船模阻力試驗(yàn)船舶阻力和推進(jìn)

第五章船模阻力實(shí)驗(yàn)船模實(shí)驗(yàn)是研究船舶阻力最普遍的辦法，現(xiàn)在有關(guān)船舶阻力方面的知識(shí)，特別是提供設(shè)計(jì)應(yīng)用的優(yōu)良船型資料及估算阻力的經(jīng)驗(yàn)公式和圖譜絕大多數(shù)是由船模實(shí)驗(yàn)成果得來的。新的理論的發(fā)展和新船的設(shè)計(jì)與否能得到預(yù)期的效果都需要由船模實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。而理論分析的進(jìn)一步發(fā)展，又為船型設(shè)計(jì)和船模實(shí)驗(yàn)提供更為豐富的內(nèi)容，以及指出改善的方向。因此船模實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行船舶性能研究的重要構(gòu)成部分。本章先對(duì)船模實(shí)驗(yàn)池和船模阻力實(shí)驗(yàn)作一簡(jiǎn)要介紹，然后分別從設(shè)計(jì)和研究觀點(diǎn)來討論體現(xiàn)船模阻力數(shù)據(jù)的辦法?！?-1拖曳實(shí)驗(yàn)根據(jù)、設(shè)備和辦法船模實(shí)驗(yàn)是研究船舶阻力性能的重要辦法。因此需要理解船模阻力實(shí)驗(yàn)的根據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和具體的實(shí)驗(yàn)辦法。一、船模阻力實(shí)驗(yàn)的根據(jù)由§1-2的阻力相似定律指出：如能使船模和實(shí)船實(shí)現(xiàn)全相似，即船模和實(shí)船同時(shí)滿足Re和Fr數(shù)相等，則可由船模實(shí)驗(yàn)成果直接獲得實(shí)船的總阻力系數(shù)?！?-4中已敘述船模和實(shí)船難以實(shí)現(xiàn)全相似條件。根據(jù)現(xiàn)實(shí)可能性，也不能實(shí)現(xiàn)船模和實(shí)船單一的粘性相似，即保持Re相等，這是由于，如要使Rem=Res，則必有：υmLm/vm=υsLs/vs即υm=αυsvm/vs(5-1)式中，α為船?？s尺比。由于船模和實(shí)船的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)兩者數(shù)值相近，如假定vm=vs，則(5-1)式為：υm=αυs(5-2)由于船模均要比實(shí)船縮小幾十倍以上，因而規(guī)定船模的速度較實(shí)船速度大幾十倍，甚至達(dá)成超音速狀況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此船模阻力實(shí)驗(yàn)，對(duì)水面船舶來說，事實(shí)上就是在滿足重力相似條件下(保持Fr數(shù)相等)進(jìn)行的。由于是在部分相似條件下所得的船模阻力值，因此必需借助于某些假設(shè)，諸如傅汝德假定，休斯假定等才干換算得到對(duì)應(yīng)的實(shí)船總阻力。二、船模實(shí)驗(yàn)池船模實(shí)驗(yàn)池是進(jìn)行船舶性能研究和某些構(gòu)造、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)施，因而世界各國均普遍建造了多個(gè)船模實(shí)驗(yàn)池。普通的船模實(shí)驗(yàn)池，其重要任務(wù)是進(jìn)行船舶模型的拖曳、自航及適航性等實(shí)驗(yàn)。水池狹而長，配備有拖動(dòng)設(shè)備和測(cè)量儀器以測(cè)得船模在不同速度下的阻力值。為了避免海水的腐蝕作用，實(shí)驗(yàn)池的水都采用淡水。為了提高船模實(shí)驗(yàn)的精確性，使能對(duì)較大尺度船模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并能更廣泛地進(jìn)行船舶性能、強(qiáng)度和振動(dòng)等多方面的實(shí)驗(yàn)研究，普通需要建立拖車式船模實(shí)驗(yàn)池。船模實(shí)驗(yàn)池的尺度重要由船模的大小和速度而定。另外，還與拖曳設(shè)備的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)的規(guī)定等有關(guān)，由于水池的長度和拖車的速度事實(shí)上對(duì)船模的尺度和速度有一定的限制。