船模自航试验指导书

（相当于实船自航点） ， Z 5 = 2 Ra 。对于大小不同的强制力，为保持预定的船模试验速度 Vm 而要求螺旋 桨模型发出的推力 T、转速 n 及扭矩 Q 是不同的。因此对于一个试验速度需要进行五次试验，而且各次的 速度应保持一致。将其同一速度测得的 n，Z，T，Q，等数值绘制如图 2 的曲线。图中 Z = R a 直线与 Z～ n 曲线的交点 a 即为对应于实船的自航点，对应于此点的转速，推力，扭力矩可从图中读出。图中 Z=0 时 的 b 点相当于船模自航点。
Rts ρ ( R − Ra ) = s .λ3 . tm 1 − ts ρm 1 − tm
即
Ts =
ρs 3 .λ .Tm ρm
由此可见，在自航试验中进行 R a 修正的目的，是为了使螺旋桨模型与实桨的载荷相一致。只有在这 种情况下才能分析处理自航试验的结果并进行实船航行性能的预报。 上述船模阻力 Rtm 是由船模阻力试验测得，实船总阻力 Rts 是根据船模阻力换算而得，其中还应包括 实船得附体阻力，空气阻力以及船体表面粗糙度的附加阻力。有关船模阻力 Rtm 及实船总阻力 Rts 的决定 可参见本水池编写的《船模阻力试验指导书》 。 四、自航试验方法 进行自航试验的方法有两种：一种是纯粹自航法，另一种为强迫自航法。
Rts ≠
ρs 3 .λ .Rtm ρm
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数据分析和实船性能的预报。 三、摩擦阻力修正值 如上所述，在船模自航试验中当同时满足 Fr 数和 J 相等，则模型和实船之间的各种力基本上是 λ3 的 关系。两者总阻力之间不存在 λ3 的关系，主要是摩擦阻力部分造成的。 为了使船模自航试验中各种力都存在 λ3 的关系，必须人为地对阻力进行修正，将其硬凑成与 λ3 成比 例，即在试验时，从船模总阻力 Rtm 中预先人为地扣除一数值，称为摩擦阻力修正值 R a ，使实船的总阻力
度 Vm 所对应的数值 nm , Tm , Q0 , Z 0 ，其关系为：
Vm n m = V0 n0 Tm Qm Z m V = = = ( m )2 T0 Q0 Z0 V0
2. 绘制自航曲线 将每一组数据， 以 n 为横坐标， 强制力 Z， 推力 T 和转距 Q 为纵坐标作曲线， 求出每一速度时 Z = Ra 时的实船自航点，读出对应于实船自航点的推力，转距和转速。 3. 推进系数及其成分的分析计算 根据船模试验阻力曲线、螺旋桨模型敞水性征曲线及船模自航试验曲线，可以进行相当于实船自航点 的推进效率成分计算。 当船模速度 Vm ， 其阻力为 Rtm ， 摩擦阻力修正值为 R a ， 在自航试验曲线上由 Z = Ra 处得到螺旋桨模型的转速 nm ，推力 Tm ，扭矩 Qm 。由螺旋桨模型推力 Tm 克服的船模阻力为 ( Rtm − Ra ) 。 其分析计算的步骤为： 1) 似是推进系数
[Cts ]m =
Rts 1 ρ sVs2 S s 2
，表示由船模阻力换算所得的实船总阻力系数。
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在实船性能预估中，其总阻力系数应取为 [C ts ]s = [C ts ]m + ∆CT 。 ∆CT 称为实船性能的相关因子。根 据交大水池的分析结果
∆CT = 0.1831 − 1.6154 × 10 −10 RN ( RN 为实船雷诺数） 。
5)
螺旋桨的进速
V Am = J .nm Dm
船模伴流分数
ω=
6) 推力减额分数
Vm − V Am V = 1 − Am Vm Vm Rtm − Ra Tm
t = 1−
7) 船身效率
ηh =
8) 相等旋转效率
1− t 1−ω KQ KQ
−
ηr =
9) 似是推进系统
η D = η 0 .η r .η h
Rtm 与( Rtm － Ra )成 λ3 比例，即 Rts =
或
ρs 3 .λ .( Rtm − Ra ) ρm ρ m Rts . ρ s λ3
