船模实验简介(2)

2019-01-10 12:04

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實船之有效馬力(EHP)可按下式計算

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式中阻力之單位為公斤,速度之單位為公尺/秒,摩擦阻力係數CF可採用1957年ITTC推薦之公式【瀏覽原件】計算。以上所舉之實船阻力推測法及阻力分類法僅是為了方便介紹而已,其立論並非完全合理,惟在實際應用上,不失為解決問題的方法。(更合理之推測法,有興趣作進一步了解者可參閱戴堯天等所著造船原理。)

由以上之分析,船模阻力試驗為的是測量當船模以對應速度【瀏覽原件】拖航時,其(RT)M是多少。所以要有以下的試驗設備:

一﹑船模試驗水槽(ship model basin),簡稱船槽,台大造船所船槽長150公尺、寬4公尺、深2.4公尺、水深2公尺,船槽兩側設有活動的消波板,使試驗後之水面能迅速地平靜下來。

二﹑拖車(towing carriage)為帶動船模航行於船槽之電動車,車速最高可達每秒5公尺,計速器直接以數字顯示,準確度達每秒1毫米。(見圖一)

三﹑阻力動力儀(resistance dynamometer)為機械式(見圖二),其原理與天平相似,準確性達±1公克。

阻力試驗步驟:

一﹑將實船按比例縮小作成模型,台大造船研究所通常是以木模為主,船模表面噴漆處理得極為平滑。

二﹑試驗以相似之排水體積為依據,將與實船相對應之吃水線繪於船模表面,作為船模浸水之基準並算溼表面積。

三﹑在模型船艏後方5%船長處黏貼尼龍線,作為人工激紊器,使船模周圍流場亦為紊流,減少因雷諾數不相等所引起的縮型效應。

四﹑稱船模重量、測量船槽水溫、查出槽水密度及黏性係數。計算該次試驗狀況之船模排水量,以此排水量減去船模重量即得必須加在船模內之壓載重量。

五﹑將船模放入船槽中,加入足夠的壓載鉛塊,並調整鉛塊之位置,使達到所需的排水量及漂浮於所繪之水線。

六﹑阻力動力儀固定於拖車上,將船模以鋼絲連接於動力儀,拖曳點為水線下之排水體積中心,即浮力中心(見圖二)。

七﹑對一船模速度VM先估算船模於該速度航行時阻力之大概值,並放等值之砝碼重量於圖二之圓盤A上。

八﹑夾住船模,開動拖車俟其達到所要之VM速度穩定後,放開船模夾,則船模會以VM之速度前進(見圖三)。若其阻力與估計值相等,則阻力動力儀之轉輪達平衡停止不動;若阻力大於估計值,船模會後退,轉輪跟著向逆時針方向轉動,直至轉輪下方之平衡重量對輪軸之力矩與船模阻力及估計阻力之差值對輪軸之力矩相等,則得一平衡點,記錄下轉輪後面刻度盤上指針之刻度,即為低估之阻力值,將此值加上估計值就是船模以VM航行之阻力。反之,若阻力低於估計值,船模會超前,轉輪跟著向順時針方向轉,直至轉輪靜止不動達到一平衡點,則可得超估之阻力值,估計值減去超估值即為船模之阻力。

九﹑對不同的船模速度,重複七﹑八﹑之步驟則可得各個不同VM時之(RT)M。

十﹑利用CF公式算得(CF)M及(CF)S,則可預測實船以【瀏覽原件】航行時之阻力(RT)S及EHP。

螺槳單獨試驗

應用動力相似原理於螺槳及模型螺槳時,幾何相似要求螺槳及模型螺槳之幾何形狀相似;運動相似要求二水流之流線亦須幾何相似,即表示特性流速之螺槳前進速率nπD及螺葉尖端之旋轉速率【瀏覽原件】之比值應相等,【瀏覽原件】。也就是說,當(J)M=(J)S時,螺槳與螺槳模型達到運動相似,J=Va/nD稱為前進係數。在螺槳可能遭遇到的力有慣性力、重力及黏性力,但如螺槳位於水面下相當深度,則其所產生的水面波浪必很小,此水面波浪對螺槳的影響亦必很小。通常,當螺槳軸之浸水深度達螺槳