船模每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)拖車并加速到所需的實(shí)驗(yàn)速度，需要通過一段距離，然后進(jìn)入勻速段，測(cè)量和統(tǒng)計(jì)船模的阻力和速度，最后拖車開始減速直至停止，需要留有一段減速距離。顯然水池的長度應(yīng)不不大于這三段距離之和。船模速度越高，則各段的距離對(duì)應(yīng)亦要增加，特別是勻速段距離越長，越易于進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)是在保持Fr數(shù)相似的條件下進(jìn)行的，因此船模的實(shí)驗(yàn)速度與縮尺比的平方根成反比。當(dāng)船池的長度、速度受到限制時(shí)往往只有通過增大縮尺比，減小船模尺度和速度來進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)。另外，船池的寬度和深度也應(yīng)以減少池壁和池底對(duì)船模實(shí)驗(yàn)的影響為根據(jù)，即池壁干擾作用不致過大，以確保明驗(yàn)的精確性。因此長度較大的船模實(shí)驗(yàn)池其池寬和池深也要對(duì)應(yīng)增大。有不少船模實(shí)驗(yàn)池含有假底設(shè)備，池底與水面的距離能夠調(diào)節(jié)，因此可作淺水船模實(shí)驗(yàn)。如果在假底上再建造邊壁，則就能夠進(jìn)行限制航道中的阻力實(shí)驗(yàn)。近年來，為了進(jìn)行限制航道船模實(shí)驗(yàn)，亦有將實(shí)驗(yàn)池的水面放低，同時(shí)阻力儀也對(duì)應(yīng)下降來做實(shí)驗(yàn)的。也有建造專門的淺水實(shí)驗(yàn)池供進(jìn)行限制航道船模實(shí)驗(yàn)之用。船模實(shí)驗(yàn)池按照拖曳船模的方式可分為拖車式和重力式兩種。1．拖車式船模實(shí)驗(yàn)池圖5-1圖5-1拖車式船模實(shí)驗(yàn)池示意圖拖車式船模實(shí)驗(yàn)池的優(yōu)點(diǎn)是：能夠采用較大尺度的船模，因此尺度效應(yīng)較小，實(shí)驗(yàn)成果的精確性較高；另首先，拖車式船池能進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)，除了船模阻力實(shí)驗(yàn)外，還能夠進(jìn)行下列諸方面的實(shí)驗(yàn)研究：(1)測(cè)量和觀察船體表面的流動(dòng)狀況，這對(duì)于船體線型設(shè)計(jì)和附體布置是很有價(jià)值的；(2)船舶推動(dòng)方面的實(shí)驗(yàn)，如螺旋槳模型的敞水實(shí)驗(yàn)、船模自航實(shí)驗(yàn)以及進(jìn)行船體與螺旋槳的互相作用問題的研究等；(3)船舶耐波性方面的實(shí)驗(yàn)，重要研究船模在波浪上的運(yùn)動(dòng)和航行狀態(tài)；(4)操縱性方面的實(shí)驗(yàn)；(5)強(qiáng)度和振動(dòng)方面的實(shí)驗(yàn)。2．重力式船模實(shí)驗(yàn)池圖5-2圖5-2重力式船模實(shí)驗(yàn)池示意圖rr重錘A主動(dòng)輪拖繩重錘B隨動(dòng)輪鉸支主動(dòng)輪鼓筒重力式船模實(shí)驗(yàn)池的優(yōu)點(diǎn)是：水池小，設(shè)備簡(jiǎn)樸，建造成本低，并含有一定的精確性。其局限性之處是：船模尺度小，尺度效應(yīng)大，因此在一定程度上使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受到限制，并且將影響實(shí)驗(yàn)成果的精確性，另外也不便于觀察船模的運(yùn)動(dòng)和水流狀況等。三、船模阻力實(shí)驗(yàn)辦法和內(nèi)容如前所述，船模阻力實(shí)驗(yàn)是將實(shí)船按一定的縮尺比制成幾何相似的船模，在滿足Fr數(shù)相等的條件下，在船池中拖曳以測(cè)得船模阻力與速度之間的關(guān)系。1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備為了進(jìn)行阻力拖曳實(shí)驗(yàn)，必須進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作：首先按一定規(guī)定制作實(shí)驗(yàn)用的船模。船模的縮尺比根據(jù)水池的長度、拖車最高速度以及實(shí)船的尺度和航速來擬定。船模線型要與實(shí)船保持幾何相似，表面必須光潔，滿足一定的加工精度。船模所使用的材料普通有蠟質(zhì)和木質(zhì)兩種。木質(zhì)船模不易變形并能夠保存。