快速性试验船舶性能试验ppt课件

第四讲 船舶快速性试验技术,船舶与海洋工程试验技术,1,主要内容,试验目的和意义 测试仪器 试验原理及过程 数据处理和分析,2,一 试验目的和意义(1),1.船模快速性试验目的和内容 *船舶快速性是指船舶在一定装载状态下，在某 一指定主机功率时航行的快慢问题。 *通常用快速性试验检验船舶是否达到快速性的 设计要求。快速性试验内容通常包括阻力试验、 推进器的敞水试验和船模的自航试验。,3,阻力试验目的 确定船体阻力,研究线型和船体参数变化对船体阻力的影响,研究各种附体阻力及其对总阻力的影响,选择优良的线型. 推进器的敞水试验 研究推进器自身的水动力特性及各种参数变化对性能的影响. 自航试验 分析研究各种推进效率成分的重要手段,采用一定的方法预报实船性能,验证是否满足快速性要求,同时也可以判断船机桨的匹配性.,一 试验目的和意义(2),4,二 试验设备和仪器,水池及控制系统 电机及调速仪 压力传感器 拉压传感器 多分力天平 自航仪(推扭传感器) 敞水箱,5,图 3 SIEMENS 6R24 全数字直流调速系统及水池,6,多功能高压直流电机及伺服驱动器,压力传感器,7,拉压传感器及自航仪,8,后置式敞水箱,前置式敞水箱,9,10,1试验前的模型准备 a 尺度确定 阻力试验时，要求弗劳得数相等，即 ,故 式中： 为缩尺比； （忽略黏性） 敞水试验时，要求进速系数相等，即 几何相似： 因此： 根据GB*/Z346-85的规定，用于自航的螺旋桨模型直径不 得小于0.12m。,三、试验原理及试验流程,11,b 激流装置 平板摩擦阻力计算公式主要是适用于湍流，激流丝的作用是使得层流边界层尽快过渡到湍流边界层，减少流态对模型阻力换算的影响。 激流丝增加的阻力与船模首部层流降低的阻力抵消。 常用的激流装置有以下几种： 金属丝 狭条粗糙表面 急流杆 首柱小钉,激流丝的直径,试验报告中必须说明激流丝安装的位置和形式,12,c 吃水标志和安装附件 d 称重和压载 船模试验状态的总质量应与计算的排水量一致。试验完毕后，船模质量要复秤，两次秤重之差额不应大于0.5%。 e 安装 f 破水（以设计速度破水同时测量力，以确定量程）,13,2 船模静水阻力试验 2.1 船模连接 分为水上水下船模阻力试验。因船模位置不同，而连接方法不相同。,14,水下阻力试验安装图,15,16,17,2.2 船模阻力试验中物理量的测量 主要物理量是船模阻力和船模速度，对高速船舶还需要测量航行中的浮态变化。 2.3 试验点安排 从低速到略超过设计航速的范围内选取若干个速度，一般少于15个。速度间隔大致均匀。最大速度值一般应大于要求速度的10%。 2.4 试验精度 阻力试验测量精度可取0.2%，拖曳速度的波动值宜小于0.3%。阻力试验结果的平均误差小于1.5%。,18,3 试验速度修正 *注意到池壁影响问题。最简便实用池壁修正方法是根据所谓的阻塞效应修正船模速度。 *阻塞效应的修正： 计算 ，并将试验曲线 修正为 曲线 *根据连续性定理，可得： 或 根据伯努利方程，有 令 ，整理后得： 若已知A、 及 值即可求出回流的平均速度 。,19,池壁修正曲线,20,池壁修正2： V/V = m1/(1 - m1 Fnh2) 式中m1= Am/(bh), 当m1小于 1时影响细微可不修正。,21,22,4 船模阻力试验结果的换算方法 *二因次方法亦称弗劳德方法，三因次方法为1978年ITTC性能委员会推荐的方法。 4.1 二因次法 弗劳德假定： 船的总阻力分为摩擦阻力和剩余阻力两部分组成。且认为摩擦阻力仅与雷诺数有关，剩余阻力仅与弗劳德数有关； 因此，有： 或 根据弗劳德假定，实船的剩余阻力系数 和模型的剩余阻力系数 是相等的。而摩擦阻力是雷诺数的函数且与物体的形状有关。由于流线型物体表面曲率对剩余阻力的影响不甚明显，弗劳德有假定，船的摩擦阻力与速度同长度同湿表面积的平板摩擦阻力相同.,23,1957年的第八届ITTC建议取 考虑到粗糙度对剩余阻力的影响，引入粗糙度附加值 实船裸体总阻力系数为 实船的总阻力和有效功率为 弗劳德提出的换算方法曾被世界各国的船模试验池中广泛使用，直到现在仍在继续使用。用该假定进行计算的结果与实际相当接近，而要建立更完善、合理的假定有很多困难。严格地说，弗劳德假定既不合理，又不完善。,24,4.2 三因次法,三因次换算方法是1978年第15届ITTC推荐的方法。将船的总阻力分为三个部分，即平板摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。粘压阻力包括摩擦阻力的形状效应和因边界层分离而产生的旋涡作用。两者均因水的粘性而产生，所以应为雷诺数的函数。,船的总阻力可以写为,或,25,式中，1+k为形状因子，k称形状系数。它只与船形有关，且认为几何相似的船的形状因子1+K是相同的。