測(cè)量方法及不確定度分析船模阻力試驗(yàn)需要在船舶拖曳試驗(yàn)池中完成，船舶拖曳試驗(yàn)池是水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備，是用船舶模型試驗(yàn)方法來(lái)了解船舶的運(yùn)動(dòng)、航速、推進(jìn)功率及其他性能的試驗(yàn)水池，試驗(yàn)是由電動(dòng)拖車牽引船模進(jìn)行的。船舶、潛艇、魚雷、滑行艇、水翼艇，氣墊船、沖翼艇、水上飛機(jī)和各種海洋結(jié)構(gòu)物等都可在水池中作模型試驗(yàn)。一、船模阻力試驗(yàn)池結(jié)構(gòu)船模阻力試驗(yàn)池是進(jìn)行船模阻力試驗(yàn)的設(shè)施，因而世界各國(guó)均普遍建造了各種船模試驗(yàn)池。普通船模阻力試驗(yàn)池的主要任務(wù)是進(jìn)行船舶模型的拖曳、阻力性能試驗(yàn)、螺旋槳性能、自航及耐波性等試驗(yàn)。試驗(yàn)池狹而長(zhǎng)，配置有拖動(dòng)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器，以測(cè)得船模在不同速度下的阻力值。為避免海水的腐蝕作用，試驗(yàn)池的水都采用淡水。船模阻力試驗(yàn)池按拖曳船模的方式可分為拖車式和重力式兩種。圖1拖車式船模阻力試驗(yàn)池示意圖拖車式船模阻力試驗(yàn)池都裝有沿水池兩旁軌道上行使的拖車，如圖1所示。拖車的用途首先在于拖曳船模保持一定方向和一定速度運(yùn)動(dòng)，其次安裝各種測(cè)量和記錄儀器，例如測(cè)定船模拖曳阻力的阻力儀、記錄船模升沉和縱傾的儀器以及記錄船模速度的光電測(cè)速儀等。為便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、拍攝照片和錄像，在拖車上還設(shè)有觀察平臺(tái)?，F(xiàn)代船模阻力試驗(yàn)池的拖車上還配置有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，以便迅速地給出試驗(yàn)結(jié)果。拖車式船模阻力試驗(yàn)池的優(yōu)點(diǎn)是:可以采用較大尺度的船模，因此尺度效應(yīng)較小，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較高；其次，拖車式船模阻力試驗(yàn)池可以進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)，除了船模阻力試驗(yàn)外，還可以進(jìn)行船舶推進(jìn)、船舶耐波性、船舶操縱性以及船舶強(qiáng)度和振動(dòng)等方面的試驗(yàn)。圖2重力式船模實(shí)驗(yàn)池示意圖重力式船模阻力試驗(yàn)池如圖2所示，是早期用于進(jìn)行小船模阻力試驗(yàn)的簡(jiǎn)陋設(shè)施。試驗(yàn)時(shí)靠重量的下落來(lái)拖動(dòng)船模，當(dāng)船模達(dá)到等速前進(jìn)時(shí)，砝碼的重量就等于船模的阻力，記錄船模被等速拖動(dòng)一定距離所需的時(shí)間，可得到相應(yīng)的船模速度。因此重力式船模阻力試驗(yàn)是在給定阻力情況下，測(cè)定相應(yīng)的船模速度。這種水池僅能進(jìn)行小船模的阻力試驗(yàn)，無(wú)法滿足現(xiàn)時(shí)對(duì)船舶性能研究的需要.因此已某本被淘汰。為了提高船模阻力試驗(yàn)的精度，對(duì)較大尺度船模進(jìn)行試驗(yàn)，并能更廣泛地進(jìn)行船舶性能等多方面的試驗(yàn)研究，通常需要建立拖車式船模阻力試驗(yàn)池。船模阻力試驗(yàn)池的尺度主要由船模的大小和速度而定。此外，還與拖曳設(shè)備的特點(diǎn)、試驗(yàn)的要求等有關(guān)，因?yàn)樗氐拈L(zhǎng)度和拖車的速度實(shí)際上對(duì)船模的尺度和速度有一定的限制。船模每次試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)拖車并加速到規(guī)定的試驗(yàn)速度，需要經(jīng)過(guò)一段加速距離。然后進(jìn)入勻速段，測(cè)量和記錄船模的阻力和速度。最后拖車開(kāi)始減速直至停止，需要留有一段減速距離。顯然水池的長(zhǎng)度大于這三段距離之和。船模速度越高，則各段的距離相應(yīng)亦要增加，特別是勻速段距離越長(zhǎng)，越易于進(jìn)行測(cè)量和記錄。正常情況下，船模阻力試驗(yàn)應(yīng)保證雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)同時(shí)相等，其中；。