船舶实验

船舶与海洋工程实验技术
实验报告
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
华中科技大学船舶与海洋工程学院
船模拖曳水池实验室
2016年6月1日
螺旋桨敞水试验
一、实验目的
(1)对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定实际螺旋桨的水动力性能。

(2)通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种几何要素对水动力性能的影响。

(3)检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方法。

(4)通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。

现时广泛使用的楚思德B 系列图谱和MAU 系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水试验的结果。

二、实验原理
满足以下条件：几何相似； 螺旋桨模型有足够的深度； 试验时雷诺数应大于临界雷诺数。

进度系数相等。

22
4
1225
2(,)
(,)
A A V nD T n D f nD V nD Q n D f nD ρνρν==
螺旋桨雷诺数采用ITTC 推荐表达式：
νπ2
2
75.0)75.0(Re nD v c a +=
临界雷诺数一般大于3×105
为消除自由液面影响，桨模的沉深深度：m s D h )
0.1-625.0(≥
三、实验设备
主要设备是螺旋桨动力仪 。

四、实验内容
敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。

速度范围应从Va ＝0至推力小于零的进速之间，在该范围内测点取15个左右。

1、敞水箱安装
敞水箱为流线型，螺旋桨的轴从敞水箱的前端伸出箱外，外伸长度必须使桨模位于箱前的距离大于螺旋桨直径的3倍，以避免箱体的影响。

敞水箱样式如下图所示。

动力仪和电机安装在敞水箱内。

2、仪器安装及操作
进入数据采集界面，如图所示。

在拖车开动之前，要对采集系统进行调零。

即在水池水面平稳状态下，点击系统设定里面的“调零保存”，使该通道的工程值基本在0附近飘动。

在拖车开动之前，我们要给螺旋桨一定的转速。

具体转速的确定，要根据具体情况确定。

由进速系数公式 可知，螺旋桨直
径D已定，如果螺旋桨转速n太低，我们需要提高进速V，才能是J达到足够到。

但是进速V的改变，受限于拖车速度。

此时，我们需要根据经验，给予适当大的转速n。

转动螺旋桨，当转速达到我们的要求后，我们先采集一段时间（相当于做系泊试验），然后开动拖车，此时，就不要再人为改变桨模转速。

当拖车速度稳定后，再次采集。

数据稳定一段时间后，再次改变拖车速度，等速度稳定后，再次采集。

每一段速度下，我们要收集桨模转速n、桨模推力T和扭矩Q。

然后进行数据处理，点击自航双桨里面的数据处理，输入你所命名的文件名，然后数据会有如下的显示，如图所示。

用鼠标框出平稳的一段，记录数据即可。

五、实验数据及处理。

在上述试验过程中,我们得到每个速度下的桨模转速n，推力T，扭矩Q。

然后还要在0速下，把螺旋桨卸下，转动电机，测量出0扭矩。

然后代入下面的表格中进行计算。

最后从表格中得出螺旋桨敞水性征曲线，如下图所示
自航试验报告
一、实验目的
1）分析和研究各种效率成分，研究桨、船两者相互影响； 2）预报实船性能；
3）判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。

二、实验原理
自航试验时，要求船模和桨模的雷诺数超过临界雷诺数。

同时也要求满足弗劳德数和进速系数相等的条件，即
为了试验时使各种力都成三次方关系，需要对摩擦阻力进行 修正，增加一个修正值F D ，人为地凑成三次方关系。

该修正 值称为摩擦阻力修正值，即
3
As Am s s m m s m m s m
m
v v
n D n D v n n T T λ
ρλρ====
==
三、实验过程
1.安装调试等准备工作；
2.校正零点，采集零负载推力、扭矩；
3.在某一航速下计算摩擦阻力修正值F D，在F D附近（从0到2 F D ）取5个值，得到某一个航速不同的转速对应的推力和扭矩；
四、实验数据及处理
根据前面计算的摩擦阻力修正值，对应相应的状态和速度，进行插值得出要求的转速N、推力T、扭矩Q按等推力法进行自航数据分析，计算中已扣除零扭矩Q0。

