1、船舶性能试验技术全册配套最船舶性能试验技术全册配套最 完整精品课件完整精品课件1 船舶与海洋工程 性能试验技术 课程要求及教材 v掌握船舶与海洋工程模型试验的基本原理 v掌握常规试验的试验流程 v正确的处理分析常规试验的试验数据 v参考书目 船舶性能实验技术 俞湘三 海洋工程水动力学试验研究 杨建民 主要内容 1 概述及试验原理 2 误差分析 3 常用的测试仪器 4 船舶快速性试验 5 螺旋桨空泡试验/流场测量/ 6 耐波性、操纵性试验 7 海洋工程试验技术 第一讲 概述 一概述 概述 模型试验发展及试验规程 试验水池 试验模型 二实验技术理论基础-相似律 三模型试验设计 概述 试验类型 1.
2、模型试验 2.实物试验 模型试验对象 1.船模型试验 2.海洋工程模型试验 试验种类 1.水池试验:拖曳水池,耐波水池,悬臂水池,特种水池 2.风洞试验 3.水动试验 船 舶 的 种 类 1.常规运输船舶 2.高性能船 常规排水型船 动力增升船 模型试验 目的和意义 对于正确预报实际的海洋结构物水动力性能、 设计性能优良的海洋结构物，乃至促进船舶与 海洋工程发展都有着重要的意义。 模型试验发展 船舶工程水动力试验发展 19世纪60年代Froude首先提出用模型试验预 报实船的阻力，逐步建立了各种船舶模型试验 方法； 1932年成立了国际船模试验水池会议 International Towing
3、 Tank Conference)。 20世纪50年代耐波性试验取得了大的突破，研 究内容拓展到不规则波，包括不规则波中的船 舶的运动 失速 阻力增加 甲板上浪等 海洋工程试验技术的发展 20世纪50年代海洋石油的开采，原有的船舶模 型试验技术及相关设备已经不能满足要求， ITTC增加了海洋工程技术委员会 20世纪70年代开始建造专门的海洋平台实验室 -风浪流实验室 随着海洋资源开发的深入，深水海洋工程水池 建立，解决了部分水动力问题，但并没有全部 解决 未来 试验规程(1) CB*/Z 326-1982一般排水量船模阻力试验规程及结果的标准 表达形式 CB/T 346-1997螺旋桨模型敞水
4、试验方法 CB/T 347-1997一般排水型船船模单桨自航试验方法 CB/Z 239-1987一般排水量船模双桨自航试验方法 CB/T 3471-1992风、浪、流联合作用下浮式系统模型试验规 程 CB/T 3675-1995水面船模耐波性试验规程 CB*/Z 327-1982水面自航船模操纵性试验规程及其结果的标 准表达形式 试验规程(2) CB/Z 244-1988滑行艇船模阻力测试方法 CB/Z 246-1988自稳式水翼艇模型阻力试验规程 CB/Z 215-1987空泡水筒均流中螺旋桨模型试验规程 CB/Z 216-1987潜艇船模水下阻力、自航试验规 程 CB/Z 252-1988
5、潜艇自航模操纵性试验规程 CB/Z 268-2002潜艇操纵性水动力模型试验方法 试验水池 试验水池大致有以下分类：试验水池大致有以下分类： 其他 循环水槽 空泡水筒 风浪流水池 造波水池 耐波性水池 自航模回转水池 回转水池 操纵性水池 减压水池 高速水池 浅水池 深水池 拖曳水池 试验水池 702所 474147， 20m/s, 1965 1507.54.5, 4.5m/s, 1996 上海船研所 192404.5， 10m/s,1983 上海交大 11063， 6.0m/s, 1958 镇江船院 10063， 6.0m/s,2002 HUST 17564, 8.0m/s, 1977 60
6、5所 5106.55， 25m/s, 1985 长航科研所 16093， 8.0m/s, 1985 武汉理工 13210.20.2-2.0， 6.0m/s, 1985 华南理工 12084， 6.0m/s, 1985 中山大学 15661.3， 7.0m/s, 1974 大连理工 15674， 8.0m/s, 1984 哈船院 10873.5， 7.0m/s, 1988 天津大学 13063.5， 6.0m/s, 1986 拖曳水池主要用途是进行船模快速性试验。 水池的长度 mT LtvL aa v L 1max1 21 2 max ) 11 ( 2 1. 拖曳水池拖曳水池 中航605所拖曳水