則可推導(dǎo)出：。對(duì)于實(shí)船和船模來(lái)說(shuō)：→。其中：；，則。所以由上述推導(dǎo)可知保證雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)同時(shí)相等是不可能實(shí)現(xiàn)的。則船舶阻力試驗(yàn)是在保持傅汝德數(shù)相同的條件下進(jìn)行的，但是雷諾數(shù)，并且在船模首部5%處安裝激流裝置，才能滿足船模邊界層中的水流處于紊流狀態(tài)，否則船模阻力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)因?yàn)閷恿鞯挠绊懚豢赡苷_地?fù)Q算到實(shí)際船舶的總阻力，所以船模的試驗(yàn)速度與縮尺比的平方根成反比。當(dāng)船模阻力試驗(yàn)池的長(zhǎng)度、速度受到限制時(shí)往往只有通過(guò)增大縮尺比，減小船模尺度和速度來(lái)進(jìn)行拖曳試驗(yàn)。此外，試驗(yàn)池的寬度和深度也應(yīng)以減少池壁和池底對(duì)船模試驗(yàn)的影響為依據(jù)，即池壁干擾作用不致過(guò)大，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。所以長(zhǎng)度較大的船模阻力試驗(yàn)池的池寬和池深也要相應(yīng)增大。有不少試驗(yàn)池也具有假底設(shè)備，池底與水面的距離可以調(diào)節(jié)，因此可做淺水船模試驗(yàn)。如果在假底上再臨時(shí)搭建有邊壁，則可以進(jìn)行限制航道中的阻力試驗(yàn)。近年來(lái)，為了進(jìn)行淺水航道船模試驗(yàn)，亦有將試驗(yàn)池的水而放低，同時(shí)阻力儀等測(cè)量?jī)x器也相應(yīng)下降來(lái)做試驗(yàn)的，也有建造專門的淺水試驗(yàn)池供進(jìn)行限制航道船模試驗(yàn)之用。船模阻力試驗(yàn)池池體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般為矩形。在兩邊池壁上鋪設(shè)軌道，拖車在軌道上行走。拖車由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖曳船模進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)拖曳速度實(shí)行自動(dòng)控制，保持速度精度0.3‰～1‰。試驗(yàn)池橫剖面面積（池寬×水深）應(yīng)超過(guò)船模水線以下中央橫剖面面積250倍,池壁效應(yīng)方可忽略不計(jì)。試驗(yàn)池長(zhǎng)度根據(jù)拖車最高速度而定，包括拖車的加速段、等速段和減速段的距離。為模擬淺水航行，池底要平坦，水深可調(diào)節(jié)。在水池的一端裝有可在水池中產(chǎn)生規(guī)則和不規(guī)則長(zhǎng)峰波的造波機(jī)。通過(guò)測(cè)量船模在波浪中的縱向迎隨波浪運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，可研究船模的耐波性能。二、船模阻力試驗(yàn)的試驗(yàn)方法1.船模制作：根據(jù)實(shí)船的主尺度和線型圖按選定的縮尺比繪制船模加工圖，經(jīng)過(guò)木板的下料、膠合、切削、加工和油漆等各種工序，制作成表面光滑，符合精度要求的船模。并在船模外表面兩側(cè)首、中、尾畫出吃水標(biāo)志。2.加裝激流絲：為了避免在層流狀態(tài)中做船模試驗(yàn)，須采用激流措施。離船模艏柱后為船艏柱和艉柱之間的長(zhǎng)度處沿船體外表面安裝直徑1mm的金屬絲來(lái)激流。3.稱重：根據(jù)實(shí)船的排水量按縮尺比計(jì)算相應(yīng)的船模排水量，并進(jìn)行稱重。在空船模內(nèi)部加壓鐵，使稱得的重量恰為試驗(yàn)所要求的船模排水量。4.調(diào)整船模的浮態(tài)：將船模吊放在水池中，在船模內(nèi)橫向和縱向移動(dòng)壓鐵，使船模兩側(cè)的首、中、尾吃水符合要求。5.檢查測(cè)試儀器是否正常，擦干凈水池兩側(cè)的軌道表面，用刮水板清除池水表面的浮塵。6.安裝：使船模的中縱剖面與前進(jìn)方向一致。將阻力儀與船模內(nèi)底部的金屬板用螺絲剛性連接，同時(shí)要注意測(cè)力點(diǎn)應(yīng)位于船模的中縱剖面內(nèi)。然后將拖車上的導(dǎo)航桿與船模相連。