直徑D以上,則重力之影響可略去不予考慮。所以在螺槳單獨試驗時,我們考慮作用於螺槳之主要力為慣性力與黏性力,即KT與KQ=?{J,NR}。

本試驗室(台大造船研究所)之慣例為以距螺槳軸0.7螺槳半徑處之葉片斷面速度V作為特性速度,【瀏覽原件】。以該斷面之弦長(chord length)l作為特性長度,所以【瀏覽原件】。當螺槳與模型螺槳動力相似時(NR)M=(NR)S,若二者在相同的水中,ρ、μ均相同,則(nDl)M=(nDl)S,得nM=nS&S231;λ,(λ=DS/DM)。事實上由於試驗設備之因素,nM很難達到nS&S231;λ之要求,使得試驗結果具有若干誤差。因此試驗時,我們都盡量將模型作大,並提高模型螺槳之轉速,使(NR)M盡量接近(NR)S,以確保試驗之可靠度。一般而言,當(NR)M大於4.5×10以上,螺槳與模型螺槳之水流型態就極相似,其尺度效應也就相當地小了。為了保證試驗時雷諾數都能超過4.5×10,我們以(NR)M=4.5×10為基準,求出J=0時,模型螺槳之轉速nM,試驗時固定此轉速,以改變Va而得到不同的J值來進行整個試驗。如此則J大於0,(NR)M必大於4.5×10,則模型試驗所得之數據便能用來推測實體螺槳之性能。單獨螺槳試驗結果通常以J、KT、KQ係數表示,而作成K-J圖,典型K-J圖如圖四,【瀏覽原件】為螺槳單獨效率,【瀏覽原件】。

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螺槳單獨試驗是測量單獨螺槳在不受船體干擾的一致水流中的性能,即當我們施以Q的轉矩於一螺槳,使它以n的轉速旋轉、Va的速率前進時,測量它可產生出多大的推力T,進而求得它的效率。所以,除了要有船槽及拖車設備外,還要有螺槳單獨試驗儀(見圖五)。其內裝置有馬達、計速計、螺槳軸、轉矩及推力動力儀,以量得nM、QM及TM。

螺槳單獨試驗步驟:

一﹑用與船模相同的比例製造螺槳模型,本試驗室以黃銅為材料。

二﹑校正推力及轉矩動力儀之比例常數。

三﹑將模型螺槳裝妥於試驗儀後,將試驗儀固定於拖車上,調整螺槳軸之浸水深度,使其等於模型螺槳之直徑。

四﹑測量船槽水溫,查出槽水之密度及黏性係數,計算模型螺槳轉速,並算出不同J值之螺槳前進速度(Na)M(即試驗時拖車速度)。

五﹑調整轉速至nM,同時開動拖車至所要的(Va)M,俟速度穩定後,記錄下拖車速度、螺槳轉速、轉矩及推力。

六﹑對不同J值之試驗可重複五﹑之步驟。

七﹑將試驗所得之數據換算成無因次參數J、KT、KQ,並算出螺槳效率【瀏覽原件】,繪出K-J圖。

模型自推試驗

船舶大多以自身的螺槳推進,推進功率係來自船上的主機,經軸系而傳達至螺槳。在軸系末端螺槳處所傳達到的馬力稱為傳達馬力(delivered horsepower, DHP),DHP=2πQn/75馬力,式中Q為螺槳處之轉矩,單位為公斤.公尺/秒,n為螺槳每秒鐘之轉速。由於推進係由船體周圍水流動量變化而產生者,必定伴有能量的損失,若定義準推進效率η=EHP/DHP,則η<1。