7、池 水池最小允许横截面的确定 确定水池的最小宽度BT曲线 确定水池最小允许深度HT曲线 2.耐波性水池耐波性水池(长度要求，宽度要求长度要求，宽度要求) v耐波性试验中，舶模所受的水动力主要是惯 性为和重力。相对地，粘性力影响较小。 v可以只考虑船模与实船弗劳德数相等，不必 计及粘性力的影响。 v设计耐波性水池的宽度，必须满足船模到造 波机之间要保持足够距离，以避免船模的反 射波对造波装置有影响。 3.操纵性水池操纵性水池（约束船模试验（约束船模试验/自航船模试验）自航船模试验） v通过约束船模试验，可获得作用于船模上的 水动力系数，再通过对试验结果的分析，即 可获得各种机动下船舶运动状态和表
8、征操纵 性的特征参数。 v通过舶模或实船在某种机动下的自航试验， 可以直接测量出它的运动状态和表征操纵性 能的特征参数。 操纵性水池操纵性水池-旋臂水池旋臂水池 v水池呈圆形或长方形，水池的中央岛或水池中间某立 柱处有一悬臂装置，因而得名。模型装在距悬臂转轴 中心为R的悬臂位置上。使模型纵轴与半径为R的圆 周切线方向的夹角为,同时还可变动舵面与模型纵轴 之间的角度；和分别称为漂角和舵角。试验时,悬 臂以一定的角速度运动,强迫模型按一定回转半径、 一定的漂角和舵角作定常回转运动。通过测力装置测 定纵向力X、侧向力Y、力矩的值，从中扣去机械装 置的离心力后，即可由回归分析求得船舶在定常回转 时各种
9、与有关的力和力矩的线性和非线性导数。这 些导数是求解操纵运动方程式所需要的。 ， ， ， ， 4.循环水槽循环水槽 5.空泡水筒 6 海洋工程水池海洋工程水池 海洋工程水池要求可以模拟风、浪、流各种海洋环 境条件并能根据试验要求改变水深，水池的主要装备 一般有： v 可升降假底 v造波机 v消波装置 v造流系统 v造风系统 v大跨度XY拖车 大面积可升降假底False BottomFalse Bottom: 28m28m26m26m 0m 调节水深 Water Depth Adjustment Water Depth Adjustment 5m 双摇板造波机 造单方向传播的长峰波 Hydrau
10、lic Wave Generator 多单元造波机 造多方向长峰波、短峰波 消波系统 直喷式高压喷水 造流系统 造风系统 Wind generating systemWind generating system Vmax=Vmax=10m/s10m/s 定常风和风谱 Stable Wind and Wind Stable Wind and Wind SpectrumSpectrum 大跨度XYXY方向拖车 试验模型试验模型 v模型尺度确定 取决于试验内容和实验室的硬件条件(拖车的速度 和功率、水池的尺度、造波机能力等） v模型类型 蜡模 金属模 木模 玻璃钢 v模型精度 宽度和深度误差为 长度
11、误差：以6m模型为例一般为 卡板间隙不能超过 螺旋桨尺度要求 mm1 . 0 mm5 mm1 . 0 1 . 0 1 . 0 05. 0 mm mm mm 直径 弦长 厚度 船舶模型试验对水池的要求 1.水池中的水必须保持清洁。 2.每天试验前预拖一次，通常称之为“破水”。 3.一次试验完毕，要等水面基本平静后才能进行下 一次试验。 4.拖车轨道要经常保持清洁。应定期对导轨的直线 度和水平度进行检查和校正。 5.水池中的水温应定点、定深测量。 6.从开始到测试完毕，拖车上的人员应各就各位， 不能随意走动。 7.要随时检验试验质量。采用标准船模，按照标准 程序试验。 二、相似律二、相似律 1.几
12、何相似 2.运动相似 3. 动力相似 4. 无因次相似数 5. 船舶与海洋工程中的模型试验相似性 问题 一、力学相似的基本概念一、力学相似的基本概念 1.几何相似几何相似 模型与实物几何形状相似。即两系统对应 的长度成同一比例，且对应角相等。 p m m p 即两个系统的对应长度成同一比例，且对应角相等。 长度比尺长度比尺 面积比尺面积比尺 体积比尺体积比尺 长度比尺是基本比尺长度比尺是基本比尺，面积比尺和体积比尺 是导出比尺。导出比尺与基本比尺的关系为 导出物理量量纲与基本物理量间的关系。 m l p l C l 2 2 2 m Sl p l CC l 3 3 3 m Vl p l CC l
13、 2.运动相似运动相似 流动的速度场相似。即满足几何相似的两系统 对应瞬时、对应点上的速度方向相同，大小成同一 比例。 速度比尺速度比尺 时间比尺时间比尺 加速度比尺加速度比尺 m v p v C v / / mmml t pppv tlvC C tlvC 2 / / mmmvv a ppptl avtCC C avtCC 流量比尺流量比尺 运动粘度比尺运动粘度比尺 角速度比尺角速度比尺 可见，一切运动学比尺都是长度比尺和速度 比尺的函数。速度比尺是基本比尺速度比尺是基本比尺。 33 2 3 / / mmml qlv pppt qltC CC C qltC 22 2 / / mmml lv p