在試驗(yàn)過(guò)程中，導(dǎo)航桿只用于限制船模的橫向運(yùn)動(dòng)，并不影響進(jìn)退、縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)。7.測(cè)量水池中水的溫度，以便查得該溫度時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。8.根據(jù)實(shí)船要求的試航速度和縮尺比，算出相應(yīng)的船模速度，并制定需要試驗(yàn)的10～15個(gè)船模速度，其中2～3個(gè)船模速度應(yīng)大于試航速度，其余則低于試航速度。10～15個(gè)試驗(yàn)的船模速度間隔應(yīng)分配均勻。9.在上述各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒后，即可進(jìn)行船模阻力的拖曳試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，拖車及船模位于船模阻力試驗(yàn)水池的起始一端，拖車的夾緊裝置夾牢船模上的剎車板。根據(jù)預(yù)定的船模速度，啟動(dòng)拖車，拖車帶動(dòng)夾緊的船模一起作加速運(yùn)動(dòng)。待拖車達(dá)到要求的速度時(shí)，松開(kāi)拖車的夾緊裝置，此時(shí)船模在阻力儀的帶動(dòng)下以速度前進(jìn)。由測(cè)速裝置及阻力儀同時(shí)開(kāi)始記錄船模的速度及遭受的水阻力，數(shù)據(jù)記錄的持續(xù)時(shí)間通常在20秒左右。記錄完畢后，拖車的夾緊裝置夾牢船模作減速運(yùn)動(dòng)。拖車停止后即返回水池的起始一端，完成了一個(gè)預(yù)定速度的阻力試驗(yàn)。待水池中的水表面比較平靜后開(kāi)始下一個(gè)預(yù)定速度的阻力試驗(yàn)。依次進(jìn)行10～15個(gè)速度的試驗(yàn)，便完成了船模的整個(gè)阻力試驗(yàn)。三、船模阻力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量方法及試驗(yàn)測(cè)量裝置所謂測(cè)量，就是用實(shí)驗(yàn)的方法，把被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定兩者之間的比值，從而得到被測(cè)量的量值。使被測(cè)量直接與選用的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或者用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，從而直接求得被測(cè)量數(shù)值的測(cè)量方法，稱為直接測(cè)量法；通過(guò)直接測(cè)量與被測(cè)量有某種確定的函數(shù)關(guān)系的其他各個(gè)變量，然后將所得的數(shù)值帶入函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，從而求得被測(cè)量數(shù)值的方法，稱為間接測(cè)量法；測(cè)量中使各個(gè)未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接測(cè)量或者間接測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)求解聯(lián)立方程組以求得未知量的數(shù)值，稱為組合測(cè)量。船模阻力試驗(yàn)要求測(cè)量和記錄的主要物理量有船模速度、船模阻力、船模縱傾角、重心升沉和浸濕長(zhǎng)度等。1.船模速度測(cè)量。根據(jù)實(shí)船長(zhǎng)度、速度范圍和模型尺度按傅汝德數(shù)相似的原則，確定船模的試驗(yàn)速度范圍。然后在不同的速度下進(jìn)行拖曳試驗(yàn)。待拖車速度達(dá)到穩(wěn)定勻速時(shí)即可進(jìn)行速度和阻力的記錄。船模速度就是拖車速度，具體方法通常由測(cè)速裝置測(cè)定船模速度，拖車行駛的距離由記錄測(cè)速輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定距離的脈沖得到，時(shí)間由繼電器記錄每秒鐘時(shí)間間隔的脈沖得到。由機(jī)械式測(cè)速輪得到距離記錄與相應(yīng)的時(shí)間記錄來(lái)計(jì)算船模速度。2.船模阻力的測(cè)量。由機(jī)械式阻力儀測(cè)定船模阻力。船模阻力記錄采用的儀器為機(jī)械式阻力儀如圖3所示，一般由彈簧或擺輪和砝碼等組成，砝碼平衡阻力的主要部分，其余則由彈簧或擺輪進(jìn)行測(cè)量。