14船舶耐波性试验.pptx
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1、船舶操纵性与耐波性第第1414章章船舶耐波性船舶耐波性试验第第14章章 船舶耐波性船舶耐波性试验14.1 14.1 船模试验的相似条件船模试验的相似条件14.214.2 静水中自由和强迫试验静水中自由和强迫试验14.3 14.3 船模在波浪中的运动和增阻试船模在波浪中的运动和增阻试验验14 船舶耐波性船舶耐波性试验v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)(1)静水中的摇荡试
2、验静水中的摇荡试验:目的是确定作用于船体上的水动力系数,特别是横摇阻尼。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)(2)规则波中的运动试验规则波中的运动试验:确定各种运动的频率响应函数。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。由输入型在此不规则波上的运动。由输入(波浪波浪)和输出和输出(运动运动)的的谱分析计算出相应的频率响应函数。谱分析计算出相应的频率响应函数。(4)(4)瞬态波试验瞬态波试验:在水池中产生一系列波,其频率随着时间从所要求
3、的最高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。传播快速的波频率到最低频率线性地减小。传播快速的波(低频低频)赶上慢赶上慢速的波速的波(高频高频),那么在某一瞬时于水池中的某一点产生,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。响应函数。v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
4、数据处理装置,但是试验工作量可以大大减小。水池水池试验-孤波孤波水池水池试验-不不规则波波Seakeeping TestsPonce Vessel SeakeepingPonce Vessel SeakeepingSeakeeping TestsOrca Vessel SeakeepingOrca Vessel SeakeepingM.V.North Star Sea Trial August 2003船模船模试验的相似条件的相似条件v模型试验必须遵守力学相似定律,即模型和实船应几何相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,就可将模型似、运动相
5、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。试验的结果换算到实船上去。v1.几何相似几何相似模型与实船相似,即它们对应的线性尺度的比模型与实船相似,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。船模船模试验的相似条件的相似条件v2.运动相似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
6、标1、2、表示对应点的位置。v3.动力相似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。v动力相似包括粘性力相似、重力相似和惯性力相似。动力相似包括粘性力相似、重力相似和惯性力相似。动力相似条件力相似条件v粘性力相似,要保证模型和实船的雷诺数粘性力相似,要保证模型和实船的雷诺数Rn相等相等v重力相似要满足傅汝德数重力相似要满足傅汝德数Fn相等。相等。v惯性力相似代表了不定常流动的相似条件,要求惯性力相似代表了不定常流动的相似条件,要求斯图罗哈数斯
7、图罗哈数Sn相等,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。v在耐波性模型试验中满足全部的动力相似条件是困难的。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,一般只由于粘性力在耐波性试验中起次要作用,一般只保证重力保证重力相似和惯性力相似相似和惯性力相似两个条件,即保证模型和实船的傅汝德两个条件,即保证模型和实船的傅汝德和斯图罗哈数相等和斯图罗哈数相等:v由上式可得到:由上式可得到:0 0如何保如何保证船模与船模与实船重力相似与船重力相似与惯性力相似?性力相似?v为保证船模和实船之间的重力
8、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。v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。v船模与实船还应遵守质量分布相似,由表14-1得:动力校准求动力校准求船模惯性矩船模惯性矩静力校准求静力校准求重心位置重心位置静力校准求静力校准求重心位置重心位置G Gx x长
9、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。v实船自由横摇的具体作法是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。v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
10、次衰减系数试验求横摇无因次衰减系数2 2 。其方法是,。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,可按式在线性阻尼规律下,可按式(11-48)(11-48)直接由衰减曲线求直接由衰减曲线求 ,即:,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 2 就比较困难。为此,引入消灭曲线就比较困难。为此,引入消灭曲线=f=f(m m)求无因次衰减系求无因次衰减系数。数。v由衰减曲线可方便地求出消灭曲线,如
11、图由衰减曲线可方便地求出消灭曲线,如图14-7所示。其中所示。其中 =i-i+1,m=(i+i+1)/2v当阻尼为线性规律时,由式当阻尼为线性规律时,由式(11-53)得得:二、静水中强迫横摇试验v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。v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。v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
12、)=M0sin(t)作用下,则船模运动方程为:v强迫横摇的特解为 14-3 船模在波浪中的运船模在波浪中的运动和增阻和增阻试验v一、试验设备一、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性水池如表14-314-3所列。所列。v 耐波性试验的主要设备是造波机,造波机的作用原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。
13、常用的造波机有冲箱式、摇板式和气动式,化而产生波浪。常用的造波机有冲箱式、摇板式和气动式,如图如图14-814-8所示。所示。v 冲箱式造波机是由冲箱和曲柄连杆机构组成的。冲箱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横剖面的形状如图14-8(a)14-8(a)所示,曲柄连杆机构的作用所示,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。的凸面产生,而在平的一面实际上不产生波浪。图图14-8 造波机造波机(a)冲箱式冲箱式;(b)摇板式摇板式;(c)气动式气动式1
14、-调节阀门调节阀门;2-压力可以变化的钟压力可以变化的钟;3-鼓风机鼓风机v摇板式造波机是由平板和四连杆机构组成的。四连杆机构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
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