船模自航试验及实船性能预估船舶阻力与推进

第六章 船模自航试验及实船性能预估为了获得螺旋桨与船体之间的相互作用诸因素，如伴流分数、推力减额分数以及其他相互作用系数，应进行三种试验：船模阻力试验、螺旋桨敞水试验及有附体的船模自航试验。

船模自航试验是分析研究各种推进效率成分的重要手段。

对于给定的船舶来说，通过自航试验应解决两个问题：① 预估实船性能，即给出主机马力、转速和船速之间的关系，从而给出实船的预估航速，验证设计的船舶是否满足任务书中所要求的航速。

② 判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。

如果配合不佳，则需考虑重新设计螺旋桨。

此外，根据实船试航结果与相应的船模自航试验数据，可以进行船模及实船的相关分析，积累资料以便改进换算办法，使船模试验预报实船的性能更正确可靠。

§ 6-1 自航试验的相似条件及摩擦阻力修正值一、相似定律在船模阻力试验时，我们只满足了傅氏数相同的条件，对于船模的雷诺数只要求超过临界数值。

因此，上式中，下标带m 者表示模型数值，带s 者表示实船数值(以下相同)。

在螺旋桨敞水试验时，只满足进速系数相同的条件，对于螺旋桨模型的雷诺数也只要求超过临界数值，因此，在进行船模的自航试验时，两者都要求满足，根据几何相似，有： 则满足傅氏数相等时有： λV V /s m = (6-1) 满足进速系数相等时有：λn V n V mAms As = 由于 ()s s As 1V ωV -=，()m m Am 1V ωV -= 故()()λn Vωn Vωmmmsss11-=-或 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=s ms m 11ωω λn n 假定伴流无尺度作用，则m s ωω=，因此，可得：λn n s m = (6-2)(6-1)及(6-2)两式是船模自航试验应满足相似定律的条件，由于船后螺旋桨满足了进速系数相等的条件，因此在不考虑尺度作用的情况下，螺旋桨实桨及其模型在推力、转矩及收到马力方面存在下列关系：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫===5.3ms Dm Ds 4ms m s 3ms ms λρρP P λρρQ Q λρρT T (6-3)(6-3)式只对螺旋桨说来是正确的，但自航试验是把螺旋桨与船体联系起来统盘考虑的。

因此推力与阻力之间必然有：对于实船 ()s s s 1R t T =-对于船模 ()m m m 1R t T =- 如果将(6-3)、(6-4)两式联系起来分析，发现两者是不一致的。

从推进的角度出发，当满足傅氏数和进速系数相同的条件时，模型与实桨的推力之间确实存在缩尺比三次方的关系。

假定推力减额无尺度作用，即t s = t m ，则从(6-4)式看来，实船与船模的阻力之间也应与缩尺比三次方有关才能使两者一致。

但是，在《船舶阻力》课程中我们已知，当船模与实船在傅氏数相同时，两者的总阻力并不存在缩尺比三次方的关系，即为了克服这个矛盾，需要在船模自航试验中作适当处理后才能进行实船的换算。

二、摩擦阻力的修正-实船自航点的确定在船模自航试验中，当满足傅氏数Fr 及进速系数J 相同的条件时，则模型与实船之间的各种力基本上是缩尺比的三次方关系，唯阻力之间不存在这种关系。

在阻力中，剩余阻力部分实际上也是满足这种关系的，因为在Fr 相同时实船和船模的剩余阻力系数相等，故两者总阻力之间不存在缩尺比三次方关系主要是摩擦阻力部分造成的。

为了使试验中各种力都存在缩尺比三次方的关系，需对阻力进行修正(实际上是对摩擦阻力修正)，人为地将其硬凑成三次方关系。

设船模在速度V m 时的阻力为R m ，实船在相当速度m s V λV =时的阻力为R s ，则摩擦阻力修正值F D 为：或 ()D m 3m s s F R λρρR -= （6-5）这样，在船模自航试验中，当船模速度为V m 时，我们设法预先对船模加一个拖曳力F D ，则螺旋桨模型发出的推力T m 仅需克服阻力(R m -F D )，此点称为实船自航点即相当于实际螺旋桨发出推力T s 克服实船的总阻力R s 。