由於螺槳係裝於船模或實船之後,推動船舶前進時,螺槳會影響船體周圍的水流,而船體也同時會影響螺槳附近的水流,兩者之相互作用可歸納為三項:

一﹑伴流

進入螺槳之水流受到船體前進的影響,有一向前速率,這些隨船體前進的水流稱為伴流(wake)。其影響為使螺槳對其周圍之水流的相對速率不再等於船速V,而為一較小的速率Va,稱為螺槳的前進速度。V-Va=伴流速率,伴流係數(wake fraction)w=V-V/Va=1-Va/V。當無螺槳時在船艉螺槳位置所測得之伴流,稱為公稱伴流(nominal wake);當螺槳裝於船艉並產生推力時,由船模自推試驗所推算得的伴流稱為有效作流(effective wake),此為實際設計螺槳時所用的伴流。

二﹑推力減少

螺槳的作用是使水流在接近螺槳時加速,結果造成在螺槳前壓力的降低。當螺槳在船艉作動時,會降低該區域水流的壓力,使船艉壓力的總和減小,造成船體阻力的增加。此種影響在理論上自然以阻力

增加的觀點來處理較合理,但一般慣例均以推力減少(thrust deduction)來處理。設T為螺槳推船體以速度V航行之推力,RT為船以V速度前進但不是由自己的螺槳推進時的阻力,則由於螺槳作動所造成阻力的增加為T-RT,此量即為推力減小。定義推力減少係數t=T-RT/T=1-RT/T,則船舶以自己的螺槳推動自己以V的速度航行所需的推力不再是RT,而為RT+tT。

三﹑螺槳船後效率與螺槳單獨效率比

螺槳在單獨情況時進入螺槳之水流為均勻流(uniform flow),未受干擾;而螺槳附在船艉時,進入螺槳之水流已遭受船體的干擾而變得紊亂。故在此兩種情況下,欲使螺槳在同樣的前進速率Va及轉速n下,產生相同的推力T,其所需的轉矩應不同。若單獨情況下所需的轉矩為Qo,附在船後情況所需之轉矩為Q,螺槳單獨效率(propeller open-water efficiency)【瀏覽原件】,螺槳船後效率(propellerbehind efficiency)【瀏覽原件】,則螺槳船後效率與螺槳單獨效率比,或簡稱螺槳效率比(relativerotative efficieocy)【瀏覽原件】。

由以上之敘述知,由於船體與螺槳相互作用的影響,準推進效率η=EHP/DHP將不等於螺槳單獨效率。我們可將準推進效率寫成【瀏覽原件】,式中【瀏覽原件】稱為船殼效率(hull efficiency)ηH,則準推進效率η=ηH&S231;ηo&S231;ηR。船模自推試驗之目的,即在求得由模型螺槳來推進船模的情況下之準推進效率η,以及影響推進效率之各項係數t、w及ηR。

船模自推係以模型螺槳裝於船模艉部,以模型螺槳所產生的推力推動船模航行,所以船模自推試驗時,螺槳單獨試驗及船模阻力試驗中所使用的相似律均應予以考慮,重力也不能再如螺槳單獨試驗時忽略,而應予考慮。在船模阻力試驗時,我們滿足之相似律為(NF)M=(NF)S,由於(NR)M≠(NR)S所造成之誤差以摩擦阻力修正值RA給與修正,另外由於實船表面較船模粗糙,我們給予△RT之修正。所以,由尺度效應所造成船模與實船之總阻力係數差異為(CF)M-(CF)S-△CT,表示船模的阻力相對地較實船為高。如果船模完全藉模型螺槳克服(RT)M之阻力而自航時,則模型螺槳的推力負荷(thrust loading)【瀏覽原件】將較實體螺槳者為高,由於此高出的額外負荷,將使模型螺槳之效率較低,結果造成船模自推無法模擬實船自推。


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