對(duì)于某些重要的和實(shí)驗(yàn)周期較長的模型，采用木模為宜，但其加工困難，時(shí)間長，成本高；而蠟?zāi)＜庸し奖?，時(shí)間短，便于改型，且石蠟又可重復(fù)使用，唯在夏季氣溫較高時(shí)容易變形。另首先，船模在實(shí)驗(yàn)前要安裝人工激流裝置，普通用細(xì)金屬絲縛在船模的9站處，則在細(xì)金屬絲后來的邊界層中產(chǎn)生紊流，這細(xì)金屬絲稱為激流絲。船模安裝激流絲后，進(jìn)行稱重工作。精確地秤量船模重量和壓載重量，以達(dá)成按船模縮尺比規(guī)定的實(shí)船對(duì)應(yīng)的排水量。最后通過調(diào)節(jié)壓載位置使船模沒有橫傾，首尾吃水滿足所規(guī)定的吃水狀況。2．阻力實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)完畢上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，能夠進(jìn)行船模拖曳實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)規(guī)定測(cè)量和統(tǒng)計(jì)的重要物理量有船模速度、船模阻力、船?？v傾角、重心升沉和浸濕長度等，這些量的測(cè)量辦法介紹以下：(1)船模速度統(tǒng)計(jì)：根據(jù)實(shí)船長度、航速范疇和模型尺度按Fr數(shù)相似的原則，擬定船模的速度范疇，然后在不同的速度下進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)。船模速度就是拖車速度。具體辦法有由機(jī)械式測(cè)速輪得到距離統(tǒng)計(jì)與對(duì)應(yīng)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)來計(jì)算船模速度，或應(yīng)用光電管原理，通過數(shù)字統(tǒng)計(jì)器直接讀出船模速度。(2)船模阻力的測(cè)量：阻力測(cè)量與速度統(tǒng)計(jì)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。船模阻力可由專門儀器，即阻力儀測(cè)得。阻力儀有機(jī)械式和電測(cè)式兩類。圖5-3為機(jī)械式阻力儀的原理圖。由圖可知，當(dāng)拖車作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船模阻力Rtm中的重要部分由砝碼盤上的砝碼重量W所平衡，而剩余部分則由擺錘p的偏移來平衡。由力矩平衡原理得：W·rB±plpsinθ=Rtm·rA由此得船模阻力圖5-3機(jī)械式阻力儀原理其中，rA和rB分別為阻力儀同軸輪A和B的半徑；lp為擺錘p到輪中心的距離；圖5-3機(jī)械式阻力儀原理因此對(duì)于給定的阻力儀擺輪，只要已知砝碼的重量W，并由統(tǒng)計(jì)筒統(tǒng)計(jì)下擺針的偏移，就可求得船模阻力Rtm值。上述是機(jī)械式阻力儀的原理，但具體的構(gòu)造形式能夠是各式各樣的。電測(cè)式阻力儀的基本原理是通過測(cè)定并統(tǒng)計(jì)傳感器在受到阻力狀況下的變化信號(hào)，然后根據(jù)傳感器受力大小與其對(duì)應(yīng)的變化信號(hào)間的標(biāo)定關(guān)系來換算得對(duì)應(yīng)的阻力值。電測(cè)式阻力儀統(tǒng)計(jì)測(cè)量方便，便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解決。但周邊環(huán)境對(duì)統(tǒng)計(jì)儀的影響較大，因而其精確性并不比機(jī)械式阻力儀高。(3)船?？v傾角和重心升沉的測(cè)量：能夠用縱傾儀或?qū)ｉT用來測(cè)量船模運(yùn)動(dòng)的儀器來測(cè)量船?？v傾角和升沉。(4)浸濕面積和濕長度的擬定：普通對(duì)排水式船舶由于航行中航態(tài)變化小，因此認(rèn)為浸濕面積和濕長度與靜浮狀態(tài)下完全相似。但對(duì)于滑行艇，其濕長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，能夠通過目測(cè)、攝影或攝像得到。另外，船體表面的流線測(cè)定也是船模阻力實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容之一。流線實(shí)驗(yàn)的目的是為了使附體能按照流線的方向安裝以盡量減少附體阻力；同時(shí)通過對(duì)流線的分析以尋找改善阻力性能的辦法。我國某些水池采用在船模上涂油漆的辦法或安裝絲線辦法來進(jìn)行流線實(shí)驗(yàn)。