船模阻力试验水池与设备-舰艇静力学性能

据记载，早在15世纪，达·芬奇（1452—1519年）就利用模型比较过船型体积纵向分布对阻力的影响。到17世纪，重力式船模试验已经较为常见，1791年至1898年间开展的船模试验不下万次。

船模试验是以与实船几何相似的缩比船模在特定的水池中进行的。按试验时牵引船模的方式，船模试验可以分为拖车式和重力式两种。在拖车式船模试验中，船模由行驶于水池两侧轨道上的拖车带动前进，将拖车速度调整至一给定值，测定船模在该拖速下所受阻力等参数；在重力式船模试验中，船模由下落重物带动，此时船模阻力与下落重物的重力相平衡，测定船模对应该阻力的等速运动速度。

1.船模阻力试验水池

1）拖曳式船模试验水池

1871年，弗劳德为英国海军部建设了第一座拖曳式船模试验水池。1900年，泰勒为美国海军建立了第一座自行式拖曳水池，长470 ft，宽42 ft，中心线水深14 ft。到19世纪末，全世界仅有5座水池，20世纪中叶则达到了100座。

拖曳水池按主要使用目的不同可以分成以下几种。

（1）深水池：用于得出对应船舶在无限深广水中的试验结果，是船模试验最基本、最常用的设施。此类水池通常长度和横剖面尺寸均较大，除阻力试验外，还可以开展螺旋桨敞水试验、自航试验、耐波性试验等。

（2）浅水池：水深较浅（1 m左右）并可以根据需求调节，是进行不同浅水效应下船舶快速性、耐波性等方面性能研究的基本试验设施。

（3）高速水池：该类水池池身很长，池宽相对较小，拖车车架轻、速度高（可高达36m/s），专供滑行艇、水翼艇、气垫船等高速艇型做模型试验，各种支架、翼型等的水动力性能亦可在此种水池中测量。

（4）减压（真空）水池：为气密的拖曳水池。通过抽吸其内部的空气来降低自由液面空气压力，可满足模型与实船弗劳德数和空泡数相等的条件，因此，适于进行空泡条件下模型性能的试验，如空泡水翼、空泡水翼艇的阻力试验，水翼艇和快艇模型的自航试验，推进器、舵、鱼雷或其他水中武器模型的空泡试验等。也可用于研究和测量空泡产生条件、变化特性及螺旋桨作用于船体的振动及噪声等。

图8-46　拖车式船模试验水池

2）拖车式船模试验水池

拖车式船模试验水池如图8-46所示。其主体是狭长的水池，所以通常又称为长条拖曳水池。水池横剖面可以是矩形、梯形或半圆形，通常在池体两侧池壁顶部敷设轨道供拖曳行驶，轨道下有轨道座，用以调节轨道的平直度。轨道两侧与拖车的导向轮接触，通常采用单向导轨，即仅在一侧轨道上设有导向轮。测试设备仪器和测量人员可以在拖车上作业，拖车通过集电弓与滑触线接触取电。

水池的主尺度决定了可开展试验的船模尺寸和拖曳速度及行程。水池长度主要由加速段、匀速段和制动段的长度决定，同时还要考虑船坞、拖车长度、造波机、消波岸等所需长度。拖车在加速段的加速度通常控制在（0.06～0.1）g，加速度过大则惯性力过大，且拖车走轮与轨道间易产生滑动；加速度过小则加速段占据有效测试段过长。制动段减速度一般为（0.1～0.2）g。为了得到稳定可重复的试验数据，匀速段稳定测试时间通常不小于20 s。表8-1给出了水池长度随拖车速度的大致变化趋势，其中s1、s2、s3分别是加速段、匀速段和制动段的长度，可以看出高速船模试验对水池长度要求很高。

表8-1　水池长度随拖车速度变化估算值

(www.xing528.com)

水池横剖面的尺度同样对船模尺寸有影响。通常认为水深大于或者等于船模长度时可以避免浅水效应的影响；船模最大横剖面小于水池横剖面的0.5%～1.0%时可以避免阻塞效应。也有文献指出池宽至少应为船模宽度的15倍，池深应为船模吃水的20倍以上。

2.船模阻力试验设备

1）拖车与轨道系统

拖车与轨道系统是一套精密仪器，对匀速段速度平稳度的要求很高。速度波动会引起阻力波动，且会在测量的阻力成分中增加惯性力成分，从而导致测量误差。

假定在试验速度附近阻力与拖速的n次方成正比，即R∝vn，则有

这意味着阻力的相对误差为拖车速度相对误差的n倍。设n=3，则速度波动千分之一将导致阻力波动千分之三。设阻力为船模重量的0.5%～1%，加速度波动量为10-4g，则经计算可得惯性力F与阻力之比为

一般来说，测量阻力的误差要求在1‰以内。因此，一般要求拖车速度的波动不超过1‰，或者拖车速度波动的绝对值不超过10-3 m/s。也有文献指出导致速度波动的加速度不应超过（10-4～10-5）g，由上述推导可知这一要求也是合理的。此外，为了保证速度平稳，对轨道的加工精度、调整的平直度及拖车走轮的圆度等要求是很高的。另外，对轨座间距的选择、驱动电动机的一致性及拖车车架的刚度都需要做相应的考虑。拖车速度测量通常通过测速轮来进行，拖车行走时测速轮与轨道间产生滚动摩擦旋转，并发出光电或电磁信号，根据单位时间内定时采样信号间隔数测算拖车速度。

2）测力传感器

随着传感器技术的发展，越来越多地采用测力传感器代替机械测力仪进行阻力测量。测力传感器通常由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体、能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯通电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的黏合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成。在受到外力作用后，粘贴在弹性体上的应变片随之产生形变，引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外力成正比线性变化的电量电信号。试验前通过传感器标定，确定电信号与外力的对应关系，试验时就可以根据测量的电信号得到对应的力的大小。

3.船模

船模通常用木质材料制作，现在也有采用玻璃钢制作船模的。采用木材制作船模成本较低，但是木质船模浸水一段时间后容易产生局部变形。采用玻璃钢制作船模成本较高，但玻璃钢材料质量好，不易变形，通常用来制作标准船模。标准船模可以用来做试验检验水池测试设备状态、校核理论计算精度或者比较不同船池数据。

通常船模尺度以较大为好，尺度大易于制造精确，其绝对阻力较大而测量相对误差较小。更重要的是大尺度船模可以达到更大的雷诺数，受尺度效应影响更小。当进行自航模试验时，螺旋桨尺度也不可过小，以免制造不精确及受层流影响过大。一般认为螺旋桨直径应不小于150 mm，此时船模尺寸要根据螺旋桨尺寸来确定。

实船的雷诺数很大，可视为在全船范围内流动均为紊流，船模即使采用很大的尺寸，其雷诺数与实船也相差甚远，在船模周围总会存在层流段，边界层内流态不全相似。试验时层流段长度与艏部压力梯度有关，艏部有负压梯度时，层流段会延续较大长度。艏柱轮廓形状、满载艏部水线进角、面积曲线进流段形状均对层流段长度有影响。因此，通常需要对船模采取激流的方法，使艏部边界层紊流化，以解决船模受层流影响的问题。

最常见的方法是安装激流丝，即以约1 mm直径的铜丝缚于艏柱后L/20处；也可采用激流钉或砂条。这些激流方法的特点是激流物附着在船体上，会造成附加阻力。其位置不可太接近艏柱，以免在其后不远处又产生层流。至于激流物前部的层、紊流阻力差值可视为与激流物的附加阻力相抵消。