14 船舶耐波性试验

船舶操纵性与耐波性第14章船舶耐波性试验第14章船舶耐波性试验14.1船模试验的相似条件14.2静水中自由和强迫试验14.3船模在波浪中的运动和增阻试验14船舶耐波性试验模型试验是研究耐波性的重要手段。通过模型试验可确定横摇、垂荡和纵摇运动的频率响应函数，据此可预报实船在给定浪级下的运动的统计值。特别是由于横摇水动力的复杂性，目前理论计算尚未达到纵向运动的计算精度，因此更需依靠模型试验。目前常用的耐波性试验大致有四种形式:(1)静水中的摇荡试验:•目的是确定作用于船体上的水动力系数，特别是横摇阻尼。(2)规则波中的运动试验:•确定各种运动的频率响应函数。(3)不规则波中的运动试验:•按照预定要求在试验水池中产生一系列不规则液，测量模型在此不规则波上的运动。由输入(波浪)和输出(运动)的谱分析计算出相应的频率响应函数。(4)瞬态波试验:•在水池中产生一系列波，其频率随着时间从所要求的最高频率到最低频率线性地减小。传播快速的波(低频)赶上慢速的波(高频)，那么在某一瞬时于水池中的某一点产生一包含全部频率在内的很大的波，测量船模在这一瞬时最大波上的瞬时反应。通过对波及运动的谱分析，求得频率响应函数。目前国内主要进行(1)和(2)试验。(3)和(4)试验要求有能按预先规定制造不规则波的程序控制造波机，同时还要有自动采样记录和数据处理装置，但是试验工作量可以大大减小。水池试验---孤波水池试验---不规则波SeakeepingTestsPonceVesselSeakeepingSeakeepingTestsOrcaVesselSeakeepingM.V.NorthStarSeaTrialAugust2003船模试验的相似条件模型试验必须遵守力学相似定律，即模型和实船应几何相似、运动相似和动力相似。满足了这些条件，就可将模型试验的结果换算到实船上去。1.几何相似模型与实船相似，即它们对应的线性尺度的比例是一样的，即式中:L、B、d分别表示船长、船宽和吃水，下标s表示实船，m表示模型。而且，任意对应的尺度之比都等于0，称0为尺度比。船模试验的相似条件2.运动相似在几何相似的条件下，处于定常流动中的模型与实船，其对应点上的速度值成同一比例，即式中:Vs、Vm分别表示实船、模型的速度，下标1、2、…表示对应点的位置。3.动力相似在运动相似的条件下，作用在模型与实船对应点上的某种力的比值相同，即式中:Fs、Fm分别表示作用在实船和模型对应点上的力。动力相似包括粘性力相似、重力相似和惯性力相似。动力相似条件粘性力相似，要保证模型和实船的雷诺数Rn相等重力相似要满足傅汝德数Fn相等。惯性力相似代表了不定常流动的相似条件，要求斯图罗哈数Sn相等，式中:是运动粘性系数，L和V代表模型的特征线长度和速度。t是时间常数。例如，对横摇可以取横摇固有周期。在耐波性模型试验中满足全部的动力相似条件是困难的。由于粘性力在耐波性试验中起次要作用，一般只保证重力相似和惯性力相似两个条件，即保证模型和实船的傅汝德和斯图罗哈数相等:由上式可得到：0smVVλ0如何保证船模与实船重力相似与惯性力相似？为保证船模和实船之间的重力相似和惯性力相似条件，除几何相似外，还应使运动速度相似、自摇周期相似；在船模排水量、重心的纵向位置和垂向位置、船模的质量惯性矩等满足表14-1中的对应关系。因此，在进行模型试验前必须首先对船模的重量、重心位置和质量惯性矩进行校验，使之与给定的实船数据相对应。试验船模的重量等于船壳的重量、仪器重量和可调压载的重量之和。为了能够调节船模满足与实船的相似关系，可调压载的重量应为总重量的1/3左右，这样就要求船模制造得薄而轻。船模与实船还应遵守质量分布相似，由表14-1得:动力校准求船模惯性矩静力校准求重心位置静力校准求重心位置θGx长14.2静水中自由和强迫横摇试验一、静水中自由横摇衰减试验用于确定船舶的横摇固有周期、无因次衰减系数和附加质量惯性矩。