圖5-4是流線實(shí)驗(yàn)所得的一種例子。圖5-圖5-4船模流線實(shí)驗(yàn)成果船模阻力實(shí)驗(yàn)的重要目的是由實(shí)驗(yàn)所得的船模阻力換算得到實(shí)船的靜水總阻力或有效功率值。具體的換算辦法有兩種：一是基于傅汝德假定的傅汝德?lián)Q算法；另一是根據(jù)休斯提出的三因次換算法或稱為(1+k)法。前者在§1-4中已作具體敘述，即由模型實(shí)驗(yàn)測(cè)得船?？傋枇螅瑢?shí)船總阻力或總阻力系數(shù)可按(1-25)和(1-26)式換算得到。三因次換算法如在§2-8中所述，對(duì)應(yīng)速度下的實(shí)船總阻力系數(shù)可按(2-49)式換算得到。這兩種換算辦法均可列表進(jìn)行?！?-2船模阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法由船模阻力實(shí)驗(yàn)可得到船模阻力與速度之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而通過阻力換算得到實(shí)船的阻力和有效功率曲線。但為了對(duì)所設(shè)計(jì)的船舶能更方便地進(jìn)行船體阻力換算以及不同船型之間比較阻力性能的優(yōu)劣，需要將由船模實(shí)驗(yàn)所得的阻力(或功率)與速度之間的關(guān)系，以一定的參數(shù)、恰當(dāng)?shù)男问絹眢w現(xiàn)，這稱為船模數(shù)據(jù)體現(xiàn)法。一、體現(xiàn)法的目的和規(guī)定船模阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法的目的有下列兩方面：一是船體阻力換算。這是指船型相似，而大小不同的船舶之間的阻力換算。顯然按不同縮尺比均可由船模阻力資料換算得各大小不同船舶的阻力值。另一是比較船型阻力性能之優(yōu)劣。這是指船型不同，但大小相似或相近的船舶之間阻力性能優(yōu)劣的鑒別。現(xiàn)在，盡管對(duì)船模數(shù)據(jù)體現(xiàn)尚未獲得一致意見，因而國際船模實(shí)驗(yàn)池會(huì)議還不能推薦一種能被大家所共同接受的體現(xiàn)辦法，但為了達(dá)成上述目的，傾向性的意見認(rèn)為恰當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)法應(yīng)含有的幾個(gè)基本規(guī)定是明確的：(1)無量綱化。為了含有普遍意義，體現(xiàn)式常采用無量綱形式表達(dá)。這樣既避免絕對(duì)尺度對(duì)阻力值的影響，同時(shí)所示的各參數(shù)的數(shù)值在任何單位系統(tǒng)中都是相似的。(2)選定Fr數(shù)或類似形式作速度參數(shù)。由于船體總阻力是Re和Fr數(shù)的函數(shù)，且按傅汝德假定認(rèn)為：Rt=Rf(Re)+Rr(Fr)由于船型變化對(duì)Rr影響明顯，而對(duì)Rf影響不大，考慮到體現(xiàn)法的目的之一在于比較不同船型的阻力性能，因而取Fr作為速度參數(shù)為宜。而只有在討論某些與摩擦阻力有關(guān)的問題時(shí)，才取Re作速度參數(shù)。(3)阻力與速度之間的函數(shù)形式既要便于進(jìn)行阻力換算，又要能夠比較不同船型的阻力性能的優(yōu)劣。那種難以進(jìn)行船型阻力性能比較的體現(xiàn)法并不能被廣泛應(yīng)用。二、介紹兩種阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法由于應(yīng)用的直接目的不同，因而船模阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法的形式諸多，這里介紹兩種應(yīng)用較為廣泛的體現(xiàn)法。1．泰洛體現(xiàn)法及其換算關(guān)系這種體現(xiàn)法應(yīng)用比較普遍。其速度參數(shù)采用Fr數(shù)(亦有用V/)，阻力是用單位排水量總阻力Rt/Δ或單位排水量剩余阻力Rr/Δ或Cr的形式體現(xiàn)。(1)Rr/Δ對(duì)Fr的體現(xiàn)形式當(dāng)船模數(shù)據(jù)已體現(xiàn)為Rrm/Δm與Fr的關(guān)系時(shí)，則換算到對(duì)應(yīng)的實(shí)船阻力和有效功率較為方便，由于實(shí)船有：Rts/Δs=Rfs/Δs+Rrs/Δs其中，單位排水量摩擦阻力Rfs/Δs可應(yīng)用平板摩擦阻力公式計(jì)算；而Rrs/Δs對(duì)于幾何相似的船和船模，在速度對(duì)應(yīng)時(shí)等于Rrm/Δm，即由給定的體現(xiàn)曲線直接得到。