為消除此項差異,於船模自推試驗時,對某一船模速度VM,先算出【瀏覽原件】,然後對船模施以R'A之拖力,調整模型螺槳之轉速nM,使拖車施加於船模之拖力為零。即螺槳以nM之轉速所產生之推力TM,恰能推船模以VM之速度航行,則TM=(RT)M-R'A/1-t,此時模型螺槳係以跟實體螺槳相同的推力負荷作動,則【瀏覽原件】。
在自推試驗中,對每一次試驗我們記錄下船模速度VM、模型螺槳轉速nM、推力TM及轉矩QM,則可算出KJ及KQ,將其與螺槳單獨試驗所得之K-J圖比較,即可算得平均有效伴流係數w。但因自推試驗所得之KT及KQ值對照到螺槳單獨試驗K-J圖中的KT及KQ曲線,將會得到不同的J值。通常我們採用推力相等(thrust identity)的假設來求有效伴流係數w。即假設單獨情況與船後情況之推力係數相等,利用自推試驗所得之KT,自螺槳單獨試驗之K-J圖中查出對應於此KT值之J值,而得(Va)M=J(nD)M,即可求得有效伴流係數w=1-(Va)M/VM。由【瀏覽原件】可得推力減少係數,w與t既得,則可求得η
H
=1-t/1-w。另外由螺槳單獨試驗之K-J圖中可查出對應於該KT值之單獨效率ηo,由阻力試驗之(RT)M
及自推試驗量得之VM、nM、QM可算出【瀏覽原件】,則螺槳效率比可由【瀏覽原件】求得。
船模自推試驗步驟:
一﹑測量船槽水溫、查出槽水之密度及黏性係數,計算該次試驗狀況之船模排水量。
二﹑校正推力及轉矩力儀之比例常數。
三﹑將驅動模型螺槳之馬達及推力與轉矩動力儀裝於船模內,並將模型螺槳裝於船模艉部相當於實體螺槳之位置(見圖六)。
四﹑稱船模重量,算出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﹑將船模與拖車上之阻力動力儀以鋼絲連接,並拿掉阻力動力儀轉輪下方的平衡重量,接妥馬達及推力與轉矩動力儀之電源及紀錄器。
七﹑對每一船模速度VM,先計算R'A值,並放相當於R'A之砝碼重量於阻力動力儀之圓碟上。
八﹑開動拖車並調整螺槳之轉數,使拖車達到所要的VM速度時,模型螺槳所產生的推力TM恰好能使船模以VM之速度同拖車同步前進,此時阻力動力儀之轉輪達平衡狀態而靜止不動。若推力不足,船模速度小於車速VM,船模會後退,須調大轉數;若推力過大,則船模速度大於車速,船模會超前,須調低轉數,直到阻力動力儀達到平衡狀態,此時即可記錄下車速VM、螺槳轉速nM、螺槳推力TM及轉矩QM。
九﹑對不同的船模速度之試驗,可重複七﹑八﹑之步驟。
十﹑配合船模阻力試驗所得之(RT)M及螺槳單獨試驗所得之K-J圖,依上述之分析方法求出準推進效率及伴流係數、推力減少係數、船體效率及螺槳效率比。
結語
以上僅就船模試驗在實際船舶設計過程中,如何推估實船的馬力及推進性能作了簡單的介紹,但願讀者可不再對船模試驗感到陌生。
參考資料
1. 戴堯天、劉衿友、陸盤安 造船原理 1975
2. 台大船模試驗室 造船學術研討會專集 1973
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4. Dr. Ir. J. D. VAN MANEN, Ir. A. I.
WAP, \
and Propulsion\
July, 1956.
船模試驗簡介
【摘要】船模試驗就是以適當的比例,將實船縮製成模型,於水槽中測定其各種性能。
一﹑為什麼要作船模試驗?
