船模阻力试验的试验装置和数据测量方法及不确定度分析汇总

船模阻力试验的试验装置和数据测量方法及不确定度分析船模阻力试验需要在船舶拖曳试验池中完成，船舶拖曳试验池是水动力学实验的一种设备，是用船舶模型试验方法来了解船舶的运动、航速、推进功率及其他性能的试验水池，试验是由电动拖车牵引船模进行的。

船舶、潜艇、鱼雷、滑行艇、水翼艇，气垫船、冲翼艇、水上飞机和各种海洋结构物等都可在水池中作模型试验。

一、船模阻力试验池结构船模阻力试验池是进行船模阻力试验的设施，因而世界各国均普遍建造了各种船模试验池。

普通船模阻力试验池的主要任务是进行船舶模型的拖曳、阻力性能试验、螺旋桨性能、自航及耐波性等试验。

试验池狭而长，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。

为避免海水的腐蚀作用，试验池的水都采用淡水。

船模阻力试验池按拖曳船模的方式可分为拖车式和重力式两种。

图1拖车式船模阻力试验池示意图拖车式船模阻力试验池都装有沿水池两旁轨道上行使的拖车，如图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。

为便于观察试验现象、拍摄照片和录像，在拖车上还设有观察平台。

现代船模阻力试验池的拖车上还配置有计算机数据采集和实时分析系统，以便迅速地给出试验结果。

拖车式船模阻力试验池的优点是：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，拖车式船模阻力试验池可以进行广泛的试验，除了船模阻力试验外，还可以进行船舶重力式船模阻力试验池如图2所示，是早期用于进行小船模阻力试验的简陋 设施。

试验时靠重量的下落来拖动船模，当船模达到等速前进时，砝码的重量就 等于船模的阻力，记录船模被等速拖动一定距离所需的时间， 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，测定相应的船模速度。

这 种水池仅能进行小船模的阻力试验，无法满足现时对船舶性能研究的需要•因此 已某本被淘汰。

为了提高船模阻力试验的精度，对较大尺度船模进行试验，并能更广泛地进 行船舶性能等多方面的试验研究，通常需要建立拖车式船模阻力试验池。

船模阻力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，启动拖车并加速到规定的试验速度， 需 要经过一段加速距离。

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。

显然水池的长度大于这三段距离 之和。

船模速度越高，贝咯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。

F r 则可推导出：Re LV 盒—。

对于实船和船模来说：L m gL m - （土卡 亠。

s m L m m其中：淡水m 1.139 10-6 ；海水s 1.188 10-6，则L s L m 。

所以由上述 推导可知保证雷诺数R e 和傅汝德数F r 同时相等是不可能实现的。

则船舶阻力试 验是在保持傅汝德数F r 相正常情况下，船模阻力试验应保证雷诺数R e 和傅汝德数F r 同时相等，其中 ReLv ； 推进、船舶耐波性、船舶操纵性以及船舶强度和振动等方面的试验。

图2重力式船模实验池示意图同的条件下进行的，但是雷诺数R e 2 106，并且在船模首部5%L m处安装激流装置，才能满足船模边界层中的水流处于紊流状态，否则船模阻力实验的结果R tm会因为层流的影响而不可能正确地换算到实际船舶的总阻力R t，所以船模的试验速度V m与缩尺比的平方根成反比。

当船模阻力试验池的长度、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，试验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阻力试验池的池宽和池深也要相应增大。

有不少试验池也具有假底设备，池底与水面的距离可以调节，因此可做浅水船模试验。

如果在假底上再临时搭建有边壁，则可以进行限制航道中的阻力试验。

近年来，为了进行浅水航道船模试验，亦有将试验池的水而放低，同时阻力仪等测量仪器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。

船模阻力试验池池体为钢筋混凝土结构，一般为矩形。

在两边池壁上铺设轨道，拖车在轨道上行走。

拖车由直流电动机驱动拖曳船模进行试验。

对拖曳速度实行自动控制，保持速度精度0.3 %。

〜1%°。

试验池横剖面面积（池宽x水深）应超过船模水线以下中央横剖面面积250倍,池壁效应方可忽略不计。

试验池长度根据拖车最高速度而定，包括拖车的加速段、等速段和减速段的距离。

为模拟浅水航行，池底要平坦，水深可调节。

在水池的一端装有可在水池中产生规则和不规则长峰波的造波机。

通过测量船模在波浪中的纵向迎随波浪运动特性参数，可研究船模的耐波性能。

二、船模阻力试验的试验方法1.船模制作：根据实船的主尺度和线型图按选定的缩尺比绘制船模加工图，经过木板的下料、胶合、切削、加工和油漆等各种工序，制作成表面光滑，符合精度要求的船模。

并在船模外表面两侧首、中、尾画出吃水标志。

2.加装激流丝：为了避免在层流状态中做船模试验，须采用激流措施。

离船模艏柱后为船艏柱和艉柱之间的长度处沿船体外表面安装直径 1 mm的金属丝来激流3.称重：根据实船的排水量按缩尺比计算相应的船模排水量，并进行称重。

在空船模内部加压铁，使称得的重量恰为试验所要求的船模排水量。

4.调整船模的浮态：将船模吊放在水池中，在船模内横向和纵向移动压铁，使船模两侧的首、中、尾吃水符合要求。

5.检查测试仪器是否正常，擦干净水池两侧的轨道表面，用刮水板清除池水表面的浮尘。

6.安装：使船模的中纵剖面与前进方向一致。

将阻力仪与船模内底部的金属板用螺丝刚性连接，同时要注意测力点应位于船模的中纵剖面内。

然后将拖车上的导航杆与船模相连。

在试验过程中，导航杆只用于限制船模的横向运动，并不影响进退、纵摇和升沉运动。

7.测量水池中水的温度，以便查得该温度时水的运动粘性系数。

8.根据实船要求的试航速度V s和缩尺比，算出相应的船模速度V m，并制定需要试验的10〜15个船模速度，其中2〜3个船模速度应大于试航速度，其余则低于试航速度。