(2)Rt/Δ對(duì)Fr的體現(xiàn)形式如果船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Rtm/Δm對(duì)Fr形式表達(dá)，則換算實(shí)船狀況下的阻力體現(xiàn)關(guān)系由下列可得：由于Rts/Δs=Rfs/Δs+Rrs/Δs由比較定律知，在對(duì)應(yīng)速度時(shí)：Rrs/Δs=Rrm/Δm=Rtm/Δm-Rfm/Δm因此Rts/Δs=Rtm/Δm-(Rfm/Δm-Rfs/Δs)(5-3)又因同樣可得將該兩關(guān)系式代入(5-3)式，并考慮到對(duì)幾何相似的船模和實(shí)船必有：因此得到實(shí)船的阻力換算關(guān)系式：(5-4)由于阻力隨Fr數(shù)而快速增加，在實(shí)用上將縱坐標(biāo)以橫坐標(biāo)Fr數(shù)的平方除之，使作圖時(shí)比較方便，且可使波阻峰點(diǎn)和波阻谷點(diǎn)明顯。因而泰洛體現(xiàn)法中亦有用Rt/ΔFr2-Fr的形式表達(dá)，由(5-4)式可得對(duì)應(yīng)的實(shí)船換算關(guān)系為：(5-4a)顯然，(5-4)式及(5-4a)式中的第二項(xiàng)是由于實(shí)船和船模的Re不同引發(fā)的摩擦阻力系數(shù)的差別，亦即由尺度作用造成的，因此稱為摩擦阻力修正值。2．傅汝德圓圈系數(shù)體現(xiàn)法及其換算關(guān)系1988年傅汝德提出的體現(xiàn)法中給出了一系列無量綱系數(shù)，并且以圓圈系數(shù)的形式表達(dá)。這種系數(shù)形式的體現(xiàn)辦法即使重要在英國等某些國家仍有被采用，但由于歷史因素，特別是這種體現(xiàn)法比較全方面，因此有必要作簡(jiǎn)要介紹。傅汝德體現(xiàn)法中的圓圈系數(shù)有三種：第一種為體現(xiàn)船體幾何尺度的系數(shù)。用以表達(dá)無量綱化的線性尺度取排水體積的1/3次方，即1/3，而不是L。這些系數(shù)有：長度系數(shù)?=L/1/3，寬度系數(shù)?=B/1/3，吃水系數(shù)?=d/1/3以及濕表面積系數(shù)?=S/2/3等。對(duì)于船模和實(shí)船，對(duì)應(yīng)系數(shù)是必然相等的。第二種是速度體現(xiàn)系數(shù)。其有三種不同形式。其中除在第二章興波阻力中已有闡明的?外，尚有速度系數(shù)?，其定義為：船速υ與波長為1/3的波速之比，即?=(5-5)由?定義可知，對(duì)幾何相似船，在速度對(duì)應(yīng)時(shí)，它們的?值應(yīng)相等。另外，尚有速度系數(shù)?，其定義為船速υ與波長為L的波速之比，因此可表達(dá)為：?=第三種是阻力體現(xiàn)系數(shù)，有三種形式：總阻力系數(shù)?定義為：?=·1000/?2=(5-6)另外，有類似定義的摩擦阻力系數(shù)和剩余阻力系數(shù)分別為?=·1000/?2和?=·1000/?2。采用?形式的因素在于：如果直接用Rt/Δ對(duì)?的形式來體現(xiàn)的話，則在高速時(shí)的Rt/Δ將急劇增加，以致阻力曲線非常陡直，掩蓋了諸如興波阻力的峰谷等重要特性。因此傅汝德用?2除以Rt/Δ，并乘以1000，這樣既可顯示這些特性，又避免給出過小的阻力系數(shù)?？傋枇ο禂?shù)?和Ct=Rt/ρυ2S之形式不同，但都表達(dá)總阻力的特性。能夠證明兩者存在以下關(guān)系：?/×?或者?=×?(5-7)由此可見對(duì)幾何相似的實(shí)船和船模，它們的?與總阻力系數(shù)Ct成正比關(guān)系。根據(jù)上述給出的無量綱系數(shù)的定義，由模型實(shí)驗(yàn)所得船模阻力與速度的關(guān)系可用?m-?的形式來體現(xiàn)，但常見的是用已換算到船長為122m的?122對(duì)?的形式來體現(xiàn)，圖5-5為系列60模型的?曲線。圖圖5-5系列60的eq\o\ac(○,C)122-eq\o\ac(○,K)曲線??122由模型的?m-?關(guān)系曲線，能夠換算得實(shí)船的?s曲線。這是因阻力關(guān)系式為：Cts=Cfs+(Ctm-Cfm)+ΔCf=Ctm-(Cfm-Cfs-ΔCf)參考(5-7)式，以對(duì)應(yīng)的?值代入上式，則有：?s=?m-?(Cfm-Cfs-ΔCf)(5-8)對(duì)于給定?122對(duì)?的狀況，則有：?s=?122-?(Cf122-Cfs-ΔCf)(5-9)(5-8)式和(5-9)式中的第二項(xiàng)叫摩擦阻力修正值，同樣是由于尺度作用引發(fā)的。該兩式就是傅汝德體現(xiàn)法的實(shí)船與船模阻力換算關(guān)系式。