1、浙江海洋学院本科毕业论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 58000DWT散货船的船模试验 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 浙江海洋学院本科毕业论文 目录 1 目 录 摘 要 . 2 1 绪论 . 4 1.1 简介 . 4 1.2 本课题研究的背景及意义 . 4 1.3 国内外研究发展状况 . 4 1.4 拖曳水池的介绍及实船、船模参数 . 6 2 船模阻力试验 . 9 2.1 船模阻力试验简介 . 9 2.2 傅汝德法与三因次换算法的比较分析 . 10 2.3 三因次法的介绍 . 10 2.4 船模阻力试验及三因次换算过程
2、 . 11 2.4.1 船模试验 准备过程 . 11 2.4.2 船模阻力试验方法 . 12 2.4.3 船模阻力试验三因次换算过程 . 13 2.5 试验所得数据与计算结果 . 14 3 螺旋桨模型敞水试验 . 19 3.1 敞水试验的意义 . 19 3.2 螺旋桨模型敞水试验的理论分析 . 19 3.2.1 相应表达式的解释 . 19 3.2.2 螺旋桨模型敞水试验的相似条件 . 19 3.3 测量仪器的使用及螺旋桨参数 . 20 3.4 螺旋桨敞水试验的准备 . 22 3.5 试验实施过程及注意事项 . 23 3.6 试验结果及计算过程 . 24 4 船模自航试验 . 26 4.1 船模
3、自航试验的目的 . 26 4.2 自航试验的相似理论 . 27 4.3 摩擦阻 力修正值 . 28 4.4 两种常用自航试验方法 . 29 4.4.1 纯粹自航试验 . 29 4.4.2 强迫自航法 . 29 4.5 试验步骤 . 31 4.6 试验数据的整理和分析 . 31 4.6.1 对测量数据进行速度修正 . 31 4.6.2 绘制自航曲线 . 31 4.6.3 推进系数及其成分的分析计算 . 32 4.6.4 实船性能预估 . 35 4.7 自航试验总结 . 38 5.总结与展望 . 38 参考文献 . 40 致谢 . 41 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 2 58000DWT 散货船
4、的船模试验 摘 要 本文介绍了通过船模实验研究 58000DWT 散货船快速性能的过程。以浙江海洋学院拖曳水池为试验场所，通过 58000DWT 散货船船模及其桨模相应的试验，测量并推算出船模、桨模相应的快速性能，进一步对实船的性能进行预估。船模试验包括船模阻力试验、螺旋桨模型敞水试验和船模自航三大试验。首先，进行船模的阻力试验，对此试验测得结果进行一系列的换算可以得到实船的总阻力和所需要的有效功率；其次，进行螺旋桨模型的敞水试验，通过此实验所测结果， 并结合相应的公式可以得到螺旋桨模型的进速系数、推力系数、扭矩系数、敞水效率等性能指标，同时绘制处螺旋桨敞水性特征曲线；最后，进行船模的自航试验
5、，结合前两个试验结果和本次试验所测结果，便可以对实船的推进效率进行分析，得出实船的性能预估数据。 关键词 船模；试验；阻力；敞水；自航；性能 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 3 The ship model test of 58000 DWT bulk carrier Abstract This paper describes the ship model experiment to study the process of bulk carriers fast performance 58000DWT. At Zhejiang Ocean University towing tank do
6、the 58000DWT bulk carrier ship model and its propeller mode test to measure and calculate the optimal and fast of them, and forecast further performance of the real ship. Ship model tests include resistance test, open water test and self-propelled three trials. First of all, ship model resistance te
7、st , we can get the total resistance of the ship model and the effective power what the real ship needs; Second, the open water propeller model test, through this experiment measured results, and combined with the corresponding formula we can get the speed coefficient, thrust coefficients, torque co