已有相应的excel计算表格，可以进行较快捷的数据处理。

要处理的数据如下所示。

摩擦力修正值计算见
实船性能预报采用（1＋X ），K 2方法，根据经验取X ＝0.05，K 2＝0.02。

实船螺旋桨转速：λ/2m S n K N = 实船螺旋桨收到功率：C
P Q EHP
X DHP ..)1(+=
t s = t m
[]
fm fs f m m m s C K C K C t w t w )1/()1(*)04.0(04.0+++∆--++= （当w s > w m 时，依经验取w s ＝w m ） ηs = ηm 压载状态预报结果见。

实船自航因子及效率成份预报结果
数据处理之后，绘制如下两个图。

五、实验误差
1.行车速度不稳定
2.电机转速不稳定导致读数的不稳定
3.自航阻力和阻力试验阻力值不同
船模阻力试验
一、实验目的。

（1）确定船体阻力；
（2）研究线型和船体参数变化对船体阻力的影响； （3）研究各种附体阻力及其对总阻力的影响； （4）选择优良的线型。

二、试验原理。

（1）二因次法 弗劳德假定：
a.船的总阻力分为摩擦阻力和剩余阻力两部分组成。

且认为摩擦阻力仅与雷诺数有关，剩余阻力仅与弗劳德数有关； 因此，有：r m
fm tm
R R R += 或
(Re)()tm fm rm c c c Fr =+
根据弗劳德假定，实船的剩余阻力系数和模型的剩余阻力系数 是相等的。

而摩擦阻力是雷诺数的函数且与物体的形状有关。

b.由于流线型物体表面曲率对剩余阻力的影响不甚明显，弗劳德有假定，船的摩擦阻力与同速度、同长度、同湿表面积的平板摩擦阻力相同。

1957年的第八届ITTC 建议取
2
)2Re (log 075
.0-=
f c
考虑到粗糙度对剩余阻力的影响，引入粗糙度附加值
3
104.0-⨯=∆f c
实船裸体总阻力系数为
TSN fs rs f c c c c =++∆
实船的总阻力和有效功率为
2
12
ts ts s s R c Sv ρ=⋅
,kW
1000=ts s
E R v P
（2）三因次法
三因次换算方法是1978年第15届ITTC 推荐的方法。

将船的总阻力分为三个部分，即平板摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。

粘压阻力包括摩擦阻力的形状效应和因边界层分离而产生的旋涡作用。

两者均因水的粘性而产生，所以应为雷诺数的函数。

如果将摩擦阻力和粘压阻力合并计算，并称之为粘性阻力，可以写为：
w
f t c c k c ++=)1(
式中，1+k 为形状因子，k 称形状系数。

它只与船形有关，且认为几何相似的船的形状因子1+k 是相同的。

形状因子根据船模在弗劳德数 Fr = 0.1-0.2 范围内阻力试验结果，按下式确定：(1+k)、A 及 n 等数值均由最小二乘法确定，指数n 的范围为 2.0～6.0。