3．比較不同船型的阻力性能在船舶設(shè)計(jì)過程中比較不同船型的優(yōu)劣時(shí)，應(yīng)首先把不同船型的阻力資料均換算到大小相似的船舶之阻力，然后在相似速度時(shí)比較單位排水量總阻力Rt/Δ的大小作為鑒別不同船型阻力性能優(yōu)劣的衡量原則。采用這種船型優(yōu)劣衡量原則重要考慮Rt/Δ，事實(shí)上體現(xiàn)了船舶的經(jīng)濟(jì)性。但由于尺度作用的影響，即使船型相似，但大小不同的船，它們的Rt/Δ值是不同的。因此，只有對(duì)大小相似的船，在相似速度下才干精確地鑒別船型的優(yōu)劣。根據(jù)上述船型衡量原則，因此對(duì)不同的阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法，具體的比較辦法亦不完全同樣。(1)傅汝德體現(xiàn)法比較阻力性能圖5-7eq\o\ac(○,C)122-eq\o\ac(○,K)比較船型阻力性能圖5-6eq\o\ac(○,C)-eq\o\ac(○,圖5-7eq\o\ac(○,C)122-eq\o\ac(○,K)比較船型阻力性能圖5-6eq\o\ac(○,C)-eq\o\ac(○,K)比較船型阻力性能(2)泰洛體現(xiàn)法比較阻力性能對(duì)于泰洛的Rt/Δ對(duì)Fr體現(xiàn)法只要換算到相似船長狀況下的對(duì)應(yīng)曲線，就能夠比較不同船型的阻力性能，這樣在相似Fr數(shù)時(shí)的阻力性能比較，事實(shí)上就是在速度相似狀況下對(duì)不同船型阻力性能的比較。若在設(shè)計(jì)時(shí)，如船長和速度已知，則在對(duì)應(yīng)的Fr數(shù)處繪一垂直線，即可得對(duì)應(yīng)于Rt/Δ最低的船型。如果用單位排水量剩余阻力Rr/Δ對(duì)Fr體現(xiàn)法比較不同船型的阻力時(shí)，同樣應(yīng)換算到相似船長狀況下進(jìn)行，在相似的Fr數(shù)，即在相似速度下獲得對(duì)應(yīng)于Rr/Δ最低的船型就是阻力能優(yōu)良的船型，由于當(dāng)船長一定時(shí)，船體形狀變化對(duì)濕面積影響不大，亦即對(duì)摩擦阻力影響不大，因此Rr/Δ最低就意味著單位排水量總阻力Rt/Δ最低。由上知，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)不同狀況能夠選用不同的體現(xiàn)法來比較不同船型的阻力性能。若在決定船型前船長L和船速V已擬定則可用泰洛體現(xiàn)法，而如果在排水量Δ和船速給定狀況下則選用傅汝德體現(xiàn)法較方便。應(yīng)當(dāng)指出，船模阻力數(shù)據(jù)體現(xiàn)法的形式諸多，但有些辦法并不恰當(dāng)，因其在相似的速度系數(shù)下并不能用來比較不同船型的單位排水量總阻力Rt/Δ的大小，亦即不能比較不同船型的阻力性能。常見的?122對(duì)V/體現(xiàn)法就是一例。這是由于：?∝∝(5-10)顯見除非參加比較的兩船L/Δ1/3相等，否則此種體現(xiàn)法不能用于比較不同船型的優(yōu)劣。也有將船模實(shí)驗(yàn)成果繪制成?122-?曲線，使各曲線的波阻峰點(diǎn)和波阻谷點(diǎn)可發(fā)生于同一橫坐標(biāo)上，但由于：?∝∝(5-11)因此除非兩船型的CpL/Δ1/3相等，否則此種體現(xiàn)法亦不能用于比較不同船型的優(yōu)劣。用?理論推測(cè)阻力曲線的波阻峰、谷點(diǎn)的大致位置時(shí)可相稱精確，但用作速度參數(shù)時(shí)應(yīng)注意對(duì)長度相等但棱形系數(shù)Cp有差別的兩船型來說，?相等并不表達(dá)兩船的速度相等；而只有當(dāng)兩船的CpL值相等時(shí)，則相似的?值才表達(dá)它們的速度相等?！?-3影響實(shí)驗(yàn)成果的因素船模實(shí)驗(yàn)成果表明：幾何相似的船模在不同的水池中所得實(shí)驗(yàn)成果往往并不一致；縮尺比不同的船模在同一水池的實(shí)驗(yàn)成果也不相似，從而使換算得的實(shí)船阻力亦將不同。造成這種狀況的因素是多方面的，需作具體分析。一、實(shí)驗(yàn)本身的某些影響因素首先，我們會(huì)想到由實(shí)驗(yàn)假設(shè)所引發(fā)的誤差。事實(shí)上，正如前面闡明的，這方面的誤差是不大的。另首先是由實(shí)驗(yàn)本身所引發(fā)的誤差，如水池壁面的干擾影響，但普通來說池壁對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的影響很小。