8、efficient, open water efficiency of propeller model. Then draw the propeller open in water characteristic curve with the performance index what we have got; Finally, self-propelled ship model test, combined with the former two test results and their results, we can do the analysis of the propulsion
9、efficiency of the actual ship and acquire the prediction data of the actual ship performance. Key Words ship model; test; resistance ;open-water; self propulsion test; fast performance 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 4 1 绪论 1.1 简介 散货船作为三大主流船型之 一 , 有着巨大的市场需求 , 而我国在散货船建造方面拥有明显的竞争优势。建 设世界造船大国 , 我们应特别关注散货船市场 1。 .船舶是一种价
10、值浩大的工具，在建造船舶之前，需要经过相应的模型试验，来保证它建造完成之后有优良的性能和效率。例如说能够省燃料百分之二或百分之三，表面上看起来数目并不大，但是在这船舶整个寿命使用期间累积起来节省的航行费用就很可观了 2。而通过船模试验来可以实现优化船舶线型、降低船模阻力的目的，通过船模试验特别是船模自航试验可以到达配给船体最有效的主机和螺旋桨。因此，船模试验应受到我们高度的重视。 船模试验是研究船舶阻力及动力性能最普遍的方法。目前关于船舶阻力 方面的知识、设计应用优良船型的资料、估算阻力的经验公式和图谱绝大多数都是由船模试验结果得来的 3。新的理论的发展和新船的设计是否能得到预期的要求都需要由
11、船模试验来验证。而理论分析的进一步发展，又为船型设计和船模试验提供更为丰富的内容，以及指出改进的方向。因此船模试验是进行船舶性能研究的重要部分。 1.2 本课题研究的背景及意义 随着全球经济一体化进程的不断加速，各国的商业来往日益频繁、货物贸易量连年递增。尤其像中国这样的新兴经济体国家，进出口量出现了前所未有的增长。这就迫切需要运输效率高、船舶性能优秀、燃油 经济的船种来满足世界经济发展的需要。散货船以其运量大、货源充足、航线固定、装卸效率高及良好的经济效益等因素，逐渐成为运输船舶的主力军。船型优秀、快速性能良好、燃油经济的散货船不但能提高货物运输效率、节约经济成本，而且在一定程度上缓解当下日
12、益凸显的全球气候与环境问题。 船舶环境适应性是信息时代衡量船舶及其设备装置性能能否充分发挥和提高其总体性能的重要指标 4。船舶不断地在向着高性能、高速化、安全可靠的方向发展，因此就要求船舶在较高海情下或者大风浪中具有良好的航行安全性能，对船舶平台性能提出越来越高的要求。不论是造船厂还是航运公司，船模试验的重要性已不待言喻。由此可以看出，一艘船的综合航行性能的优劣，是值得我们不断去探索与研究的。当下，对于已开发船型性能方面的验证与研究，船模试验是一种行之有效的方法，也是当下最常用的方法。船模试验在船型投入生产前，就能可以比较准确地估算出船舶的性能指标，大大降低新船型开发成本。也为船型优化及修改提
13、供科学的依据。 1.3 国内外研究发展状况 早期自航试验中通常使用光电示波器或磁带记录仪记录运动船模的各个运动参数，在试验进行过程中无法及时观察到是否完整地记录了试验数据，往往在试验结 束后，检查数据是才发浙江海洋学院本科毕业论文 正文 5 现，由某些试验仪器故障导致试验数据记录不全而不得不重做，试验数据也必须人工读数，不利于实现计算机自动分析处理 5。计算机运行速度不快，仪器设备的精度也不高、操作繁杂，某些仪器由于人工读数导致认为误差的增加，这些都会给试验结果带来一定的影响。 国内外多数船池在进行自航船模试验时，船模的电源线、传感器信号输出线及控制线等均通过电缆与拖车上有关设备相连接。船模运