14、ppt ltC CC C ltC / / mmmv pppl vlC C vlC 3.动力相似动力相似 两系统对应位置处各作用力方向相同， 大小成同一比例。 密度比尺是基本比尺密度比尺是基本比尺 密度比尺密度比尺 质量比尺质量比尺 力的比尺力的比尺 m p C 3 mmm ml ppp mV CC C mV 22 mmm Flv ppp Fm a CC C C Fm a 动力相似包括运动相似，而运动相似又包括几何相动力相似包括运动相似，而运动相似又包括几何相 似。所以动力相似包括力、时间和长度三个基本物似。所以动力相似包括力、时间和长度三个基本物 理量相似。两系统的其它物理量由它们决定，也必理
15、量相似。两系统的其它物理量由它们决定，也必 然相似然相似。以密度相似为例说明如下： 0 0 0 0 lim lim lim m m p p m m V p mm V pm p V V p p m m m V C mV V V 2 4 0 0 lim m p mm pp FaFt V m Vl V p Gg Gg CCC C V CC V 在动力相似的条件下，对应的流体动力系数（压力动力相似的条件下，对应的流体动力系数（压力 系数、升力系数和阻力系数）相等系数、升力系数和阻力系数）相等。 无因次的流体动力系数流体动力系数CP数定义如下： 对两动力相似系统： 2 1 2 P P C v S 2 1
16、 2 m Pm mmm P C v S 22 1 2 FP PvPSP C P CC v C S 2 2 1 2 FP vS PPP CP C C C v S 2 F Pp vS C C C C C 2 F vS C C C C 2 4 Ft l C C C C 1 C C PmPp CC 因此有 两流动系统相似除应具有以上三个相似条件外， 还要求初始条件和边界条件一致。 一般来说，几何相似是流动相似的基础，动力几何相似是流动相似的基础，动力 相似则是决定两流动相似的主导因素，运动相相似则是决定两流动相似的主导因素，运动相 似是几何相似和动力相似的表现似是几何相似和动力相似的表现。 4 无因次
17、相似准数 v vv v v v v v)( 1 2 t p f 分量式 )( 1 )( 1 )( 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z u y u x u z p fa z u y u x u y p fa z u y u x u x p fa zzz zz yyy yy xxx xx 矢量式 该式表明：粘性流体在运动中所受的质量力、压力、粘性力与运动惯性力是平 衡的。N-S方程是二阶非线性偏微分方程，从数学上求解比较困难，只有在特殊 的情况下才能得到它的解析解。 特征物理量特征物理量：如密度、速度v、长度L、粘性系数、 压力p、加速度g和时间t等。
18、由N-S方程可以看出，单位质量的各力可用这些特 征物理量的量级表示如下： 压力粘性力压力粘性力 质量力质量力 局部惯性力迁移惯性力局部惯性力迁移惯性力 p p F L 2 v F L g Fg t v F t 2 l v F L 由动力相似条件得： 直接影响流动的力是惯性力，它力图维持原直接影响流动的力是惯性力，它力图维持原 有的流动状态；其它各力是流体受到的外力，有的流动状态；其它各力是流体受到的外力， 它们力图改变流动状态。流动的变化就是惯它们力图改变流动状态。流动的变化就是惯 性力与其它各力相互作用的结果。因此，性力与其它各力相互作用的结果。因此， 。 ()()() ()() ()()(
19、)()() pmgmm tmlm F pppgptplp FFF FF C FFFFF 四个相似准数 雷诺数雷诺数 傅汝德数傅汝德数 斯特洛哈尔数斯特洛哈尔数 欧拉数欧拉数 重力 惯性力 2 gl v Fr2 惯性力 压力 2 v p Eu 粘性力 惯性力 Re vl vt St L 迁移惯性力 局部惯性力 主要反映主要反映 粘性力相似粘性力相似 主要反映主要反映 重力相似重力相似 主要反映非定主要反映非定 常运动相似常运动相似 主要反映主要反映 压力相似压力相似 螺旋桨进速系数螺旋桨进速系数 空泡数空泡数 A V J nD 2 1 2 v pp v 对于完全相似的流动现象，必定有： Rem=