船是一種高價值的交通工具,因為它的造價高,維持費用高,但如經營得法,其利潤亦高;因此在現代社會、現代生活條件與要求之下,船舶之設計、建造、經營乃是一種綜合性的科學,包含各種現代科學技術之運用,而這種科學技術之運用,便促成一種維繫民生的龐大企業。本文所述之船模試驗,乃是此一龐大企業中之一小環——船舶設計中之一小部份,但是卻是整個企業的重要基石之一。
二十世紀是個講求效率的時代,因此效率是船舶設計中所要改慮的重要因素之一。設計者在船東的要求下,便要改慮,如何才能使船跑得快而造價及維持費用低;這便要改慮船形與阻力之關係,船之推進器的效率等因素,這便是本文所要談到的。
當一艘船在航行時,其所受的阻力如何﹖或者一船要達到某一要求的船速需要何種推進器?或者一船在風浪中航行時,其船體運動的情形如何?類似這樣的問題雖然可以利用流體力學、數學的理論來探討,但是無論船體或船舶推進器都是形狀極為複雜的物體,當其運動時所需考慮的因素更為複雜。因此理論上的探討難以模擬其運動的形態,必須借助於船模試驗來探討,且理論探討之結果必需證以試驗方可採信;但試驗本身亦有甚多缺點。如欲完全模擬船舶之性能,必須試驗與理論相輔相成,始能獲得一正確之結果。因此船模試驗在研究船舶設計的問題上是不可缺少的。
簡單的說船模試驗就是以適當之比例將實船縮製成幾何形狀相似的模型,在一水槽中,借助外加的力量,或裝置於船模中的馬達,帶動船模,利用各種儀器,來測量其阻力、運動特性或推進器之推力等要素。再根據理論上推演得的關係來預測實船在水中航行、運動時之性能。當然像這樣的試驗會受到很多條件的限制,諸如實船與船模的比例應如何才恰當?試驗結果才可信?船模與水槽的大小有什麼樣的關係?船模試驗本身有那些缺點?如何來修正這些缺點?這些都是從事船模試驗者所研求、致力解決的問題。對於這些問題,本文僅作一簡單的說明介紹於后。
二﹑船模試驗包括那些試驗?
如前所述船模試驗的主要目的是根據試驗結果設計船舶,或改進船舶的設計。因此船舶設計的條件若不同(如商船、軍艦、快艇等),其所需要作的試驗亦不同。一般言之,船模試驗可分為以下諸類。
(一)阻力、推進有關的試驗
1.阻力試驗:試測在指定之排水量及船速下,船體之阻力。
2.螺槳(推進器)單獨試驗:試測在指定之螺槳轉數及前進速度下,螺槳本身所產生之推力,轉動時所需之力矩,進而求螺槳之效率。
3.推進試驗:試測船模加裝螺槳後由螺槳推動船模前進時,船體與螺槳相互配合之下推進性能,並據以推測實船之推進性能。
(二)與船體運動有關的試驗
1.操作試驗:操作(maneuvering)是指施之於船體之作用力,例如舵之作用改變船體的平衡狀態產生某種運動﹔主要在分析作用力與船體運動之關係,視需要及研討之目的,而有迴轉試驗、旋臂試驗、鋸齒試驗等不同之試驗。
2.耐海性試驗:耐海性試驗亦是研求作用於船體之作用力與船體運動之關係﹔但此作用力乃是指外在的力量諸如外來之風、浪等之干擾,此項試驗亦視需要及研討之目的,而有規則波浪試驗、不規則波浪試驗之分,同時船前進之方向與波浪之方向亦為試驗時所改慮的主要因素。
(三)特殊試驗
前述的幾項試驗都是以整個船體或整個推進系統為對象的試驗;除此之外,在船舶設計尚需許多其它試驗,研討船體局部性的問題或特殊設計條件的試驗,茲舉數列如下。
1.空蝕試驗:在一可改變壓力的水槽內試驗螺槳性能。
2.流線試驗:觀測水流流經船體時水流方向之試驗。
3.跡流試驗:測量船體後,水流速度之試驗。
4.破冰試驗:試驗在某一船速時,破冰厚度。
5.煙鹵試驗:試驗何種形狀、大小之煙鹵最為合適,且煙灰不致落於甲板上。
由以上的說明,可知船舶設計上的許多問題都可用試驗來解決。也可以說,船模試驗並不僅限於前面所提到的一些試驗,而是在設計上需要時,若能有適當的理論基礎,即可用試驗與理論的相互印證來解決問題;想來這可說是現代科學在其應用價值上的精神所在。
三﹑船模試驗的基本理論
船模試驗是一種很奇特的構想﹔試想:一艘數萬噸級的巨輪,在海中航行時,它所受到的阻力、它的運動情形,怎麼才能利用一個小小的船模來測知(設船模長為實船長的1/50,則船模體積,僅為實船之十二萬五千分之一),如何才能找出船模與實船間之關係,這便要靠理論上的探討。
理論上,若船模與實船之間合於下述三個條件,則其間之阻力,運動形態便有「相似」之處亦即可據船模以窺實船,此三條件即:
(一)幾何相似
即船模與實船必須為二幾何形狀相似之物體,船模製作應是一極為精確之技術;除此之外,此一條件尚包括內在環境與外在環境之相似,內在環境之相似即船模的表面與實船之表面其光滑或粗糙之程度亦應成比例的相似。通常船模係用臘或木料製成,而實船則應用鋼料製成,可知如欲達到表面粗度相似是不可能的(即使船模與實船之材料相同,亦不可能)。外在環境之相似,即船模與實船航行的水域、其水深、航道之範圍亦應相似,此一條件在試驗室中亦不可能做到。
(二)運動相似
船模與實船週圍水流之流動應相似,即船模上任何二點之速度比應與實船上相對應之位置之速度比相等,此一條件在試驗中亦不能完全滿足。例如螺槳模型試驗中﹔就整體言,螺槳模型的前進速度與螺