14、动时，拖车带着多束电缆与船模一起运动，众多的电缆给船模产生一个附加的外力，在一定程度上影响数据的精度。 进入 20 世纪 80 年代后期，随 着单板机和微型机应用在我国逐步的普及，我国曾采用专门设计的单板机采集运动模型的各运动参数，也就是第一代计算机数据采集系统。由于当时计算机的计算速度比较慢，该系统不能实现采集数据的及时显示，只能在一个试验结束，船模返航靠岸后，使用电缆通过相应的接口，把储存于数据存储器的数据上传至岸边的计算机。在数据传送过程中，从计算机屏幕上可以观察数据的可靠性。同时，由于单板机是特别设计的，单件生产而不是工业化流水线生产，存在功能固定，故障率高，市场上很难找到替代件等缺点
15、。 近年来计算机技术、微电子技术的飞速发展和便携计算机 价格的大幅降低，使得我们可以用便携式计算机做船上计算机，微型无线数传机和 Pentium 级计算机做岸机，组成了我们第二代计算机数据采集系统。另外，现代水池都根据安装了摄像设备，全方位时时监测试验对象的状态并做记录，为试验带来了极大的便利。 船模试验数据的准确性与船池测试系统的精度有直接关系 , 应用计算机对船模试验数据的采集。分析和处理是提高测试精度及实现船模试验研究现代化的重要手段，为此专门研制了一套以船模试验为主要对象的计算机数据采集处理系统。该系统主要由多功能数据处理器和船模阻力、自航、敞水、耐波、等试验 分析、处理软件组成 ,并
16、以技术先进、稳定可靠、实用性强等特点 , 完全替代了船模性能试验传统的测试、处理方法。 同时，也是由于计算机技术的飞速发展，船舶计算流体力学（ SCFED）和相应的处理软件得到了快速的发展并越来越普及。船模数值水池的建设已成为当前世界造船大国和造船强国水动力学技术发展的重要方向。数值水池的重要基础是 CFD 技术，即应用 CFD 方法进行船舶流动数值模拟，实现船舶水动力学性能的数值计算和预报 6。 船模试验数据的准确性与水池测试系统的精度有直接关系，由于国内工业和电子信息产业起步晚、缺乏核心技术 ，所以一些精度要求比较高的仪器都需要进口，例如本论文中浙江海洋学院的阻力测力仪就是进口英国的。应用
17、计算机对船模试验数据的采集、分析和处理是提高测试精度及实现船模试验研究现代化的重要手段。华中科技大学专门研制了一套以船模试验为主要对象的计算机数据采集处理系统。该系统主要由多功能数据处理器和船模阻力、自航、敞水、耐波等试验分析、处理软件组成，并以技术先进、稳定可靠、实用性等特点，代替了船模性能试验传统的测试、处理方 7法。可同时进行 16 通道数据采集处理，主要完成船舶性能试验的测试。如船舶阻力、船模自航、螺旋桨 敞水等试验。通过软件处理，可得出试验数据的平均值、最大值、瞬时值、周期等，并且还可以对采样数据进行滤波、快速傅立叶变换以及曲线拟合。此系统不能将试验数据进行实时显示，需要进一步完善。
18、 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 6 1.4 拖曳水池的介绍及实船、船模参数 浙江海洋学院实验室于实验教学方面主要担负船舶与海洋工程 、 海洋渔业科学与技术等专业的实验教学任务，同时承担浙江省内外船舶设计与水动力性能研究，以及渔具、渔业工程设施设计与研究的各项试验任务。完成船舶阻力 、 船舶推进 、 船舶操纵与摇摆 、 流体力学 、 渔具力学 、 渔具渔法学 、 船 舶结构与原理等课程的实验项目，其中包括：船模阻力试验 、 波形分析与测量 、 螺旋桨敞水试验 、 船模自航试验 、 船模耐波性试验等；拖网模型试验 、 张网模型试验 、 网箱模型试验 、 网片水动力试验 、 网囊阻力试验 、 钢索
19、水动力试验及浮子水阻力试验等。于科学研究方面主要承担船舶与海洋工程 、 海洋渔业等科学领域进行船舶性能研究和渔具科学研究任务。本试验水池可完成船舶快速性 、 船舶耐波性与操纵性试验以及渔具、养殖网箱、人工鱼礁模型等试验研究。 本实验室也是浙江省与我国东南地区唯一的一座进行船舶与渔具水动力性能试验研究的多功能大型设备。本实验 室是设计 、 创新和开放性实验室，它面向校内学生 、 省内外专家 、 学者和工程技术研究人员开放。其主要参数如下所示： 本实验室建筑面积： 2000 m2； 总 长： 130 m； 池 宽： 6.0 m； 池 深： 4.1m； 水 深： 3.5 m； 拖车速度： 0.1 m
20、/s6.5 m/s； 精 度： 0.1%； 造 波 机：液压摇摆式； 波长范围： 0.520 m 连续可调； 频率范围： 0.22.0 HZ； 波高范围：最大波高为 350 mm。 图 1 浙江海洋学院船模拖曳水池 此次试验的船模与实船的缩尺比为 50，实船及船模设计载况状态的主尺度参数列于表 1、浙江海洋学院本科毕业论文 正文 7 表 2。船模实物请参见图 2. 图 2 木制船模 表 1 实船主尺度参数 主尺度参数 压载载况 状态 设计载况 状态 结构吃水状态 总长 Loa(m) 199.800 199.800 199.800 型宽 B(m) 33.980 33.980 33.980 型深