這是由于水池的橫斷面尺度決定了船模的大小，普通認(rèn)為船模長度若不大于或等于水深，則可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)成果不受池底的影響；若船模最大橫截面不大于船池橫斷面的0.5%～1.0%，則認(rèn)為能夠避免阻塞效應(yīng)。也有人認(rèn)為池寬最少應(yīng)為船模寬度的15倍，水深為船模吃水的20倍以上，方可不考慮池壁的影響。由船池設(shè)備引發(fā)的實(shí)驗(yàn)誤差，能夠針對(duì)多個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)合理地?cái)M定其技術(shù)指標(biāo)，或者對(duì)其引發(fā)的實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行修正。如拖車和軌道系統(tǒng)，它本身是一種精密儀器，這是由于測(cè)量段對(duì)其平穩(wěn)度的規(guī)定很高。速度的波動(dòng)將引發(fā)阻力的對(duì)應(yīng)波動(dòng)，并且會(huì)在所測(cè)得的阻力數(shù)據(jù)中包含有慣性力，從而造成測(cè)量成果的誤差。普通認(rèn)為速度波動(dòng)應(yīng)不超出0.1%。假定在所實(shí)驗(yàn)的速度附近，阻力與拖曳速度的n次方成比例，即R∝υn，則有：這意味著阻力相對(duì)誤差為拖車速度相對(duì)誤差的n倍。若設(shè)n＝5，則速度波動(dòng)0.1%會(huì)造成阻力波動(dòng)0.5%。近年來也有人認(rèn)為加速度不應(yīng)超出10-4～10-5g。如果設(shè)阻力為排水量Δ的0.5%～1.0%，而加速度為10-4g，則慣性力F與阻力R之比為：(1~2)%普通說來，測(cè)量阻力的誤差規(guī)定在1%以內(nèi)，看來上述對(duì)速度平穩(wěn)度的規(guī)定都是合理的。因此滿足這種規(guī)定的實(shí)驗(yàn)本身誤差是能夠無視的。尚有一種方面，就是船模本身尺度不同所引發(fā)的誤差。由于船模尺度不同而引發(fā)實(shí)驗(yàn)成果不一致的現(xiàn)象，普通稱為尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)是造成實(shí)驗(yàn)成果有誤差的重要因素，這是本節(jié)要重點(diǎn)討論的問題。二、尺度效應(yīng)尺度效應(yīng)問題，即船模尺度不同引發(fā)實(shí)驗(yàn)成果的不一致，其因素亦是多方面的。船模實(shí)驗(yàn)并不滿足Re數(shù)相等的條件，如水面船只根據(jù)Fr數(shù)相等來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；潛艇水下狀態(tài)規(guī)定在不不大于臨界雷諾數(shù)的流態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同尺度的船模由于Re數(shù)不同，將造成其邊界層的流態(tài)有所不同，邊界層的相對(duì)厚度亦不同。另外船模的曲率不同亦影響到邊界層的厚度及速度分布。全部這些因素都會(huì)影響到船模的摩擦阻力。根據(jù)實(shí)際分析，邊界層流態(tài)不同是尺度效應(yīng)的重要因素。對(duì)于實(shí)船，其雷諾數(shù)Re很大，全長范疇內(nèi)的界層流態(tài)均可視為紊流；但對(duì)于船模，即使采用很大的尺度，其Re數(shù)與實(shí)船相比仍相差甚遠(yuǎn)，層流段相對(duì)長度大，界層內(nèi)流態(tài)與實(shí)船并不完全相似。事實(shí)上，根據(jù)Re數(shù)與Fr數(shù)之間的關(guān)系：Re若令ν＝1.0×l0-6，并粗略地取Rex＝υx/v＝5×l0-5，則當(dāng)Fr＝0.2和0.4時(shí)，不同長度船模的Re數(shù)及層流段相對(duì)長度列于下表：LL(m)Fr1.02.04.06.09.00.20Re×10-60.6261.775.009.2316.90×10079.8728.2510.05.403.000.40Re×10-61.2523.5310.018.5033.8×10039.9414.205.02.701.5表中所列數(shù)據(jù)表明，對(duì)于長度為2.0m下列的船模，其層流影響是相稱嚴(yán)重的，即使用6m的船模，其層流段長度仍很大。由表還可看出，F(xiàn)r數(shù)越低，層流的影響越明顯。即使這個(gè)計(jì)算不很嚴(yán)格，但表列數(shù)據(jù)能夠給我們以粗略印象?？梢?