20、Rep；Frm=Frp； Stm=Stp； Eum=Eup 。 相似准则既是判断流动相似的标准，又是相似准则既是判断流动相似的标准，又是 设计模型的准则设计模型的准则。 一般情况下，模型与实际流动选用同一种 介质。但要做到完全力学相似是很困难的， 实验均采用近似模型法。 近似模型法 1. 用于重力起主要作用，粘性力可忽略的 场合。相似准则为Fr，有： 基本比尺为： 速度比尺速度比尺 C Cv v 和长度比尺长度比尺 C Cl l 。 lvr CC lg v gl v gl v F 2 222 2 ； 重力 惯性力 用于粘性力起主要作用，重力影响很小， 可忽略的场合。相似准则为Re，有： 基本比
21、尺为： 速度比尺速度比尺 Cv ； 长度比尺长度比尺 Cl ； 密度比尺密度比尺 C 。 l v lvvlvl C C C ； 粘性力 惯性力 Re 例一船舶长为L78m，水面航速为13kn,现用1： 50的模型在水池中做实验测它的兴波阻力，试确定 水池拖车的拖曳速度。 解：实验应按傅汝德准则进行。 已知船模长度 ， 实艇水面航速为： 故实验时船模的拖曳速度为： 1/50 781.56m m L 13 0.5156.7m/s p v p m pm v v glgl 0.95m/s m mp p l vv l 假定无重力作用，只有粘性影响。 采用船长作为特征长度、航速作为特征速度。任 何流动都是
22、由这三个参数来确定的。这些量的量 纲是 这三个参数构成一个无量纲组合,称为雷诺数 / 2 smvmL/smu v uL Re 速度分布 Re),( 1 L r ufv 压力分布Re),( 2 2 L r f u p 作用在物体上总合力（即阻力） (Re) 3 22 fLuF 存在自由液面及兴波，则重力对流体的作用 gl u Fr uLv L u S )( 22 2 tF gl GM dt d r 2 gLLgL EA F l l mm ss m s EA EA F F m s E E EI M ms EI M EI M )()( ms EE n e S S C d T )( 0 2 n es
23、S S dCT)( 0 2 3 0 2 3 0 2 3 )()( n m m e n s s e s m S S dC S S dC T T 2 )( d Cw am 三 模型试验方案设计流程 进行一项模型试验基本思路为： 明确试验目的，确定试验内容和测试的物理量 调研选择试验地点 根据试验条件和试验目的制定试验方案 确定缩比 选定试验测试仪器 制定模型安装及试验方案 方案设计及模型加工 安装调试 按照试验规程进行试验 数据处理及误差分析 提交试验报告 第二讲第二讲 误差分析误差分析 一、基本概念 一个待测得物理量，在一定的条件下总有一个客观存一个待测得物理量，在一定的条件下总有一个客观存 在
24、的量值，这个量值称之为真值。在的量值，这个量值称之为真值。 在实际测量中测量结果和真值之间的总存在差值，这在实际测量中测量结果和真值之间的总存在差值，这 个差值即为误差：测量值个差值即为误差：测量值 与真值与真值 之差，即之差，即 误差是不可避免的，真值是侧不出来的；误差是不可避免的，真值是侧不出来的； 测量的目的在于减少误差，得出一个在一定条件待测测量的目的在于减少误差，得出一个在一定条件待测 物理量的可信赖之，并对其精度作出正确的估计物理量的可信赖之，并对其精度作出正确的估计 i x ii x 二、二、 误差类型误差类型 1.系统误差：恒定误差（系统误差：恒定误差（1） 在同一条件下多次测
25、量同一量值时，误差在同一条件下多次测量同一量值时，误差 的绝对值大小和符号保持恒定，故又称恒的绝对值大小和符号保持恒定，故又称恒 定误差。定误差。 系统误差按其变化规律可分为系统误差按其变化规律可分为常值常值、累进累进 性的性的（线性的和非线性的）、（线性的和非线性的）、周期性周期性的及的及 按按复杂规律变化复杂规律变化的误差。的误差。 特征特征 有规律，自成系统有规律，自成系统 可以消除可以消除 系统误差来源（系统误差来源（2） 仪器误差：测量工具的不完善；仪器误差：测量工具的不完善； 方法误差：安装布置和测试方法等；方法误差：安装布置和测试方法等； 环境和条件误差：外界环境的变化；环境和条
