船舶阻力试验简介

船舶阻力试验简介

刘清清 李芷清

中山大学海洋工程与技术学院 广东省珠海市 519000

船舶阻力与造船工程实际密切相关，对设计性能良好的船舶具有重要意义。迄今为止，船模试验依旧是研究各种船型阻力的通用方法。船模试验中计算实船阻力的基本方法依旧在实船建造的前期工作中占有极大的比重，因此本文通过了解、学习各种相关论文分析船舶阻力试验的各种方法介绍并简要叙述其优缺点。

1 阻力分类

目前，船模试验依旧是研究各种船型阻力的通用方法。在船模试验中，模型船体并不安装螺旋桨等推进器，而是依靠一定的牵引力在水池中进行匀速向前运动。因此在进行模型试验时候我们只模拟船舶航行阻力中水阻力中的静水阻力。而静水阻力通常由裸体阻力和附体阻力组成，其中裸体阻力还会受到环境条件的影响而发生变化。进一步划分的话，船的裸体阻力还将包含有摩擦阻力和压阻力两种阻力成分。根据性质的不同，压阻力还含有粘压阻力和兴波阻力两种阻力。因此我们在高速三体船模型阻力试验中的阻力研究主要研究船的总阻力、黏性阻力和兴波阻力三种阻力。

2 研究船舶阻力的方法

船舶阻力的研究方法分别有理论研究方法、试验方法和数值模拟。

1）理论研究方法

应用流体力学的理论，建立物理或数学模型，根据有关试验观察和测量，结合理论的推演计算。对于像船舶快速性这样的复杂问题，往往只能获得基本的、定性的解决。

2）数值模拟

根据数学模型，采用数值方法（数值模拟）预报船舶航行性能和优化船型和推进器的设计。但是，由于船型复杂多样，围绕船体的流动也极为复杂，因此数值模拟只能解决部分问题，而大量快速性的实际问题，主要的还是依靠模型试验。

3）试验方法

试验方法包括船模试验和实船试验。船模试验是根据对问题本质的理性认识，按照相似理论（或因次分析）制作小尺度的船模和桨模，在试验池中进行试验，以获得问题定性和定量的解决。许多优良船型或重要船舶几乎都要进行船模试验。在船舶快速性研究的历史上，船模试验一直是最主要的方法，在某种意义上说，曾经是唯一的方法。但船模试验有其局限性，诸如因尺度效应不能完全模拟实船的情况等。

实船试验的目的是鉴定船舶的快速性能是否得到设计要求，并最后验证理论研究、数值模拟、试验研究成果的准确性。虽然，实船试验的环境不容易控制，费用昂贵，但实船长期使用的结果数值模拟则是衡量快速性的最后标准。

3 船模型阻力试验牵引模式概述

3.1 重力式牵引船模概述

重力式船模试验池是早期用于进行小船模阻力试验的简陋设施。试验时靠重量的下落来拖动船模，当船模达到等速前进时，砝码的重量就等于船模的阻力，记录船模被等速拖动一定距离所需的时间，可得到相应的船模速度。因此重力式船模阻力试验是在给定阻力情况下，测定相应的船模速度。

3.2 拖车式牵引船模概述

拖车式船模试验池般水池狭而长,为避免海水的腐蚀作用，试验池的水都采用淡水。沿水池两旁轨道上行使的拖车。拖车的用途首先在于拖曳船模保持一定方向和一定速度运动,其次安装各种测量和记录仪器，例如测定船模拖曳阻力的阻力仪、记录船模升沉和纵倾的仪器以及记录船模速度的光电测速仪等。为便于观察试验现象、拍摄照片和录像，在拖车上还设有观察平台。现代船池的拖车上还配置有计算机数据采集和实时分析系统，以便迅速地给出试验结果。

3.3 拖车式船模试验的优点

拖车式船模试验是目前试验主流的方式。拖车式船模试验池的优点是可以采用较大尺度的船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较高。

3.4 拖车式船模试验的缺点

3.4.1 对船模的尺度和速度有一定的限制

由于水池的长度和拖车的速度实际上对船模的尺度和速度有一定的限制。而船模每次试验时，启动拖车并加速到规定的试验速度，需要经过一段加速距离，然后进入匀速段，测量和记录船模的阻力和速度。最后拖车开始减速直至停止，需要留有一段减速距离。显然水池的长度大于这三段距离之和。船模速度越高，则各段的距离相应亦要增加，特别是匀速段距离越长，越易于进行测量和记录。当船池的长度、速度受到限制时往往只有通过增大缩尺比，减小船模尺度和速度来进行拖曳试验。此外，船池的宽度和深度也应以减少池壁和池底对船模试验的影响为依据，即池壁干扰作用不致过大，以保证试验的准确性。所以长度较大的船模试验池其池宽和池深也要相应增大。

2.2.2 无法实现全相似条件

如果要求实船与船模满足傅汝德数相等，则有 ；

若雷诺数相等，则有 ， ；若雷诺数和傅汝德数同时相等，则船模和实船的长度及运动黏性系数应满足

这里下标m、s分别代表船模和实船的数据，设实船对船模的尺度比α= =36，得 = 。要满足此式实际上存在困难，因为要求试验池中介质的黏性系数仅为实船航行介质的1/216，这是不切合实际的。实际上船模是在水池中进行试验，而海水和淡水的运动黏性系数相差不大，可假定

。这就意味着实船即船模，或实船在试验池内进行试验，显然这是不现实的。

2.2.3 无法实现船模和实船的黏性相似

因为要使 ，则必有 / = / ，船模和实船所处介质的运动黏性系数两者数值相近，如假定 ，则 =α 。由于船模和实船一般缩小几十倍以上，因而要求船模的速度较实船速度大几十倍，甚至达到超音速情况下进行试验，显然是不现实的。

4 总结

船舶阻力试验分为实船试验和船模试验两种类型，其中，船模试验因成本较低，试验周期较短而应用非常广泛。目前主流的船模试验为拖车式船模试验，主要优点为可以采用较大尺度的船模，因此尺度效应较小，试验结果的准确性较高。主要缺点为对船模的尺度和速度有一定的限制、无法实现全相似条件、无法实现船模和实船的黏性相似。

1