10〜15个试验的船模速度间隔应分配均匀。

9.在上述各项工作准备就绪后，即可进行船模阻力的拖曳试验。

试验开始时，拖车及船模位于船模阻力试验水池的起始一端，拖车的夹紧装置夹牢船模上的刹车板。

根据预定的船模速度V m1 ，启动拖车，拖车带动夹紧的船模一起作加速运动。

待拖车达到要求的速度V m1 时，松开拖车的夹紧装置，此时船模在阻力仪的带动下以速度V m1前进。

由测速装置及阻力仪同时开始记录船模的速度V m1及遭受的水阻力R tm1 ，数据记录的持续时间通常在20 秒左右。

记录完毕后，拖车的夹紧装置夹牢船模作减速运动。

拖车停止后即返回水池的起始一端，完成了一个预定速度V m1的阻力试验。

待水池中的水表面比较平静后开始下一个预定速度V m2的阻力试验。

依次进行10〜15 个速度的试验，便完成了船模的整个阻力试验。

三、船模阻力试验的数据测量方法及试验测量装置所谓测量，就是用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，确定两者之间的比值，从而得到被测量的量值。

使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪器进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法，称为直接测量法；通过直接测量与被测量有某种确定的函数关系的其他各个变量，然后将所得的数值带入函数关系式进行计算，从而求得被测量数值的方法，称为间接测量法；测量中使各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量或者间接测量所获得的数据，通过求解联立方程组以求得未知量的数值，称为组合测量。

船模阻力试验要求测量和记录的主要物理量有船模速度、船模阻力、船模纵倾角、重心升沉和浸湿长度等。

1.船模速度V m测量。

根据实船长度、速度范围和模型尺度按傅汝德数F r相似的原则，确定船模的试验速度范围。

然后在不同的速度下进行拖曳试验。

待拖车速度达到稳定匀速时即可进行速度和阻力的记录。

船模速度就是拖车速度，具体方法通常由测速装置测定船模速度V m，拖车行驶的距离由记录测速轮转动一定距离的脉冲得到，时间由继电器记录每秒钟时间间隔的脉冲得到。

由机械式测速轮得到距离记录与相应的时间记录来计算船模速度。

2.船模阻力R tm的测量。

由机械式阻力仪测定船模阻力R tm。

船模阻力记录采用的仪器为机械式阻力仪如图3所示，一般由弹簧或摆轮和砝码等组成，砝码平衡阻力的主要部分，其余则由弹簧或摆轮进行测量。

图3机械式阻力仪机械式阻力仪的工作原理图可见图4。

由图4可知，图2表示船模与摆秤式阻力仪的连接情况，有固定连接在一起的A、B、C三轮子所责成的摆秤可以绕O轴转动，拖曳船模的钢丝通过导轮E与A轮相连接，B轮上挂有砝码盘。

当拖车作匀速运动时，船模阻力R t m中的主要部分由砝码盘上砝码重量W所平衡，小部分则由摆锤p的偏移来平衡，而摆锤偏移的大小可以由连接C轮和F 轮的钢丝下端所装有的记录笔在记录筒上记下摆秤的偏移角度求得。

设船模在速度V m时航行的总阻力为R tm ；砝码盘和砝码的总重量为W ；摆锤重量为p ；r A、r B和r c分别为阻力仪同轴轮A、B、C的半径；l p为摆锤p的中心到轮轴中心Q的距离；为摆锤p的偏移角度。

由力矩平衡原理得：WrB P1P S in R tm r Ar |由此，可以得到船模的阻力为R tm空W p丄sinr A r A对于给定的阻力仪摆轮，只要已知砝码的重量W，并由记录筒记录下摆针的偏移，就可求得船模阻力R tm的值。

图4机械式阻力仪的工作原理3.船模纵倾角和重心升沉的测量。

船模航行过程中的纵倾角和上升或下沉的位移可以用如图5所示的线绕式纵倾仪直接读出来。

A、B、C、D为定滑轮, 首尾两点通过钢丝分别绕在动滑轮E的两条槽中，且它们的端点均超过它本身切点的3/4周长处。

当船模产生纵倾时，带动E轮转动，指针F所示角度即为纵倾角。

当船模同时伴随着升沉时，E轮的上下位移由指针G读出，此即为船模航行时的升沉位移值。

4.浸湿面积和湿长度的确定。

排水式船舶由于航行中航态变化小，所以认为浸湿面积和湿长度与静浮状态相同。

但对于滑行艇，其湿长度和湿表面积将随拖曳速度而变化。

因此，对于每一拖曳速度，通过摄影、摄像或其他方法得到艇体与水的接触部位，进而确定浸湿面积和湿长度。

对于每一状态的阻力试验应保持一定的试验点，且要均匀分布。

船模阻力试验测量结果都是以速度之间的关系来表示。

如阻力-速度曲线、航行纵倾角-速度曲线等。