经过这样处理以后，船模自航试验系统中各种力便都存在λ3的关系。

假定t m = t s ，则(6-5)式可写作：或 3m s m s λρρT T =从上面的分析可知，进行摩擦修正(或称为决定实船自航点)的目的，是使模型桨的载荷与实船螺旋桨相当，只有在这种情况下，才能根据船模自航试验的结果预估实船推进性能。

§ 6-2 自航试验方法及数据表达一、自航试验概述(6-4)船模自航试验，一般是在阻力试验和敞水试验之后进行的，据此可以分析推进效率的各种成分。

图6-1是船模自航试验布置的示意图，借以说明试验中测量有关数据。

船模在速度V m 时的阻力R m 已自阻力试验中求得，在自航试验中，螺旋桨模型的转速n 、推力T及转矩Q B 由动力仪2测得，强制力z 由阻力仪1测得，船模速度V m 即为拖车的前进速度。

由于试验时要求保持等速直线前进，故力的平衡必然是：()m m 1R z t T =+- (6-6)自航试验的方法有所谓大陆法(即纯粹自航法)和英国法(即强制自航法)两种。

纯粹自航法根据船模速度V m 时的F D 值，事先在船模上予以扣除(即图6-1中时z 应等于F D )，然后调节螺旋桨的转速，使其发出的推力恰能克服阻力(R m -F D )，保持船模速度与拖车速度V m 相等。

由于F D 在试验中不能改变，因此调节比较困难。

在我国各水池中，基本上都采用强制自航法。

强制自航法是船模在螺旋桨推力T 和强制力z 的共同作用下，其前进速度和拖车速度V m保持相等。

对某一选定的船模试验速度V m ，一般需要外加五个强制力，即z 1、z 2、z 3、z 4、z 5。

对不同的强制力，为维持船模速度V m 而要求螺旋桨模型发出的推力T ，转速n 及转矩Q B 是不同的。

因此对于一个速度一般需要试五次，各次尽可能保持同一速度V m 。

测量记录数据有V m 、z 、T 、Q B 及n 五项。

五个强制力的范围大致是：z 1 = 0，相应于船模的自航点，即螺旋桨模型发出的推力克服船模的阻力；z 3＝F D ，相应于实船的自航点。

z 2 = 0.5F D ，z 4、z 5一般大于F D ，总之使试验点子能合理布置。

为了正确预估实船性能，一般需要四个船模自航速度，即V 1，V 2，V 3，V 4，其中V 3约相当于实船试航速度，V 4则高于实船试航速度，以保证预估之实船性能在试验范围之内。

在对某一速度V m 进行试验时，由于很难保证相应于五个强制力的各次试验速度都相同，在有小量偏离的情况下，可以用下列办法进行修正。

如某次试验量得之船模速度为mV '，其相应的数值为T ′，BQ '，n ′，z ′，现在要化至标准的速度V m ，及其对应的数值T ，Q B ，n ，z ，其间之关系为：nn'V V ='m m(6-7) 2m m B B⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛'=='=V V z z'Q Q T T' (6-8) 自航试验的测量结果通常应绘制成如图6-2所示之船模自航试验曲线。

据此可以进行各种推进效率成分的分析及实船性能预估。

图 6-1Q B zT 图 6-2二、试验结果的数据处理根据船模阻力曲线、螺旋桨模型敞水性征曲线及船模自航试验曲线，大体按下列步骤进行推进效率成分的分析处理，以便求得船体与螺旋桨相互影响的诸因素及推算出实船在相当速度时的推进性能。