26、件误差：外界环境的变化； 人为误差：测试人员读数水平经验人为误差：测试人员读数水平经验 可以采用一些措施来消除或减少这类误差可以采用一些措施来消除或减少这类误差 2. 随机误差（随机误差（1） 随机误差：随机误差：在同一测量条件下，多次测量在同一测量条件下，多次测量 同一量值时，误差的绝对值的大小和符号同一量值时，误差的绝对值的大小和符号 以不可预定的方式变化，但对它却可以用以不可预定的方式变化，但对它却可以用 概率统计的方法加以描述和分析。概率统计的方法加以描述和分析。 随机误差（2） 特征 随机产生，当测量次数无穷多时，随机误差满 足征态分布，具有单峰、对称、有界、抵偿性 几个特点 不能消
27、除 原因： 环境因素：温度、湿度、电流、 硬件：仪器的固有误差等 多次测量同一量值时，其误差的算术平均多次测量同一量值时，其误差的算术平均 值随测量次数的无限增加而趋于零。值随测量次数的无限增加而趋于零。 利用这个特征，可以采用增加测量次数的利用这个特征，可以采用增加测量次数的 方法来减少随机误差的影响。方法来减少随机误差的影响。 （3）粗大误差）粗大误差 超出规定条件下能够预计的误差，主要是由于差超出规定条件下能够预计的误差，主要是由于差 错引起的；错引起的； 一般均为人为人为因素：如读数错误；没有按照一般均为人为人为因素：如读数错误；没有按照 试验规程进行，阻力中破水和等水等环节没有进试验
28、规程进行，阻力中破水和等水等环节没有进 行；行； 粗大误差具有偶然性和数值偏大等特征粗大误差具有偶然性和数值偏大等特征 首先应该在数据分析中分辨出系统误差和首先应该在数据分析中分辨出系统误差和 粗大误差，通过进一步完善试验方案，提粗大误差，通过进一步完善试验方案，提 高测试仪器的精度消除；高测试仪器的精度消除； 试验数据的分析与处理对随机误差可以通试验数据的分析与处理对随机误差可以通 过一些数理统计的方法进行；过一些数理统计的方法进行； 随机误差数据处理（1） 0 2 2 2 2 ) 2 exp( 2 2 ) 2 exp( 2 1 )(ddP 3 lim x , )( 21 n xxx m n
29、 x i x n n 22 2 2 12 x n xxxx x n 321 1 22 2 2 12 n vvv n xxv ii 随机误差数据处理（2） 判别系统误差的方法 a.观察偏差的趋势 1.把测量数据所对应的偏差按测量次序先后排列。如果发 现偏差有规律地只向一个方向演变，如前段的偏差为负 号，后段的偏差为正号，则这个测据列中必定含有累积 的系统误差。 2.当数据次数较多时，可按照测量的先后次序分别求出前 半段和后半段数据偏差的总和。若两段总和的差值显著 地不接近于零时，则表明数据中包含有累积的系统误差。 3.把数据的偏差按测量顺序排列，如果偏差的符号作用周 期性变化，则表明数据中包含有
30、累积的系统误差。 4.如果是动态测量，则观察其记录曲线。若记录曲线的平均水 准线保持水平，则表明数据中不包含变化的系统误差；若平 均水准线由低到高或由高到低，则表明数据中含有累积的系 统误差；如水准平均线做周期性变化，则这些数据中必有周 期性系统误差存在；如果水准平均线作复杂规律变化，那么 表明这列数据中含有复杂的系统误差。 7979. 0 )(xx j t 粗大误差的处理粗大误差的处理 测量结果的表示（1） x n xx x 33 ),( 321n xxxxfy， n n x x f x f x x f y 2 1 1 1 )( 1 2 k y k i i y 222 2 2 2 2 1 2
31、 1 )()()( n n y x f x f x f xi i i i y x f n x f n 22 )( 1 1 x f n y x 2 2 x f n y x n y xn x f n 1 )( 1 2 2 k x k i n n 本章小结 1.掌握误差的种类及定义; 2.了解误差处理的方法; 3.能正确地分辨各种误差的种类及来源. 第三讲 常用的测试设备 船舶与海洋工程试验技术 主要内容 测试仪器种类 传感器原理 数据采集设备 一一测试仪器种类 1.运动设备 2.传感器 3.采集设备 1. 运动设备 水池及控制系统 电机及调速仪 敞水箱 造波系统 造风系统 造流系统 多自由度平台
32、图图 3 SIEMENS 6R24 3 SIEMENS 6R24 全数字直流调速系统及水池全数字直流调速系统及水池 XY 拖车 华中科技大学拖车华中科技大学拖车 多功能高压直流电机及伺服驱动器 后 置 式 敞 水 箱 前置式敞水箱 89 实验室中风的物理模拟方法实验室中风的物理模拟方法 固定的风机固定的风机 风扇放置在模型甲板上风扇放置在模型甲板上 弹簧与重物组成的系统弹簧与重物组成的系统 风洞波浪水池风洞波浪水池 90 造风系统原理造风系统原理 水池造风通过轴流风机的旋转来实现。水池造风通过轴流风机的旋转来实现。 造风系统包括交流电机、轴流风机组、风速仪、数据采集系统和计算机控造风系统包括交