形状因子根据船模在弗劳德数Fr=0.1-0.2范围内阻力试验结果，按下式确定： A及n等数值均由最小二乘法确定，指数n的范围为2.06.0。,如果将摩擦阻力和粘压阻力合并计算，并称之为粘性阻力，可以写为：,26,1978年第十五界届ITTC性能委员会推荐的方法中，船的总阻力还需要考虑空气阻力及粗糙度附加。 有舭龙骨实船的总阻力系数为 cm船模的总阻力系数 实船粗糙度附加，按下式计算： cAA空气阻力系数，按下式计算： N = 4 , PROHASKA 法 （普鲁哈斯咔法）,27,4.3 误差来源,试验本身的一些影响因素 池壁影响 尺度效应 拖车速度（加速度、平稳度） 轨道平直 消波（开过后，要等一段时间，等水平静后再开） 测量仪器本身的误差,28,5 螺旋桨模型的敞水试验,1对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定 实际螺旋桨的水动力性能。 2通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种几何要素对水动力性能的影响。 3检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方法。 4通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。现时广泛使用的楚思德B系列图谱和MAU系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水试验的结果。,29,5.1 螺旋桨模型试验的相似条件和要求 几何相似；Dm的决定；150mm / 300mm 螺旋桨模型有足够的深度； 试验时雷诺数应大于临界雷诺数。 进度系数相等。 螺旋桨雷诺数采用ITTC推荐表达式： 临界雷诺数一般大于3105 桨模的沉深深度：,30,31,32,33,34,35,Propeller Model Test A test on a model propeller is run either in a towing tank or a running flow in a water tunnel (cavitation tunnel) without a model hull in front of it, which is called “open water” tests.,1) VA velo.of flow 2.) n - rotation of motor 3.) po - pressure can be controlled Measure VA , Q, T, and n.,36,Development of cavitations of a propeller in a cavitation tunnel,37,38,39,40,Purpose of open-water tests It is usually to carry out open water tests on standard series of propellers. Their features (such as # of blades, blade outline shape, blade area ratio, blade section shape, blade thickness fraction, boss diameter & pitch-diameter ratio) are systematically varied. The result data are summarized in a set of particular diagrams, which can be used for design purposes. We will study how to use these diagrams later for designing a propeller. Studying the efficiency of a propeller and find a propeller with better efficiency Studying the extent and development of cavitations over a propeller.,41,5.2 试验设备及试验, 主要设备是螺旋桨动力仪,42,试验前准备工作,仪器的标定（静标） 采用假毂测量零扭矩 推力修正 仪器动标,43, 敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。速度范围应从va0至推力小于零的进速之间，在该范围内测点取15个左右。 试验数据的表达： 进速系数： 推力系数： 扭矩系数： 效率：,44,5.3尺度作用修正 因雷诺数的不同对螺旋桨性能的影响称为尺度作用。