21、D(m) 17.200 17.200 17.200 首吃水 T(m) 4.403 10.800 12.000 平均吃水 T(m) 5.965 10.800 12.000 尾吃水 T(m) 7.527 10.800 12.000 水线长 L(m) 191.550 196.000 196.000 排水体积 (m3) 31592.925 60178.639 67551.707 湿表面积 S(m2) 7245.85 9422 9923 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 8 表 2 船模主尺度参数 主尺度参数 压载载况 状态 设计载况 状态 结构吃水状态 总长 Loa(m) 3.996 3.996 3.9
22、96 型宽 B(m) 0.680 0.680 0.680 型深 D(m) 0.344 0.344 0.344 首吃水 T(m) 0.088 0.216 0.240 平均吃水 T(m) 0.119 0.216 0.240 尾吃水 T(m) 0.151 0.216 0.240 水线长 L(m) 3.818 3.920 3.920 排水体积 (m3) 0.2515 0.4802 0.5391 湿表面积 S(m2) 2.8838 3.7688 3.9692 本试验由三个试验组成，分别是阻力试验、螺旋桨敞水试验和船模自航试验。阻力试验和船模自航试验所用的仪器是英国进口的阻力仪 R47（技术指标如表格 3
23、 所示），其能测量船模的总阻力；螺旋桨模型敞水试验主要试验仪器是 5CH D 型无摩擦应变式螺旋桨敞水动力仪 ，通过其可以测量螺旋桨模型在敞水状况下的推力、扭矩等参数。 表 3 阻力仪 R47 技术指标 额定拖拽力 /阻力载荷 : 200N 短时间允许的超载荷部分 50% 电阻传感器测量系统 全桥应变仪型 阻力载荷扭矩测量伺服电压 d.c.or a.c. Up to 8V 阻力载荷测量最大伺服电压 20 V 额定载荷阻力测量灵敏度 大约 1,6 mV/V 升沉运动 200mm 纵倾角 30o 不锈钢牵引钢板重量 8.6 kg 铝制牵引板重量 4.3 kg 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 9 另
24、外一种必不可少的设备就是数据采集系统，数据采集系统很大程度上决定了试验结果的准确性。本次试验所用试验数据采集设备是 DH5920/22 动态信号 测试分析系统，其包含动态信号测试所需的信号调理器（应变、振动等调理器）、直流电压放大器、抗混滤波器、 A/D 转换器、缓冲存储器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，并提供操作方便的控制软件及分析软件，是以计算机为基础、智能化的动态信号测试分析系统。系统对应变能力及力、压力、扭矩、荷重、温度、位移、速度、加速度等物理量进行自动、准确、可靠的动态测试和分析，是工矿企业、科研机构及高等院校在研究、设计、检测、生产和施工中进行非破坏性动静态应变、振动、冲击及
25、各种物理量测试和分析的一种重要工具，其技术指标如下。 技术指标 ： 系统准确度：小于 0.5%（ F.S）（预热 1 小时后测量） 系统稳定度： 0.1%/小时 准确度： a.一次积分：不确定度 3% b.二次积分：不确定度 5% 2 船模阻力试验 2.1 船模阻力试验简介 阻力实验是研究新型船型快速性常用、有效的方法。因为一艘船能否达到预定速度，关键取决于其所受的总阻力。新船型设计好以后，往往通过制作相同形状的船模在拖曳水池里进行性能数据的采集和研究，再通过科学的计算方法把船模所采集到的数据换算到实际船舶上去。船模阻力试验的结果也是船体线型优化的重要依据，通过首尾线型 优化降低兴波阻力和粘压
26、阻力等，而达到提高航速的目的。例如，从降低兴波阻力方面入手，主要调整船艏形状，船首部采用球鼻首；从降低粘压阻力方面入手，可以调整船尾形状，以使船舶在设计航速下，流体能更为流畅地留个船体表面，降低首尾压力差，从而达到降低粘压阻力的目的 8。此外，利用这样的试验不但大大减少研究周期和简化研究手段，而且于经济上，把开发新船型风险控制在可承受的最小范围内，大大降低新船型开发的成本与资金风险。 通常情况下，船舶总阻力 tR 由摩擦阻力 fR 、兴波阻力 wR 和粘压阻力 pvR 组成，也就是船舶总阻力 tR 是由摩擦阻力 fR 、粘压阻力 pvR 和兴波阻力 wR 三个阻力所产生的一个合力。其中，摩擦阻力 fR 是由于水的粘性，在船体周围形成“边界层”，从而使船体运动过程中所受到粘性切应力；兴波阻力 wR 是由于船在行驶过程中，船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，导致首尾流体压力差所形成的阻力；粘压阻力 pvR 由于船体曲度骤变和水的粘性，特别是较丰满的尾部常产生漩涡，进而引起船体前后压力不平衡所产生的阻力。