圖3機(jī)械式阻力儀機(jī)械式阻力儀的工作原理圖可見(jiàn)圖4。由圖4可知，圖2表示船模與擺秤式阻力儀的連接情況，有固定連接在一起的、、三輪子所責(zé)成的擺秤可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，拖曳船模的鋼絲通過(guò)導(dǎo)輪與輪相連接，輪上掛有砝碼盤。當(dāng)拖車作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船模阻力中的主要部分由砝碼盤上砝碼重量所平衡，小部分則由擺錘的偏移來(lái)平衡，而擺錘偏移的大小可以由連接輪和輪的鋼絲下端所裝有的記錄筆在記錄筒上記下擺秤的偏移角度求得。設(shè)船模在速度時(shí)航行的總阻力為；砝碼盤和砝碼的總重量為；擺錘重量為；、和分別為阻力儀同軸輪、、的半徑；為擺錘的中心到輪軸中心的距離；為擺錘的偏移角度。由力矩平衡原理得:由此，可以得到船模的阻力為。對(duì)于給定的阻力儀擺輪，只要已知砝碼的重量，并由記錄筒記錄下擺針的偏移，就可求得船模阻力的值。圖4機(jī)械式阻力儀的工作原理3.船?？v傾角和重心升沉的測(cè)量。船模航行過(guò)程中的縱傾角和上升或下沉的位移可以用如圖5所示的線繞式縱傾儀直接讀出來(lái)。、、、為定滑輪，首尾兩點(diǎn)通過(guò)鋼絲分別繞在動(dòng)滑輪的兩條槽中，且它們的端點(diǎn)均超過(guò)它本身切點(diǎn)的周長(zhǎng)處。當(dāng)船模產(chǎn)生縱傾時(shí)，帶動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，指針?biāo)窘嵌燃礊榭v傾角。當(dāng)船模同時(shí)伴隨著升沉?xí)r，輪的上下位移由指針讀出，此即為船模航行時(shí)的升沉位移值。圖5線繞式縱傾儀工作原理圖4.浸濕面積和濕長(zhǎng)度的確定。排水式船舶由于航行中航態(tài)變化小，所以認(rèn)為浸濕面積和濕長(zhǎng)度與靜浮狀態(tài)相同。但對(duì)于滑行艇，其濕長(zhǎng)度和濕表面積將隨拖曳速度而變化。因此，對(duì)于每一拖曳速度，通過(guò)攝影、攝像或其他方法得到艇體與水的接觸部位，進(jìn)而確定浸濕面積和濕長(zhǎng)度。對(duì)于每一狀態(tài)的阻力試驗(yàn)應(yīng)保持一定的試驗(yàn)點(diǎn)，且要均勻分布。船模阻力試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果都是以速度之間的關(guān)系來(lái)表示。如阻力-速度曲線、航行縱傾角-速度曲線等。最后，要根據(jù)測(cè)量所得的10～15個(gè)船模試驗(yàn)速度及對(duì)應(yīng)的阻力，以代，為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)繪制船模阻力曲線如圖6所示。圖6船模阻力曲線圖一般說(shuō)來(lái)，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以連成光順的曲線，如果出現(xiàn)某一試驗(yàn)點(diǎn)遠(yuǎn)離光順曲線的異常情況，則應(yīng)對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)并查明原因。四、船模阻力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法船模阻力試驗(yàn)的目的是把通過(guò)模型試驗(yàn)得到的船模阻力值換算到實(shí)船的靜水總阻力。世界各國(guó)船模試驗(yàn)池普遍采用兩種方法——二因次法和三因次法進(jìn)行換算。1.二因次換算法——又稱傅汝德?lián)Q算法船模與實(shí)船不能同時(shí)滿足雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)相等，所以船模阻力試驗(yàn)實(shí)際上僅僅在保持傅汝德數(shù)相等的情況下進(jìn)行的。為了能從船模試驗(yàn)結(jié)果求得實(shí)船的阻力，傅汝德做出了下列假定：（1）假定船體總阻力可以分為獨(dú)立的兩部分。一部分為摩擦阻力，只與雷諾數(shù)有關(guān)；另一部分為粘壓阻力與興波阻力合并后的剩余阻力，只與傅汝德數(shù)有關(guān)，且適用于傅汝德比較定律。（2）假定船體的摩擦阻力等于同速度、同長(zhǎng)度、同濕面積的平板摩擦阻力。則實(shí)際船舶的總阻力；由流體力學(xué)的知識(shí)-傅汝德比較定律得：，則。模型船的剩余阻力，且。