一般说来，尺度作用对推力的影响较小。在同一进度系数时，实桨和桨模的推力系数、扭矩系数及效率之间的关系(即尺度作用的影响)为 ， ，,概括地说，对模型试验结果的尺度修正有下列三种办法。 不修正； 仅修正扭矩系数KQ； 1978年ITTC推荐的修正方法：,45,1978年ITTC推荐的修正方法： ， 及 由下式决定： ， 式中：,46,螺旋桨敞水试验是将螺旋桨安装在敞水箱上，浸深大于1.0倍的螺旋桨直径，转速满足临界雷诺数大于3.0105,47,48,49,50,51,52,53,54,6 模型自航试验,自航试验则是判断船、机、桨三者配合后 的综合性能。主要目的： 1）分析和研究各种效率成分，研究桨、船两者相互影响； 2）预报实船性能； 3）判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。,55,自航试验时，要求船模和桨模的雷诺数超过临界雷诺数。同时也要求满足弗劳德数和进速系数相等德条件，即 为了试验时使各种力都成三次方关系，需要对摩擦阻力进行修正，增加一个修正值FD，人为地凑成三次方关系。该修正值称为摩擦阻力修正值，即,使螺旋桨模型与实桨的载荷一致,56,试验的准备工作 船模及螺旋桨模型与阻力和敞水试验相同 螺旋桨及舵与船体间的相对位置都要按实船的情况几何相似 地安装。 船模的总重量包括测量仪器及压铁等组成的排水量必须与实船的排水量几何相似。 在船模内横向和纵向移动压铁，调整浮态，使船模两侧的首、中、尾吃水符合要求。 船模与拖车的连接安装基本与阻力试验相同。,57,自航试验方法 船模自航试验有纯粹自航和强迫自航两种方法。 纯粹自航法又称大陆法。该方法是事先在船模上扣除船模速度时的摩擦阻力修正值，当船模以速度运动时，调节螺旋桨转速，使其发出的推力满足下列条件： 强迫自航法又称英国法。该方法是在某一船模速度下，在船模运动方向上施加一系列的强制力Z，其中应包括Fd在内，船模在强制力和推力的共同作用下达到力的平衡，即： 对某一选定的自航速度，一般取5个不同的强制力，为使试验点分布较为均匀合理，一般取Z10，相当于船模自航点。Z3Fd，相当于实船自航点 .,58,59,自航试验过程 .安装调试等准备工作； 校正零点，采集零负载推力扭矩； 在某一航速下计算摩擦阻力修正值FD，在FD附近（从0到2 FD ）取5个值，得到某一个航速不同的转速对应的推力和扭矩； 航速一般不少于四个，其中第三个速度一般为设计航速，强制力大约从02FD，摩擦阻力修正值按照下式粗略估算 经常遇到的问题： 行车速度不稳定 电机转速不稳定导致读数的不稳定 自航阻力和阻力试验阻力值不同,60,61,自航试验结果分析,原始数据 阻力试验结果（阻力和有效马力） 螺旋桨敞水（敞水效率） 自航试验结果,62,模型推进效率成分分析,由于计算造成的误差应小于0.001,63,实船性能预报 根据船模阻力、自航等试验结果推算出实船航速、螺旋桨转速及主机功率之间的关系 目前正在使用的方法有三种即： （1+x),K2 法、 方法以及1978年ITTC推荐的单桨实船性能预报方法。 （1+x),K2 法 1959年英国皇家物理实验室等单位提出,认为船模和实船的伴流分数及推力减额分数及推进效率成分是相等的。 实船螺旋桨收到功率： 实船螺旋桨转速： （1+x)为阻力相关因子， K2为照顾伴流尺度作用相对转速修正的相关因子。,64,(1+x），K2法实船性能预报计算表,65,2) 法 瑞典、日本及北欧诸国采用的方法,该方法认为由于尺 度作用引起的差别主要反映在阻力和伴流中，对推力 减额分数和相对旋转效率的影响较小、可忽略不计。,66,方法计算表,67,3)1978ITTC法 本方法认为,经验修正,68,主机功率预报图,69,实船速度预报及螺旋桨与主机匹配判断 (1) 螺旋桨与主机匹配，预报的实船速 度可以达到。 (2) 螺旋桨与主机不匹配，螺旋桨负荷“过轻” (3) 螺旋桨与主机不匹配，螺旋桨负荷“过重”,70,备用螺旋桨的自航试验 选择备用螺旋桨的原则是它的直径必须与设计桨的直径相同。以保证伴流分数、推力减额分数和相对旋转效率不受影响。备用螺旋桨的螺距比、叶数及盘面比应尽可能与设计桨相近。螺距比的值不能较设计桨的螺距比低得多。 根据船模试验数据得统计分析，当螺旋桨得直径相同时，一般情况下，螺旋桨螺距比、叶数及盘面比的变化对，t及w的影响较小。认为用备用螺旋桨分析得到的，t及w值适用于设计桨的情况。,71,试验报告要求,1船模、螺旋桨及舵模型的主要参数给出船尾、螺旋桨和舵位置的简图 2船模阻力曲线和螺旋桨敞水性能曲线 3船模自航试验记录的原始数据 4船模自航试验曲线 5模型推进系数及效率成分的分析计算结果 6实船性能预估计算结果及曲线 7实船航速预报及船机桨匹配情况的分析,72,