船的总阻力可以写为
w
e f t R R R R ++=
三、实验内容。

1、船模图纸绘制，包含CAD 图纸修改、打印下料图、卡板图绘制三部分。

2、船模水线绘制及装载状态调整
2.1 船模水线绘制，制作好船模后，要在船体绘制各个状态的水线，一般船首尾都要画。

这是船模下水后，调整浮态的依据。

2.2 装载状态调整，先对船模空船进行称重，然后根据计算好的排水量，在船模中加压载，使船模达到预定的浮态。

3.仪器安装及接线
安装电测阻力仪，陀螺仪，超声波测距仪以及编程软件。

4.数据采集过程
在水池平稳状态下，钢丝处于松弛状态时，进行调零。

当船速稳定后，采集数据，进行变速，稳定后采集，采集约10组数据。

四、实验数据以及处理。

模型阻力试验结果及实船阻力换算
船模试验阻力曲线、实船有效马力预报曲线和实船纵倾角预报曲线绘制成如图所示。

图1 船模阻力试验结果
图2 实船有效马力预报曲线
五、试验误差。

试验本身的一些影响因素
池壁影响；尺度效应；拖车速度（加速度、平稳度）；轨道平直；消波（开过后，要等一段时间，等水平静后再开）；测量仪器本身的误差。

附连水质量实验报告
一、试验原理
附连水质量是衡量船舶航行性能的重要指标之一。

进行附连水质量试验时，使用测试装置的六自由度平台带动试验船模使其在长度方向上受强迫往复运动，船模沿某一水平方向作周期性往复运动时，其水平运动二阶微分方程为：
()m m x
cx F +∆+= （1.1） 其中，m 为船模质量；m ∆为附连水质量；x
为船模运动加速度；x
为船模运动速度；c 为船模运动阻尼系数；F 为船模所受到的外力；()m m x +∆
为船模惯性力；cx 为船模阻尼力。

其运动位移为sin x A t ω=，其中2f ωπ=，通过测试装置的控制系统设置位移A 和频率f 能使船模实现该运动。

对位移函数依次求导即可得到
船模速度cos x
A t ωω= ，船模加速度2sin x A t ωω=- 。

另外，通过六分力天平能够测得船模所受外力F 。

将这四组量置于横坐标均为时间轴的直角坐标系中。

如图1.1所示为船模作往复运动下，最终整理得到的船模位移、速度、加速度与所受外力与时间的关系曲线。

在图中竖线所在的时刻，船模速度为0，船模此时的阻尼力为0，提取该时刻的船模所受外力和运动加速度，按公式1.1即可求得船模在该加速度下的附连水质量。

二、 试验仪器
六分力天平品牌为德国FC-K6D68，具体型号为K6D68 2kN/50Nm ，如图2.1所示，三个力的量程分别为2kN ，2kN ，4kN ，精度为±1N,三个力矩的量程为20Nm,精度为±0.1Nm ；六自由度平台带动试验船模做正弦运动的最大幅值为50cm,最大频率为1Hz ；数据采集软件与六分力天平配合使用，其窗口如图2.2所示，在使用测试装置进行船模水动力性能试验时，待测试装置平稳工作后再开启数据采集窗口，点击“清零按钮”后再点击“开始采集”按钮,通过六分力天平测得的船模所受力和力矩将显示在该窗口上,其中，窗口左侧显示船模所受力和力矩的实时图像数据，右侧则显示相应的数字数据,待试验结束后，点击“数据查看”按钮查看试验数据，再点击“数据存储”按钮进行数据保存，最后点击“退出”按钮退出数据采集窗口。

三、 试验船模
t
试验船模如图3.1所示，采用较为简单的箱型船体，其总长为1350mm，型宽为240mm，型深为240mm，最大吃水为120mm，排水量为10kg。

四、试验过程与结果
为保证试验结果的可信性，选取多组位移A和频率f进行试验，如表4.1所示，试验如图4.1所示。

数据采集软件测得的数据如表4.2～4.7所示。

将每组实验结果与相应的加速度绘制成如图1.1所示图像，即可求出相应的附连水质量。

表4.1附连水质量试验分组
编号运动位移A(m) 运动频率f(Hz)
1 0.05 0.1
2 0.05 0.2
3 0.05 0.5
4 0.1 0.1
5 0.1 0.2
6 0.1 0.5
第1组
T=2.5
+=0.22/0.02=11kg m
m∆
第2组
T=1.25
+=0.89/0.079=11.26 m
m∆
第3组
T=0.5
+
m
m∆
第4组
T=2.5
+=4.443/0.394=11.28 m
m∆
第5组
T=1.25
+=1.788/0.158=11.32 m
m∆
第6组
T=0.5
+=11.089/0.986=11.24
m
m∆
m=（11.24+11.32+11.28+11.84+11.26+11-10*6）/6=1.32kg
五、误差分析
1.试验过程中船舶不一定完美的按照正弦波的轨迹运动
2.试验过程中同学在拖车上走动，影响试验精度。