实船自由横摇的具体作法是:实船按预先的排水量浮于静水面上，试验指挥者指挥一批人由一舷跑到另一舷，往返几次(跑动的周期大致等于船的横摇固有周期)，使船摇荡起来，船摇到一定程度(5°左右)后，指挥跑动人员停止于船的中线面，让船自由横摇，通过陀螺仪输出横摇角信号，利用示波器记录横摇衰减曲线，如图14-6所示。在船舶方案设计阶段，为了预估横摇运动性能，通常利用船模试验求横摇无因次衰减系数2。其方法是，将满足相似规律并经校准好的船模置于静水中，使船模横倾一角度，然后任其自由横摇，通过装在船模里的陀螺仪传送横摇角信号，由示波器记录横摇衰减曲线。在线性阻尼规律下，可按式(11-48)直接由衰减曲线求，即：但是，若阻尼与横摇角速度不是线性关系，则直接由衰减曲线求2就比较困难。为此，引入消灭曲线=f(m)求无因次衰减系数。由衰减曲线可方便地求出消灭曲线，如图14-7所示。其中=i-i+1，m=(i+i+1)/2当阻尼为线性规律时，由式(11-53)得:二、静水中强迫横摇试验可确定横摇阻尼和附加质量惯性矩随摇荡频率的关系曲线。静水中自由衰减试验确定的阻尼和附加质量惯性矩仅对应共振时的频率，故为了准确预报不规则波中实船横摇，必须采用阻尼和附加质量惯性矩随频率变化的关系，所以静水中强迫横摇试验非常重要。此外，静水中强迫横摇可揭示大角度横摇的非线性阻尼特性，对于研究波浪中船舶倾复非常有用。试验所使用的强迫摇荡机构只允许船模作单自由度的大角度横摇运动，若在简谐激振力矩M(t)=M0sin(t)作用下，则船模运动方程为:强迫横摇的特解为§14-3船模在波浪中的运动和增阻试验一、试验设备船模在波浪中的耐波性试验可在长条拖曳水池或专门为耐披性试验建造的宽型耐波性水池中进行。典型的耐波性水池如表14-3所列。耐波性试验的主要设备是造波机，造波机的作用原理通常是依靠振荡装置的振荡造成水中压力场的周期性变化而产生波浪。常用的造波机有冲箱式、摇板式和气动式，如图14-8所示。冲箱式造波机是由冲箱和曲柄连杆机构组成的。冲箱横剖面的形状如图14-8(a)所示，曲柄连杆机构的作用是使冲箱作近似于简谐运动的垂直振荡运动。波浪由冲箱的凸面产生，而在平的一面实际上不产生波浪。图14-8造波机(a)冲箱式;(b)摇板式;(c)气动式1-调节阀门;2-压力可以变化的钟;3-鼓风机摇板式造波机是由平板和四连杆机构组成的。四连杆机构使平板绕其下端的水平轴摇荡。由于平板的前后两面都能造波，而后面的波是有害的，所以安装造波机一端的池壁上应设置消波器。现已出现一种后面不产生波浪的摇板式造波机。为了改善波形，还出现了双重摇板式造波机，即将原来的一块平板改成中间为铰接的两块平板，上下平板各由一组液压缸驱动。以上两种造波机产生的波浪频率等于造波机的运动频率。改变造波发动机的转数可以在一定范围内任意改变波浪的长度。改变造波机的振荡幅值可以调节波浪的高度。气动式造波机由鼓风机和调节阀门组成。通过调节阀门来控制气体对水面的压力变化而产生波浪。为了消除水池另一端返回的波浪，应在水池另一端安装消波器，一般为用横向条材组成的栅栏式消波器。为了应用线性理论预报实船的运动，一般试验波高ζw=Lm/35～Lm/50(Lm是船模长度)。波浪长度，TB=2π/ω，TB为波浪周期，其中ω为造波机的振荡圆频率。波浪高度可通过浪高仪测定，浪高仪通常有电阻式、电容式和超声波式三种。电阻式浪高仪适用于定点测量。另外，在水池中定点测量波高时，浪高仪与造波机之间的距离应不小于20m，而与池壁的距离不小于1.5m。2156B.T二、波浪中零速横摇试验规则波中零速横摇试验可确定频率响应函数及有效波倾系数。试验方法是将调整好的船模置于水池中间，使船舷正对规则波的传播方向，两端用细绳系于池壁，船模横向完全自由。然后，按预定方案，造一系列规则波(14～16个)，记录不同波长的规则波产生的横摇幅值θa和规则波的波高ζw，算出放大因数θa/α0，其中，λ是试验波长。