33、流电机、轴流风机组、风速仪、数据采集系统和计算机控 制系统等。制系统等。 轴流风机由交流电机驱动，驱动电压的大小直接控制了电机转速，从而控轴流风机由交流电机驱动，驱动电压的大小直接控制了电机转速，从而控 制了模拟的风速。制了模拟的风速。 交流电机由可调节电压的特殊设备进行供电。其驱动电压的大小可由手动交流电机由可调节电压的特殊设备进行供电。其驱动电压的大小可由手动 控制，也可由数字化变频仪进行手动和自动控制。控制，也可由数字化变频仪进行手动和自动控制。 91 造风原理与信号测量示意图造风原理与信号测量示意图 ! #$% 民船-大型化引起螺旋桨负载的加大,船舶尾 部流场的不均匀导致螺旋桨产生空泡
34、,引起桨叶 的剥蚀; 研究螺旋桨表面空泡产生引起的压力脉动和噪 声 . 1.2 螺旋桨模型空泡试验的相似准则 几何相似 进速系数相等 超临界雷诺数 空气含量相同 空泡数相等 常规水池无法达到完全相似-空泡水筒 可以做到; 1.3 主要设备 螺旋桨扭矩测量系统 推力测量系统 速度和压力测量系统 空气含量仪 频闪观察仪 1.4 试验过程 1. 安装调试 2. 假毂扭矩推力测量 3. 敞水修正 4. 空泡试验 1.保持水筒中流速和压力不变,改变转速,测量水 流速度 水筒压力 桨模推力扭矩及转速 2.采用频闪观察螺旋桨模型空泡发生发展的过 程 1.5 误差来源 尺度效应 粘性影响 空气含量影响 傅汝德
35、数影响 螺旋桨激振力测量 螺旋桨激振力测量 2. 模型伴流场测量 接触式 ： 毕托管技术 非接触式： PIV , 激光多普勒测速 Particle Image Velocimetry (PIV) Laser Doppler Velocimetry (LDV) Ultrasonic Doppler Velocimetry (UDV) 2.1 测试方法 机械方法 散热率法 动力测压法 激光测速法 五孔毕托管的基本原理 球体表面的压力可按下式计算： 2 2 0 sin 4 9 1 2 1 v pp 在水平面xoy上： )(sin 4 9 1 2 1 2 2 0 a v pp h h p )(sin
36、4 9 1 2 1 2 2 0 a v pp h h s h h c v pp 2 2 0 sin 4 9 1 2 1 h psc ps tg a a ppp pp 2 2cos1 2sin 2 )(coscos 4 9 2 1 22 2 a v pp hh h sc )(coscos 4 9 2 1 22 2 a v pp hh h pc a v pp h h ps 2sinsin 4 9 2 1 2 2 vvz hhy vvhhx vv vv vvv sin sin coscos h hhh h psc a aa v ppp 2cos)2cos1 ( 4 9 )(cos)(coscos2
37、4 9 2 1 2 222 2 由上式得： 毕托管及其校验 粒子图像测速技术(Particle Image Velocity) 二维PIV测量原理 主要用于拖曳水池或循环水槽 中，测量船舶和海洋结构物附 近的复杂流场。 测量结果可用于计算流体力学 CFD的计算结果验证。 利用PIV技术测量流速时,需要在相应的二维平面中均匀散播 跟随性、反光性良好且比重与流体相当的的示踪粒子,使用 CCD等摄像设备获取示踪粒子的运动图像。对示踪粒子的运 动图像进行分析,就能够获得二维流场的流速分布。 当测量流体表面的流速时,可以在自然光照条件下进行实验, 而对流体内部的二维流场测量时,必须使用辅助片光源照明,
38、图1为测量流场内部流速的实验示意图。 PIV测量得到的船模螺旋桨和舭龙骨附近流场 多普勒流速仪多普勒流速仪- 测量瞬时流速测量瞬时流速 声学多普勒流速仪的原理是利用声波在流动海水中悬 浮物质所产生的多普勒效应测量流速和流向。其声学传感器 感应灵敏、反应快、量程宽，可测弱流，也可测强流，可测 平均流速，也可测瞬时流速，因此目前应用较广。 声学多普勒流速仪包括点 式流速仪和剖面流速仪两 种，顾名思义，前者用于 测量单个空间位置处的流 速和流向，后者则同时可 以测得一个剖面的流速和 流向数据，特别适合于深 水流的测量。 LDV的局限性 1 被测流体要有一定透明度，管道要有透明窗口。 2 测纯净水或空