，對(duì)于船模來說，如果不采用方法，其摩擦阻力難以用任何平板公式作對(duì)的計(jì)算。這樣在阻力換算時(shí)，由船模實(shí)驗(yàn)測(cè)得的總阻力減去按紊流平板公式計(jì)算的摩擦阻力，求得的剩余阻力值必然偏低，最后求得的實(shí)船阻力也很難精確。有時(shí)由實(shí)驗(yàn)成果求得的剩余阻力甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值。這闡明船首部層流段的影響相稱明顯。人工激流法就是人為地使船模處在與實(shí)船相似的紊流狀態(tài)所采用的方法。其目的是消除船模首部層流段對(duì)阻力實(shí)驗(yàn)和換算精確性的影響。世界各國船模實(shí)驗(yàn)池曾經(jīng)采用的人工激流法重要有以下幾個(gè)：(1)表面粗糙激流法。在船模首柱處或9站處敷以砂粒或把表面弄粗糙，則邊界層中水流由于表面粗糙而產(chǎn)生紊流。(2)激流桿法。用一根或兩根小桿置于船模前面，小桿垂直于水面與船模一起邁進(jìn)，使小桿背面產(chǎn)生紊流，因此船模邊界層中也產(chǎn)生紊流，這小桿叫激流桿。(3)激流絲法。用細(xì)金屬絲縛在船模的9站上，此細(xì)金屬絲稱作激流絲。(4)小釘激流法，在船模首柱略后處，沿首柱曲線插入一列小釘，使船模邊界層中產(chǎn)生紊流?，F(xiàn)在各國普遍使用的是激流絲法。激流絲普通是直徑為1mm的銅絲，用小釘釘在首柱后1/20船優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用激流絲后，船模邊界層在激流絲前后明顯地分成層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)。假定激流絲本身所增加的阻力與9站前層流所減少的阻力互相抵消。因此應(yīng)用激流絲后的船模摩擦阻力可直接應(yīng)用紊流平板公式計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析表明，應(yīng)用激流絲后所得的阻力換算成果與實(shí)際狀況較符合。但有時(shí)對(duì)易于產(chǎn)生穩(wěn)定層流的低速船，僅在9站處裝置激流絲局限性以確保其后不再重新出現(xiàn)層流，因此在9站處需要進(jìn)行二次激流。船模尺度大易于制造精確，其阻力較大因而測(cè)量的相對(duì)誤差較小，更重要的是船模尺度大可達(dá)成較高的雷諾數(shù)，其尺度效應(yīng)較小。按魏特伯萊意見，船模實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)達(dá)成的最小Re數(shù)以下表：L/B＜55＞6＞8B/d＜2.5＞3＜2.5Re×10-52.5457.5顯然，船模愈瘦長、愈扁平則所需雷諾數(shù)愈大。激流絲效果還與船模尺度和形狀有關(guān)，對(duì)方形系數(shù)在0.55下列的高速艦船的6m船模而言，激流幾乎看不出效果；對(duì)于豐滿商船而言，激流效果受船首形狀影響很大。首柱傾斜，首型為明顯V形之船最易保持層流，故激流效果明顯。而對(duì)于垂直首柱，U形截面之船型則不易保持層流。若不進(jìn)行激流，在作比較實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會(huì)造成錯(cuò)誤的結(jié)論。若兩船其它設(shè)計(jì)參數(shù)均相似，僅一船首截面為V形，另一船首為U形，可能前者阻力低得多。兩者的阻力差別，甚至全部由于前者含有較大的層流面積所致。船模尺度過大也有不利之處。首先，其制造成本高，運(yùn)輸、壓載、調(diào)節(jié)縱傾都比較費(fèi)事，并且只有在較大的水池中應(yīng)用才干避免產(chǎn)生較嚴(yán)重的阻塞效應(yīng)。國際原則船模長度為6m，我國為照顧中小型水池作過3m標(biāo)模。在實(shí)際工作中船模小者為2m，大者為9m以上?！玖?xí)題】1．設(shè)水溫t=20℃時(shí)某船模剩余阻力實(shí)測(cè)值以下表。速度Vm，m/s0.51.01.52.0剩余阻力Rrm，kg0.080.330.821.85若實(shí)船L=77.0m，濕面積S=722m2，縮尺比α=25，試?yán)L制實(shí)船（海船，水溫t=10℃）的剩余阻力系數(shù)Crs與傅汝德數(shù)Fr的關(guān)系曲線。2．設(shè)某內(nèi)河船模型速度Vm=1.17m/s，F(xiàn)r=0.23，測(cè)得模型阻力Rtm=0.32kg。已知船模濕面積Sm=0.78m2，縮尺比為α=30，取粗糙度補(bǔ)貼△Cf=0.8×10-3，試求實(shí)船在相稱速度下的阻力