第六章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，

m

m s

s g g L V L V =

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，

m

m Am s s As D n V

D n V = 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：

λD D

L L ==m

s m s 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 m

Am

s As = 由于 ()s s As 1V ωV -=，()m m Am 1V ωV -= 故

()()λn V

ωn V

ωm

m

m

s

s

s

11-=

-

或 ⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛--=s m

s m 11ω

ω 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：

⎪

⎪

⎪⎭

⎪

⎪⎪⎬⎫===5.3m

s Dm Ds 4m

s m s 3m

s m

s 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

3m

s m s λρρ

R R ≠

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。

(6-4)

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：

3s s m m D λR

ρρR F -=

或 ()D m 3

m

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：

3

m D m s s 11λρρt F R t R m s ⋅--=- 或 3

m

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

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)

图 6-1