39、气时，要掺入适当散射粒子。 3 流速高时要求提高激光输出功率，信号处理难。 4 价格贵。 5 使用时有一定防震要求，光学系统与管道无相对 运动。 根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为F的 连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f， f与F服从多普勒关系。如果超声发射方向和移动物 体的夹角已知，就可以通过多普勒关系的v,f,F,c表 达式得出物体移动速度v。 雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普 勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电 磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根 据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度装 有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，
40、在测速 的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动 打印在照片上。 轴向伴流场主要目的 1通过轴向伴流场的测量，求得螺旋桨模 型的平均标称伴流。 2分析伴流场的不均匀程度，估计新设计 船舶是否会产生严重的振动，与之相应是 否需要修改新设计船的尾部的线型。 3根据船模的轴向伴流场，在空泡水筒中 模拟实船的伴流场，将螺旋桨模型置于伴 流场中进行试验，用以观察船后螺旋桨产 生的空泡情况并由压力传感器测量脉动压 力，分析螺旋桨引起的激振力。 2.2试验的准备工作 船模与阻力试验所用者相同 毕托耙通过自航试验的螺旋桨轴孔与船模 内控制转动角度的机构及压力传感器的测量仪 器相连接。 船模的总重量，包括测
41、量仪器及压铁等组 成的排水量必须与实船的排水量几何相似。 在船模内横向和纵向移动压铁，调整态， 使船模两侧的首、中、尾吃水符合要求。 船模与拖车的连接安装基本与阻力试验相 同。 2.3 试验数据的分析整理 通过对各个方向速度分析,得出船舶尾部线 形附体线型与伴流场之间的关系 3 尾流测量-粘性阻力获取 原理 动量定律 近年来，在研究船体阻力分类时，通常把船体阻力分 成兴波阻力和粘性阻力两部分。前者可利用波形分析 法确定，后者一般可应用“尾流测量法”进行试验测 量得到。 “尾流测量法”最早是航空界采用，50年代Marshell Tulin将它搬到造船界。航空界有两个方法：Betes method
42、和Jonesmethod 测量方法 船舶与海洋工程试验技术 第五讲 操纵性和耐波性试验 一 操纵性试验 自由自航试验 通过天然湖泊或露天或室内操纵性或开阔水域 进行,船模按照规定的机动进行自航操纵性试验 ,可以直接测量他的运动状态合表征操纵性的特 征参数. 约束模型试验 可以精确测量水动力系数,通过运动方程预报船 舶机动状态和操纵性特征参数. 设备投资大,但可以对影响操纵性的诸多因素进 行定量分析 自航船模操纵性试验自航船模操纵性试验 模型试验是目前研究船舶操纵性能的重要手段，由模型试验是目前研究船舶操纵性能的重要手段，由 下列两部分组成，即：下列两部分组成，即： 1船模在静水中的回转试验回转
43、试验。直线航行的船将舵 转至某一舵角并保持此舵角，则船将改变航向而作 曲线运动，称为回转运动，它是研究船舶操纵中机 动性的重要方面。 2船模在静水中的Z Z形试验。形试验。Z形试验是模拟船舶 左右不断操舵更为实际的情况。目前，Z形操纵试 验被公认为确定K（表示回转性能）和T（表示应舵 性能或跟从性）两个指数的标准方法。 几何相似 运动相似:螺旋桨和舵的角速度、角加速度 很难保证相似(主机、舵机特性不相似) 动力学相似：直航傅汝德相似，机动状态 的动力学相似都比较难以满足. 试验原理 试验操作人员通过遥控发射器发出控制信号，船模 上的接收器收到信号后把信息输入指令分配箱，对主 机、舵的动作进行控
44、制，实现船模在水池中加速、减 速和改变航向等各种操纵运动。图1是操纵试验船模及 其测试设备布置的示意图。 1 1回转试验回转试验 目的模拟船舶大机动的回转,预报实船K T指数 具体过程如下: (1)启动遥控器指定主机运转，使船模保持全速直线 航行， (2)测量航速航向舵角及螺旋桨转速; (3)遥控器发出信号指定舵转至规定的舵角 ， (4)记录测量时间及速度/航向/横倾角/螺旋桨转速等 参数随时间的变化 (5)通常船首方向改 540后船模已定常回转一圈， 完成了舵角 时的回转试验。遥控器发出指令使舵 回到零度退出回转并令船模返回起点，准备下一个试 验。 2 2Z Z形试验形试验 目的是模拟船舶不