最后就由船模阻力試驗(yàn)測(cè)得的船模阻力計(jì)算出實(shí)際船舶的總阻力為：其中：實(shí)船的摩擦阻力；模型船的摩擦阻力；ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)，??；為船模和實(shí)船之間的縮尺比。因?yàn)槭褂枚虼畏ㄟM(jìn)行船模和實(shí)船的阻力換算時(shí)，粘壓阻力在總阻力中在的比重其實(shí)是較小的，且粘壓阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系不大，所以可以被近似地認(rèn)為常數(shù)，再加以ΔCf粗糙度補(bǔ)貼，在一定范圍內(nèi)尚能比較準(zhǔn)確地滿足工程上的需要。2.三因次換算法——又稱（1+k）法（1+k）法的基本思想：（1）粘壓阻力與摩擦阻力合并為粘性阻力并與雷諾數(shù)有關(guān)。（2）興波阻力與傅汝德數(shù)有關(guān)。（3）認(rèn)為粘壓阻力系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)之比為一常數(shù)k，即，式中k為形狀系數(shù)；1+k為形狀因子，僅與船體形狀有關(guān)。則可得出使用三因次法由船模阻力試驗(yàn)測(cè)得的船模阻力計(jì)算出實(shí)際船舶的總阻力的計(jì)算公式為：。其中：采用1957年國(guó)際船模拖曳試驗(yàn)池會(huì)議——ITTC會(huì)議的計(jì)算公式，可以分別計(jì)算船模的摩擦阻力和實(shí)船的摩擦阻力；。上述計(jì)算的總阻力是指實(shí)船裸船體所遭受的水阻力，因此尚需考慮附體（般龍骨、軸支架等)阻力和船體水線以上的空氣阻力。對(duì)于普通船舶，兩者約為裸體總阻力的4%左右。故實(shí)船在靜水和靜止空氣中所遭受的阻力為：五、船模阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度分析通過(guò)上述的二因次法和三因次法可以由船模阻力試驗(yàn)測(cè)得的船模阻力計(jì)算出實(shí)際船舶的總阻力，但是經(jīng)過(guò)船模阻力試驗(yàn)測(cè)量出的數(shù)據(jù)換算得到的實(shí)際船舶的總阻力和試驗(yàn)本身的一些影響因素也有關(guān)系，如：（1）池壁影響；（2）拖車速度（加速度、平穩(wěn)度）；（3）軌道平直；（4）消波（拖車開(kāi)過(guò)后，要等一段時(shí)間，等水平靜后再開(kāi)）；（5）測(cè)量?jī)x器本身的誤差。測(cè)量中的不確定度表示用測(cè)量值代表被測(cè)量真值是的不肯定程度，是對(duì)被測(cè)量的真值以多大可能性處于測(cè)量值所決定的的某個(gè)范圍之內(nèi)的一個(gè)估計(jì)，以一定概率包含真值，它反映對(duì)測(cè)量值認(rèn)識(shí)的不足，與測(cè)量原理、方法、條件和儀器有著密切的聯(lián)系。不確定度小，測(cè)量結(jié)果精確度高。船模阻力試驗(yàn)的不確定度分析最終以給出總阻力系數(shù)和剩余阻力系數(shù)的不確定度為目標(biāo)，影響阻力系數(shù)測(cè)量精度的因素有許多，如船體形狀（船模長(zhǎng)度等）、拖車速度、拖曳阻力、水溫T、水密度、運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)等，它們的不確定度評(píng)定過(guò)程如圖6所示。圖6船模阻力試驗(yàn)不確定度分析過(guò)程測(cè)量結(jié)果總誤差由兩種成分組成：精度誤差（隨機(jī)的）和偏差（系統(tǒng)的）。對(duì)于精度誤差的不確定度估計(jì)稱為精度限，對(duì)偏差的不確定度估計(jì)稱為偏差限.將偏差限與精度限采用求平方和的根的方法結(jié)合起來(lái)，就可以得到試驗(yàn)結(jié)果在95%可靠性水平上的總不確定度。1.摩擦阻力系數(shù)的不確定度其偏差限可以按照下式計(jì)算：其中：；；。2.傅汝德數(shù)的不確定度其偏差限可以按照下式計(jì)算：其中：；由于重力加速度的偏差限很微小，可近似認(rèn)為，其對(duì)傅汝德數(shù)的影響可以被忽略，則傅汝德數(shù)的不確定度就可以按照船模阻力試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。3.剩余阻力系數(shù)的不確定度剩余阻力系數(shù)在船模阻力試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)船的過(guò)程中起著重要作用，因此剩余阻力系數(shù)的不確定度是船模阻力拖曳試驗(yàn)不確定