（5）
Ra = Rtm −
经过上述处理后， 船模自航试验系统中各种力之间便都存在与 λ3 的关系。 螺旋桨模型发出的推力 Tm 仅 需要克服阻力( Rtm － R a )，即相当于实际螺旋桨发出推力 Ts 克服实船的总阻力 Rts 。假定 t s = t m ，则（5） 式可写作
五、试验步骤 1. 试验前的数据预估：为了使试验顺利进行，试验前需预估若干数据。 a) 选择 4～5 个试验速度（设计航速包括在内）,至少 4 个试验速度。 b) 对每一试验速度，选择 4～5 个强制力 Z。 c) 根据经验公式估计推力减额 t。 d) 由阻力曲线上查出该速度下的船模阻力 Rtm ，根据 Rtm 和选定的若干 Z 估算相应的推力
这里所得的η D 应与 1）中所得的η D 数值一致。由于计算造成的误差不得超过 0.001。 以上所得的结果都是相应于实船自航点的船模数据。 4. 实船性能预估 所谓实船性能预估，是指根据船模自航试验结果经过分析计算，给出实船航速、螺旋桨转速及收到马 力之间的关系。 由于，模型试验中未能做到与实物粘性相似，两者得雷诺数相差约为 102 量级，致使阻力换算结果与 实际有差别。另外伴流中的摩擦伴流部分受粘性的影响较大，船模的伴流分数大于实船的伴流分数。因此 要对阻力和伴流进行修正。 设船模的试验速度为 Vm ，实船的相应速度为 V s = Vm λ ，由船模试验换算所得的实船总阻力为 Rts 。 其相应的总阻力系数为：
实船的伴流分数为：
ω s = (ω m − ω pm )
C fs C fm
+ ω pm − 0.03
式中， ω m 为船模的伴流分数， ω pm 为船模的形势伴流分数。一般取为 ω pm = t m ， C fs、C fm 分别为实船 和船模的摩擦阻力系数。 对于推力减额分数 t 和相对旋转效率η r ，一般认为受尺度作用的影响不大，船模的数值可直接用之于 实船，即 t s = t m ,η rs = η rm 。 实船性能的预估步骤详见所附的表格。 将表中计算得到各船速 Vs （以 Kn 计，作为横坐标）时相应的螺旋桨转速 N S （以 rpm 计） 、螺旋桨的收到 功率 PDS (以 kw 计)作为纵坐标绘制 PDS ～ Vs ， N S ~ Vs 曲线如图 3 所示。图中的曲线仅仅表示螺旋桨与船
船模自航试验指导书
一、船模自航试验的目的： 通过船模阻力试验及螺旋桨模型敞水试验，我们分别求得船体阻力曲线及螺旋桨的敞水性征曲线，但 是，实际上船体和螺旋桨是一个整体，当船舶在船后螺旋桨工作时运行，它们之间彼此相互影响附近的速 度场和压力场，此种影响是非常复杂的，迄今还不能用纯粹理论的方法来正确计算，而船模自航试验是目 前研究船体和螺旋桨相互影响最有效的方法。 船模自航试验的目的是测定船模在螺旋桨推进下的航行性能，据此可检验该船型、主机和螺旋桨之间 的配合情况，求得该船型在某一速度下的伴流分数和推力减额分数。对于新设计的船舶来说，自航试验可 用于预报实船能够达到的航速以及船体、主机和螺旋桨是否匹配。自航试验还可以对若干方案进行比较， 从而选择较优的方案。 在船模进行自航试验之前，必须完成船模阻力试验和螺旋桨模型的敞水试验。综合三种试验的结果才 能进行完整的数据分析和预报实船性能。 二、自航试验的相似理论 我们知道在船模阻力试验时必须保持模型和实船的 Fr 数相等， 而在敞水试验时必须保持进速系数 J 相 等。故在船模自航试验时必须同时满足 Fr 数和 J 相等的条件。 设 LS ，DS ，VS ，V AS，n S，及Lm，Dm , Vm，V Am，n m 分别为实船和船模的船长，桨直径，船速， 进速，转速，则由 Fr 数相等的条件得：
Vs gLs
或
= Vs λ
Vm gLm
(1)
Vm = Ls 为缩尺比 Lm
式中， λ =
由进速系数相等得条件，得：
V AS V = Am n S DS nm Dm
假定伴流不受尺度影响，即
V AS V Am = VS Vm
则
nm = n s .