1．相当于实船自航点的推进效率分析2．推进效率成分的分析上述表中分析所得的各种效率成分都是对应于船模的数值。

此外，两种表中分析所得之推进效率在数值上应基本一致，其误差应不超过0.001。

§ 6-3 实船推进性能预估所谓实船性能预估，是指根据船模自航试验结果给出实船航速、螺旋桨转速及收到马力之间的关系。

在20世纪50年代前，常用模型自航试验数据按相似定律和缩尺比直接算出实船的有关数据，由于忽略了所有的尺度作用，不可能得到正确的预报结果。

自50年代末开始，各国水池十分重视实船性能的预估问题，同时实船试航的资料积累也日渐增多，有可能对尺度作用进行经验统计的修正。

例如英国船池会议BTTP 于1965年采用的(1+ x )、K 2作为标准方法，1966年ITTC 也曾给以推荐，(1+x )、K 2统称为实船船模相关因子，前者主要是对阻力估算的相关因子，后者是照顾伴流尺度作用的相关因子。

由于该方法在分析中物理意义不清晰，后被废弃不用。

本节主要介绍实船性能预估的T ΔC 、ωΔ方法及1978 ITTC 的标准方法。

一、T ΔC 、ωΔ法在20世纪60、70年代，日本以及北欧的一些国家喜欢采用这种方法预估实船性能。

T ΔC 、ωΔ也称为相关因子，是根据经验统计资料而得出的修正数据。

这种方法认为：在船模实船的换算中，造成预估不正确的主要问题在于阻力和伴流二项，由于粘性不相似及摩擦阻力计算的外插等问题，致使阻力换算结果与实际有差别，因此需要用相关因子T ΔC 予以补救。

伴流受粘性的影响较大，船模试验得到的伴流数值偏高，应由相关因子ωΔ予以修正。

至于相对旋转效率ηR ，推力减额分数t 则认为尺度作用影响较小，可直接采用船模试验数据。

螺旋桨的敞水性征曲线有修正与不修正两种意见。

这类预估方法的大体步骤是：表中2T /J K 对于一定的船速是一常数，表示从阻力角度对螺旋桨的要求。

在螺旋桨的敞水性征图上可事先另设一个纵坐标2T /J K ，并绘制该桨的2T /J K J 曲线，从该曲线上可以读出表中2T /J K =常数的点子，该点表示了实船螺旋桨的工作点，由此可以读出η0、J 、K Q 等，并可按下表计算转速及马力。

据上述表中的计算结果，同样可以绘制如图6-3所示之N s -V s 及P Ds -V s 曲线。

二、1978 ITTC 单桨船实船性能预估的标准方法近二十年来关于实船性能预估问题的研究十分活跃，在历届ITTC 会议上都有相当的资料公布和有关这方面的讨论。

十五届ITTC 性能委员会企图总结出一个标准方法，经过三年的准备，在1978年十五届ITTC 会议上提出了一个《1978 ITTC 单桨船实船性能的预估方法》，并被大会通过作为暂行标准方法，要求各成员组织按此进行实船性能预估。

原先十五届ITTC 性能委员会准备给出统一的标准，但实际上无法做到，因而采取折衷的办法，将暂行标准分为两部分。

第一部分是1978 ITTC 标准预估，一切照其规定办法进行计算，第二部分是结合各水池自己积累的资料给予经验性修正，并据以得出实船航速、螺旋桨转速及收到马力之间的关系。

这个方法基本上与T ΔC 、ωΔ法相类同，唯对许多因素规定得更加明确具体而已。

现简述如下：第一部分：1978 ITTC 标准预估① 阻力采用三因次的(1+K )方法进行换算，故船模的总阻力系数应写作：()Rm Fm Tm 1C C K C ++= (6-9)式中，C Fm 为按1957ITTC 公式计算之摩擦阻力系数，C Rm 为剩余阻力系数，(1+K )为形状因子，可根据傅氏数Fr = 0.1～0.2范围内的试验结果按下式决定：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=Fmm FmTm1C Fr A K C C(6-10) 其中，(1+K )、A 、m 等数值由最小二乘方确定。