绘制图14-9的的放大因数曲线θa/α0～ωm,ωm为试验波浪圆频率。w02实船横摇性能的预估:实船的横摇谱密度根据式(13-55)为，根据式(13-69)实船的频率响应函数Yθζ(ω)为:由于Yθζ(ω)的因次是m-l，所以模型试验结果换算之实船需进行因次转换。船模与实船的频率响应函数之间存在如下关系:(14-33)所以实船横摇能谱为(14-34)根据实船的波浪频率ω，利用关系可算出ωm，再利用船模试验结果，即利用图14-9，根据ωm可查取值。利用式(14-33)便可求出实船的频率响应函数。45根据静水中自由横摇试验和规则被中零速横摇试验可以求出有效波倾系数Kθ。共振时，由式(12-37)得:676由式(11-61)得:三、船模在规则迎浪中垂荡与纵摇运动试验船模在规则波中迎浪前进，便产生垂荡和纵摇运动。试验时应选择几个适当的航速，一般应不少于4个航速。在所选择的每个航速下，船模在一系列(14-16个)频率的波浪上进行试验。对应于波长等于船长附近的频率间隔应取密些。船模的垂荡和纵摇运动总是同时产生的。垂荡和纵摇试验结果分别如图14-10和图14-11所示。图中ωem表示试验波浪的遭遇圆频率。实船纵摇性能预估:实船纵摇能谱按式(13-72)有:类似于横摇，实船与船模的纵摇频率响应函数的关系为实船的纵摇角方差按式(13-64)有:速度方差按式(13-65)有:加速度方差按式(13-66)有:谱宽参数εψ按式(13-67)为平均纵摇周期对于实船垂荡运动预估与纵摇预估一样，仅实船垂荡频率响应函数按下式计算:公式只要将纵摇的式(14-44)﹑(14-45)﹑(14-46)、(14-47)、(14-48)诸公式中的下标ψ换成z即可。四、波浪中的阻力增量的平均值通常，进行迎浪中的垂荡和纵摇试验，除了测量船模的运动外，还要测量船模的阻力。由于波浪作用和垂荡纵摇运动引起的兴波对船体绕流的共同影响，产生了附加阻力，因此船模在波浪中拖曳时的阻力比船模在静水中拖曳时的阻力大为增加。这部分增加的阻力称之为波浪中的阻力增量，它是由在波浪中拖曳航行的船模总阻力减去相同速度下船模在静水中拖曳航行时的总阻力而得。wR船模在波浪中与静水中阻力的测量方法一样，可以用通常的阻力仪测量。图14-12为用悬挂重量法测量在波浪中船模阻力的示意图。阻力与垂荡、纵摇运动的测量是同时进行的。船模的拖曳点应放在重心G上，并使拖曳的钢索尽量放长，以免纵摇运动引起阻力的误差和减小垂荡运动引起的阻力误差。试验时按预先确定的几个航速逐一进行。在每个航速下，改变波浪的长度，以作出固定航速下总阻力随波长的变化曲线，如图14-13所示。为了求得船模在波浪中运动的阻力增量，必须提供船模在静水中的阻力资料。图14-13中λ=0时的阻力值就是静水阻力。在图14-13上截取8～10个波长，获得给定波长时随速度变化的阻力值，把它们和静水阻力曲线绘在一起，见图14-14。从图14-14可以容易地求得一定速度下不同波长时波浪上的阻力增量△Rw=Rw-Rs，其中Rw是波浪中船模的总阻力，Rs是静水中阻力。试验的结果通常表达为K△R～ωe曲线，如图14-15所示。K△R为阻力增量△Rw的无因次系数，可表达为式中:△Rw=Rw-Rs；Lm、Bm—船模的长度和宽度；ρ、g—水的密度、重力加速度；ζa—波幅，由试验确定。波浪中实船阻力增量△Rw的平均值预估:谷口中于1959年提出一个简便的关于的计算方法。虽然波浪中阻力的增量△Rw和波高的平方成比例，但是在数量上应与波高成正比。谷口中认为波浪中阻力增量△Rw的平方根的频率响应函数为wRwRwR船模试验的许多资料表明，波浪中阻力增量除波长等于船长的个别情况外，是与波高的平方成比例的。上式可写为根据式(14-50)，上式为所以不规则波中阻力增量平方根的谱密度为式中:K△R(ωe)一可由船模试验确定，如图14-15所示:B、L一实船的船