V V A DS . = n S . m .λ = n S λ V AS DM VS
T=
Rtm − Z 1− t
2. 在进行试验时，阻力仪砝码杆上的砝码重量相应于预定的强制力 Z。由拖车通过刹车装置带动船 模前进，同时启动螺旋桨，当拖车加速到预定速度时，保持匀速前进，松开刹车装置，使船模于 拖车脱开，同时调节螺旋桨转速使其达到预计的推力 T，使船模与拖车等速前进，待稳定后，记 录船模速度 V，转速 n，强制力 Z，推力 T，转力矩 Q。依上述方法系统改变强制力进行试验，可 得对应于一个速度的一组自航数据。改变试验速度依次进行试验，可得相应速度的若干组自航数 据。 六、试验数据的整理和分析 1. 对测量数据进行速度修正 在对某一预定速度 Vm 进行试验时，一般需要变更强制力 Z 五次，即该组试验要进行五次。由于很难 保证五次测得的速度都是预定的试验速度 Vm ，故需将试验测得的数据修正到对应于预定苏打 Vm 的数值。 如某次试验测得的船模速度为 V0 ，其相应测得的数据为 n0 , T0 , Q0 , Z 0 ,则可用下述方法将其修正至预定速
1. 纯粹自航试验 在进行试验前首先决定船模的速度及算出摩擦阻力修正值 R a 。各种测量仪器的布置如图 1 所示。所 采用的电测动力仪与敞水试验相同。在进行试验时，阻力仪砝码杆上挂的砝码重量相应于预定速度 Vm 时 的摩擦阻力修正值 R a 。然后，由拖车通过制动装置带动船模前进，与此同时，启动螺旋桨使之产生推力， 当拖车达到所需之船模速度时，松开制动装置，使船模与拖车脱开，同时调节螺旋桨转速，使其发出的推 力恰能克服阻力（ Rtm － R a ） ，保持拖车速度与船模速度相同。待稳定后，记录拖车的速度 V，螺旋桨模 型转速 n，螺旋桨推力 T 和转力矩 Q。这种方法称为纯粹自航法。由于要使拖车速度严格地与船模的预定 速度 Vm 一致，调节工作相当困难和费时，因此，各水池一般都采用强迫自航法。 2. 强迫自航法 试验仪器及其布置与纯自航法相同。在进行试验时，自航船模在螺旋桨推力 T 和拖车上阻力仪对船模 的拉力（及强制力 Z）共同作用下运动。在试验时保持拖车速度 V（即预定的船模速度）不变，调节螺旋 桨模型的转速使其发出的推力克服 ( Rtm − Z ) 。待拖车速度和船模速度一致且稳定后，测量并记录船模速 度 V（即拖车速度） 、强制力 Z，螺旋桨的转速 n，推力 T 和扭矩 Q。对某一选定的船模试验速度 Vm ，一 般需要外加五个不同的强制力 Z 1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 , Z 5 。其范围大致是 Z 1 = 0 (相当于船模的自航点)、 Z 3 = Ra
（2）
（1） （2）两式是船模自航试验应满足的相似条件。由于船后螺旋桨满足了进速系数相等的条件， 螺旋桨及其模型之间的推力和扭矩存在下列关系：
Ts =
ρs 3 .λ .Tm ρm
Qs =
ρs 4 .λ .Qm ρm
（3）
（3）式只对螺旋桨来说是正确的。但自航试验是把螺旋桨与船体联系在一起考虑的，因此推力与阻 力之间必然有： 对于实船： Ts (1 − t s ) = Rts 对于船模： Tm (1 − t m ) = Rtm 如果将（3） （4）两式联系起来分析，发现两者是不一致的。假定推力减额无尺度作用， t s = t m ，则 从（4）式看来，实船与船模的阻力之间也应与 λ3 有关才能使两者一致。但是在船舶阻力中我们已知，当 船模与实船在 Fr 数相同时，两者的总阻力并不存在 λ3 的关系，即
ηD =
2) 穿后推力系数
( Rtm − Ra )Vm 2πn m .Qm
KT =
3) 船后扭矩系数
−
Tm 2 4 Dm ρn m Qm 2 5 ρn m Dm
KQ =
−
−
4)
由等推力法据： K T = K T ,则在螺旋桨敞水曲线上， 读出相应的进速系数 J， 敞水扭矩系数 K Q , 敞水效率η 0 等。
体的关系，亦即螺旋桨以转速 N S 旋转时如能收到功率 PDS ，则便能推进该船以速度 Vs 航行，因此还没有 涉及到与主机的关系。 为了预报实船能达到的试航速度和判断螺旋桨与主机是否匹配，需将主机能够供给螺旋桨的功率画在 同一张图上。设该船配置的主机在转速为 N 时机器的功率为 PM ，则扣除轴系传送效率（一般为 0.98）和 减速齿轮箱效率（一般为 0.96）后便可得到主机在转速 N 时能够供给螺旋桨的功率 PS 。将 PS 为纵坐标作 水平线，与 PDS ～ Vs 曲线的交点表示主机能够供给螺旋桨的功率恰为螺旋桨所需要的收到功率。由此交点 所 对应的船速即为实船所能达到的试航速度 Vs ，同 时在 N S ~ Vs 曲线上可 得出螺旋桨的转速 N S ， 如 果