45、断小舵角操纵的情况,能较好 地分析船舶的转首性和方向稳定性。也可以预报K T指数。 （1）试验船模放于适当的位置，启动船模作直线航 行； （2）待达到稳定的航速 V时，迅速操舵转至右10。 船模便开始实现Z形运动，待首向角向右达到10 时，又自动切换舵角至左10，待首向角向左达到 10时，又自动切换舵角至右10，如此反复操舵， 便可得出舵角与首向角随时间t的变化曲线， 通常当首向角曲线出现三个峰值后便完成了Z形 试验。 在记录曲线上可以直 接得到超越角和转首 滞后两个操纵特征量 图中，1，2，3 称为超越角，是操反 舵瞬时的首向角和最 大首向角之间的差。 超越角越小，表示船 越易于转向，是衡量
46、 船是否易于转向的一 个量度。 T1，T2，T3称为转首滞后，是指 舵角回复到0时刻至最大转 首角时的时间间隔，表示在零 舵角之后出现零角速度的时间 滞后， T小表示船的跟从性好， 是衡量跟从性的一个量度。 约束模试验约束模试验 优点：采用水动力系数换算，减少尺度效 应，可直接用于实船预报。 试验内容: 直线拖曳试验：测量速度系数和舵系数 约束回转试验：测定的角速度系数和角速度耦 合系数 平面运动机构试验： 直线拖曳试验 船体速度导数Yu、 Nu 舵导数 NY 约束回转试验 测量力和力矩的角速度导数； 二二 船模耐波性试验船模耐波性试验 1.船模耐波性试验目的和内容 *预报船舶在给定的环境条件
47、下的耐波性； *确定船舶摇摆运动微分方程中的水动力系数 *检验和修正船舶耐波性理论中的假设和结论 *研究船体各因素对耐波性的影响； *研究各种减摇装置的作用； *确定船体在波浪上的结构强度。 2 船模试验中的池壁效应 15th ITTC 干扰判别表，低于对应值即有干扰 mT LB 2 1 )(gLmF INTr mT LB 2 1 )(gLmF INTr 0.500.751.001.251.501.752.002.25 0.6350.4580.378 0.3350.3000.2920.2800.271 2.502.753.003.253.503.754.00 0.2650.2600.255 0
48、.2520.2490.2470.245 3 耐波性试验前的模型准备 几何相似，质量分布相似 按照第15届ITTC建议，取0.25L作为船舶的纵向 惯性半径；0.35L作为船舶的横向半径，计算船舶 质量惯性矩，即 g D LI s ppx 2 )25. 0( g D BI s sy 2 )35. 0( 重量重心调整 移动距离为移动距离为L，则模型绕，则模型绕O点倾斜。倾角为点倾斜。倾角为 将上述调整后的艇模绕将上述调整后的艇模绕O轴（横轴）摇荡，用秒轴（横轴）摇荡，用秒 表测量其摇荡周期表测量其摇荡周期T，则可求得模型纵向质量惯，则可求得模型纵向质量惯 性矩或惯性半径性矩或惯性半径 ， ， ，
49、， 4 耐波性水池的主要设备 造波装置 冲箱式造波机 摇板式造波机 空气式造波机 蛇行造波机 消波器 浪高仪 船模运动测量仪 空气式造波机 蛇行造波机 摇板式造波机 多单元摇板式造波机 MARIN消波滩原理图 MARIN消波滩 栅板消波系统 5 规则波上船模试验及实船耐波性预报 5.1 规则波的制造 波高与波长应满足以下不等式： 深水波的周期、波速和波长按下列公式计算： 在规则波上进行船模试验，对于一般的船型 来说，波长范围从0.5L到2.0L左右，试验波 高与船长之比应小于1/50。 20 12 a 2 2 56.1 2 25.1 2 8.0 2 T g g c g T 5.25.2 船模在
50、规则波上耐波性试验船模在规则波上耐波性试验 A:船模在波浪上的纵向运动试验，通常都试 34个速度。 B:一次试验测量的振荡次数不应少于10次。 C:试验结果表达 a/a 纵摇幅值/波倾角 a/a 横摇幅值/波倾角 Za/a 垂荡幅值/波幅 船模耐波性试验录像（双击） 5.3实船耐波性预报 A 船舶在波浪上运动，输入的是波能谱密度， 输出的是船舶运动能谱密度。根据谱分析可 得： (1) 式中： 为船舶运动能谱密度函数； 为波能 谱密度函数； 为频率响应函数。 B 在有航速情况下，船舶的遭遇频率为 相应的谱密度为 )(| )(|)( 2 SHS xx )( x S )( S )( x H cos
