船模拖曳水池的设计

船模拖曳水池的设计

0船模试验与船舶性能在新世纪的十多年里，中国的船业取得了迅速发展。现在，它正朝着“造船大国”的方向发展。近年来,我国船舶产业规模不断扩大,造船产量快速增长,造船完工量、新接订单量、手持订单量已连续多年居世界前列。但是,在船舶工业高速发展的同时,自主创新能力不强、增长方式粗放、低水平重复投资、产能严重过剩、船用配套设备发展滞后等矛盾日益显现。要成为船舶强国,最主要的是提高研发水平。船型设计和性能预报是船舶设计的主要工作之一,也是船舶设计中的关键技术,是船舶产品具有核心竞争力的集中体现,船舶性能研究是船舶研发的灵魂,是船舶更新换代的主要动力。对于船舶性能的研究,实验方法和理论方法两大分支可谓齐头并进。随着现代计算机技术的急速发展,近几十年来,通过数值模拟来研究船舶性能的工作得以蓬勃开展,并取得显著成果。但目前有限的理论模型也是以实验结果为基础的,目前关于船舶快速性方面的知识,特别是提供设计应用的优良船型以及估算阻力的经验公式和图谱,大多数都是由船模试验结果得来的。试验是工程应用与科学研究中一种基本和必要的过程,新的理论的发展和新船的设计能否得到预期的效果,也都需要由船模试验来进行验证。船模试验是进行船舶性能研究的重要组成部分,因此,世界上造船工业比较发达的国家,无不重视船模试验水池的建设,并相应地发展船模试验技术。世界上第一座拖曳式船模试验水池是由傅汝德(W.Froude)为英国海军部于1871年建造的,1900年泰勒(D.W.Taylor)为美国海军建立了第一座自行式拖曳水池,19世纪末,全世界仅有5座船模试验水池,到了20世纪末则达到了一百多座。浙江海洋学院大型船模拖曳水池为浙江省唯一一处可开展船模性能试验的研究基地,由中国船舶科学研究中心承建,2006年开始运营。本文介绍了该水池设计方案,依据水池运行初期的数据积累,分析了拖车速度以及水池运转初期快速性常规试验的开展运行,期望为船舶性能试验研究人员提供帮助。1水池长度设计区别于使用等阻力测试方法的重力式船模水池,现代拖曳水池多采用等速度方法进行阻力测试,拖曳水池具备有较好的试验条件,能进行重力式水池中无法进行的试验,它的使用范围广泛,而且便于采用新的试验技术。当确定水池长度时,应考虑到拖车预定的设计速度、加速度和制动长度以及试验测量段长度,如图1所示。拖车车轮与轨道的摩擦力与拖车的惯性力相等有:式中,M为拖车的质量(kg),g=9.82(m/s2)为重力加速度,μ为摩擦系数,a=μg为加速度。对于设计良好的拖车和轨道,其加速度可取:a加=gu1=.99g,减速度可取:a减=gu2=0.18g。1.1最高车速的确定据图1可以将水池长度主要分为以下几部分:加速度段长度、减速度段长度、测速段长度。依据成熟水池经验,将超调稳速时间定为1s,将测试时间确定为8s,总运引时间S总为式中:超调稳速段长:S稳=V0t稳,t稳=1s;测速段长;S测=V0t测,t测=8s;拖车最大速度:V0°对于中、高速排水式船舶,一般傅汝德数Fn>0.7,由此对于不同长度模型尺度,最高拖车速度可按下式计算:计算结果如图2所示。根据此图可以断定,使用4m长的模型,在拖车速度为6.5m/s的情况下,Fn可以达到1.04,可以满足中、高速排水式船舶以及滑行艇实验的需要。由此可以选择本水池的最高车速为6.5m/s。船坞长:S坞=4.0m,造波机长:S波=3.0m,因此,针对最高车速所应有的水池长度为:S总=S加+S减+S稳+S测+S坞+S波=104.34m。1.2池壁和池深的影响在确定水池宽度、深度的时候主要应当考虑边界效应。水池横截面通常为矩形,由于池底及池壁的存在,在船模试验池中进行阻力试验测出的阻力要比同样速度下在无限制的水中测得的阻力大,这种现象称为水池边界效应。边界效应主要包括阻塞效应、浅水效应、侧壁效应。阻塞效应是由于池底、池壁限制船模绕流而使水相对于船模的平均流速增加引起的,浅水效应是指由于池底的存在使船兴波系与无限深水船兴波系不同,侧壁效应指池壁的存在使船兴散波反射回来的干扰作用。三者相互联系相互影响,并非孤立存在。当水池的横截面积为船模横剖面积的500倍时,阻塞效应理论上在0.5%以内。为了弱化阻塞效应影响,国际水池会议(ITTC)给出了相应的修正公式。阻塞效应修正通常是对速度进行修正。把水池试验得到的阻力曲线向速度增加方向移动一个速度增量,即得到相当于无限水域中的阻力曲线。和池壁效应一样,随着速度的增加同一船模在同一水池中试验,池底的影响也随之增大。通常的合适池深H通过下式推算(tm,Lm分别为船模吃水和长度):图3是通过公式(6)描绘的曲线图,由图可见,随着实验船模Fn的增加,所需水深急遽增加。理论上讲,水深大于船模吃水tm的20倍,方可避免池底的影响,但是池深增加大大抬高水池造价,通常取池深等于船模长度。对于深水池,池宽B大于船模宽度的16倍时可不计池壁的影响。同样,池宽的增加除了会带来水池造价升高以外,还会对拖车的强度要求加大。水池两壁的内侧沿全池都应保持平整,不应出现单向或双向波纹形凹凸,否则影响造波质量。综合各种因素,本水池主要尺寸定为130m×6.0m×4.1m。2动态特性试验水池由中国船舶科学研究中心承建,建成后对一系列的速度运行状况进行了检测,图4给出了部分车速动态过程,可见各速度段车速稳定,定义稳速精度Vmax,Vmin和Vsd分别为实测最高车速,最低车速和名义车速,表1给出了相应的稳速精度,由该表知调速稳态误差小于0.1%。图5给出了车速6.5m/s的拖车系统动态过程,该图清晰显示了拖车加速、稳速、减速三个过程。水池配备了CUSSONSR47阻力仪、CH-D5型动力仪为无摩擦应变式螺旋桨敞水动力仪,分别与江苏科技大学、中国船舶与海洋工程设计研究院开展了针对同一船模的静水阻力比对试验,实验数据显示,比对结果比较吻合,平均偏差在3%以内。由于水温、池体性能等参数随着季节变化而发生改变,考虑到这种变化会对实验数据造成影响,因此水池分别在春、夏、秋、冬四个季节开展了针对同一船模、同种工况下的阻力试验,试验结果显示同一年内不同时段数据比较吻合,如图6所示。这表明整个水池实验设备及测试数据采集系统运行稳定。3船模和采用的阻力试验本文通过浙江海洋大学—新建水池介绍了现代船模拖曳水池的设计理念及设计方法;详细分析了不同速度段拖车运行状况;为验证试验设备的