第5章 船模阻力试验

1．拖车式船模试验池
拖车式船模试验池都装有沿水池两旁轨道上行驶的拖车，如图5-1所示。拖车的用途首先在于拖曳船模保持一定方向和一定速度运动。其次安装各种测量和记录仪器，例如测定船模拖曳阻力的阻力仪、记录船模升沉和纵倾的仪器以及记录船模速度的光电测速仪等，甚至为了便于观察试验现象、拍摄照片和录像，在拖车上还设有观察平台。现代船池的拖车上还配置有计算机处理系统，以便迅速地给出试验结果。
(3)船舶耐波性方面的试验，主要研究船模在波浪上的运动和航行状态；
(4)操纵性方面的试验；
(5)强度和振动方面的试验。
2．重力式船模试验池
这种试验池较拖车式试验池简单得多，它没有拖车设备，是靠重量的下落来拖动船模的，如图5-2示。砝码的重量就等于船模的阻力，如同时记录船模被拖动一定距离所需要的时间，就可得到相应的船模速度。因此，重力式船模阻力试验是在给定阻力情况下，测定船模相应的速度。
普通的船模试验池，其主要任务是进行船舶模型的拖曳、自航及适航性等试验。水池狭而长，配置有拖动设备和测量仪器以测得船模在不同速度下的阻力值。为了避免海水的腐蚀作用，试验池的水都采用淡水。
为了提高船模试验的精确性，使能对较大尺度船模进行试验，并能更广泛地进行船舶性能、强度和振动等多方面的试验研究，通常需要建立拖车式船模试验池。
重力式船模试验池的优点是：水池小，设备简单，建造成本低，并具有一定的准确性。其不足之处是：船模尺度小，尺度效应大，因此在一定程度上使试验内容受到限制，而且将影响试验结果的精确性，此外也不便于观察船模的运动和水流情况等。
三、船模阻力试验方法和内容
如前所述，船模阻力试验是将实船按一定的缩尺比制成几何相似的船模，在满足Fr数相等的条件下，在船池中拖曳以测得船模阻力与速度之间的关系。
本章先对船模试验池和船模阻力试验作一简要介绍，然后分别从设计和研究观点来讨论表达船模阻力数据的方法。
§5-1 拖曳试验依据、设备和方法
船模试验是研究船舶阻力性能的主要方法。因此需要了解船模阻力试验的依据，试验设备和具体的试验方法。
一、船模阻力试验的依据
由§1-2的阻力相似定律指出：如能使船模和实船实现全相似，即船模和实船同时满足Re和Fr数相等，则可由船模试验结果直接获得实船的总阻力系数。§1-4中已阐述船模和实船难以实现全相似条件。根据现实可能性，也不能实现船模和实船单一的粘性相似，即保持Re相等，这是因为，如要使Rem=Res，则必有：
其次，船模在试验前要安装人工激流装置，一般用细金属丝缚在船模的9 站处，则在细金属丝以后的边界层中产生紊流，这细金属丝称为激流丝。
υmLm/vm=υsLs/vs
即υm=αυsvm/vs(5-1)
式中，α为船模缩尺比。
因为船模和实船的运动粘性系数两者数值相近，如假定vm=vs，则(5-1)式为：
υm=αυs(5-2)
由于船模均要比实达到超音速情况下进行试验，显然是不现实的。
拖车式船模试验池的优点是：可以采用较大尺度的船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较高；其次，拖车式船池能进行广泛的试验，除了船模阻力试验外，还可以进行以下诸方面的试验研究：
(1) 测量和观察船体表面的流动状况，这对于船体线型设计和附体布置是很有价值的；
(2)船舶推进方面的试验，如螺旋桨模型的敞水试验、船模自航试验以及进行船体与螺旋桨的相互作用问题的研究等；
1．试验准备
为了进行阻力拖曳试验，必须进行一系列试验准备工作：
首先按一定要求制作试验用的船模。船模的缩尺比依据水池的长度、拖车最高速度以及实船的尺度和航速来确定。船模线型要与实船保持几何相似，表面必须光洁，满足一定的加工精度。船模所使用的材料通常有蜡质和木质两种。木质船模不易变形并可以保存。对于一些重要的和试验周期较长的模型，采用木模为宜，但其加工困难，时间长，成本高；而蜡模加工方便，时间短，便于改型，且石蜡又可重复使用，唯在夏季气温较高时容易变形。
有不少船模试验池具有假底设备，池底与水面的距离可以调节，因此可作浅水船模试验。如果在假底上再建造边壁，则就可以进行限制航道中的阻力试验。近年来，为了进行限制航道船模试验，亦有将试验池的水面放低，同时阻力仪也相应下降来做试验的。也有建造专门的浅水试验池供进行限制航道船模试验之用。
船模试验池按照拖曳船模的方式可分为拖车式和重力式两种。
因此船模阻力试验，对水面船舶来说，实际上就是在满足重力相似条件下(保持Fr数相等)进行的。由于是在部分相似条件下所得的船模阻力值，因此必需借助于某些假设，诸如傅汝德假定，休斯假定等才能换算得到相应的实船总阻力。
二、船模试验池
船模试验池是进行船舶性能研究和某些结构、强度试验的重要设施，因而世界各国均普遍建造了各种船模试验池。
船模试验池的尺度主要由船模的大小和速度而定。此外，还与拖曳设备的特点、试验的要求等有关，因为水池的长度和拖车的速度实际上对船模的尺度和速度有一定的限制。船模每次试验时，启动拖车并加速到所需的试验速度，需要经过一段距离，然后进入匀速段，测量和记录船模的阻力和速度，最后拖车开始减速直至停止，需要留有一段减速距离。显然水池的长度应大于这三段距离之和。船模速度越高，则各段的距离相应亦要增加，特别是匀速段距离越长，越易于进行测量和记录。由于试验是在保持Fr数相同的条件下进行的，所以船模的试验速度与缩尺比的平方根成反比。当船池的长度、速度受到限制时往往只有通过增大缩尺比，减小船模尺度和速度来进行拖曳试验。此外，船池的宽度和深度也应以减少池壁和池底对船模试验的影响为依据，即池壁干扰作用不致过大，以保证试验的准确性。所以长度较大的船模试验池其池宽和池深也要相应增大。
第五章 船模阻力试验
船模试验是研究船舶阻力最普遍的方法，目前关于船舶阻力方面的知识，特别是提供设计应用的优良船型资料及估算阻力的经验公式和图谱绝大多数是由船模试验结果得来的。新的理论的发展和新船的设计是否能得到预期的效果都需要由船模试验来验证。而理论分析的进一步发展，又为船型设计和船模试验提供更为丰富的内容，以及指出改进的方向。因此船模试验是进行船舶性能研究的重要组成部分。