CN110617945B - 一种实海域大尺度船模阻力试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实海域大尺度船模阻力试验系统，包括参考平台系统，船模系统以及拖曳系统；参考平台系统包括两个固定于海底的基准平台，在船模后方的基准平台上安装有第一定滑轮和浮力材料清除装置；船模系统包括设置在船模重心处的固定牵引点、分别设置在船艏和船艉甲板上的导向杆；拖曳系统包括卷扬机、钢丝绳、砝码、凸形框架，卷扬机安装于船模前方的基准平台上；钢丝绳的中部与船模重心处铰接固定，一端连接卷扬机，另一端跨过第一定滑轮连接砝码，浸没于海水中的钢丝绳上包裹有浮力材料。本发明提供了一种能够精确测量实海域大尺度船模航行阻力和运动姿态的试验系统。本发明涉及船舶水动力学实验领域。

Description

一种实海域大尺度船模阻力试验系统

技术领域

本发明涉及船舶水动力学实验领域，特别涉及一种实海域大尺度船模阻力试验系统。

背景技术

全球每年排放的碳氮氧化物气体中有相当一部分来自海上航行船舶的尾气排放。自2000年起，国际海事组织(IMO)开始对温室气体效应进行研究，并设立了船舶能效设计指数(EEDI)，对船舶设计、生产工艺、配套设备、新能源技术应用等提出了更高要求。2013年1月1日以后开工的400吨以上的新造船必须进行EEDI计算，并满足相应的能效要求。由此可见，绿色船舶、低碳经济、节能减排等新发展理念是当今时代船舶工业领域中的热点话题，设计研发具有优良快速性的船舶对于我国船舶工业和水路运输行业发展具有重大意义。

船舶快速性是指船舶消耗尽可能小的主机功率以维持一定航行速度的能力，它包括船舶阻力与推进两方面研究内容。船模阻力试验是船舶设计研发阶段所必须开展的水动力学试验内容，对于优良船型的设计研发具有重要的指导意义。通过开展船模阻力试验不仅可以验证理论算法的正确性，还可用于外推预报实船阻力性能。

现阶段的船模阻力试验一般是依据几何相似原则设计制作较小尺度的缩尺模型，在船模拖曳水池中进行实验测量。船模拖曳水池实验过程中，航车沿轨道匀速直线航行，由安装在拖车上的阻力仪拖动船模一起运动，阻力仪上的垂荡杆在船模重心处与其铰接，通过测量阻力仪拖动船模的拖曳力可以得到船模在该航速下的流体阻力，还可通过位移传感器和角度传感器分别测量船模重心铰接处的升沉和纵倾角。通过开展不同航速工况下的拖曳实验，可以测量不同航速下船模的阻力，进而外推换算得到实船阻力曲线。

船模阻力试验属于流体力学实验，涉及到的相似准数包括雷诺数和傅汝德数。然而由于实验条件的限制，水池模型试验中只能满足傅汝德数相似、无法满足雷诺数相似而给实船阻力换算带来误差，这种现象称为尺度效应。尽管研究者们提出了例如二因次法和三因次法的基于模型试验数据的实船阻力外推换算方法，能够较为准确地外推预报实船阻力性能，但是尺度效应仍然是船模阻力试验中所关注的关键性问题。

采用大尺度船模开展阻力试验是解决尺度效应问题的最直接有效的方法。然而，由于实验室船模拖曳水池有效测试距离、池壁宽度、水池深度、拖车航速和拖曳力等方面的限制，实验室水池试验中模型尺度的大型化受到了多种因素的限制。另一方面，在真实海域中开展大尺度模型试验可不受模型尺度的限制，且与实船试验相比具有成本低、周期短等优势。但是真实海域中难以找到像水池模型试验中安装船模的拖车或其他运动和受力参考平台，因此目前在实海域中开展的船模阻力试验并不常见。

目前已开展的实海域船模阻力试验一般是借助在海底固定的两个桩柱或系泊固定的大船，通过固定在其上的卷扬机拖动连接船艏的拖绳，连接船艉的绳子也要张紧从而保持船模的航向稳定性。通过测量两段拖绳的拉力差值可以得到船模航行阻力。该方案基本可行，但是仍存在一些问题：(1)船艏艉的两根拉绳分别连接两个卷扬机，通过测量两根绳子的拉力差得到船模阻力。但是艉部绳子连接的卷扬机可能会发生空转或反转等现象导致拉力不稳定。(2)船模阻力试验中需要测量的物理量包括：流体阻力、船体稳态航行时重心处的沉深(与静止时相比的垂向高度变化)和纵倾角(与静止时相比的艏艉纵向倾斜角度)。如果在船艏艉两点施加水平拉力，即使施力点高度位于船模重心高度，但是有航速之后船模重心高度会发生变化，且产生的纵倾角也会改变艏艉高度，使得艏艉施力点不在同一个水平高度。这时，如果还在原高度对艏艉施加水平拉力，则会影响船舶自由航行时的运动姿态。从而使测量的沉深值和纵倾角与目标值(只在重心处一点施加拖曳力时的测量结果)有差异，船舶航行姿态的差异进而又会影响船模阻力值的测量。(3)由于船模航行距离较长，拉绳一般也很长，且钢丝拉绳需要有足够的刚度和韧性，因而其重量较大。由于自身重力的作用，绷紧的钢丝绳不可避免地会发生中部下垂，使得整根拉绳不在同一条水平直线上，进而影响水平方向的阻力测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种船模航行姿态更加真实和钢丝绳拉力更加稳定的实海域大尺度船模阻力试验系统。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种实海域大尺度船模阻力试验系统，包括参考平台系统，船模系统以及拖曳系统；所述参考平台系统包括两个固定于海底的基准平台，在船模后方的基准平台上安装有第一定滑轮和浮力材料清除装置；所述船模系统包括设置在船模重心处的固定牵引点、分别设置在船艏和船艉甲板上的导向杆，所述导向杆上开有竖向狭长槽，所述固定牵引点与船模铰接；所述拖曳系统包括卷扬机、钢丝绳、砝码以及凸形框架，所述卷扬机安装于船模前方的基准平台上；所述钢丝绳的中部与船模重心位置铰接，重心前方和后方的钢丝绳上都设有凸形框架；船模重心前方的钢丝绳端部连接卷扬机，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艏甲板上方的导向杆；船模重心后方的钢丝绳端部跨过第一定滑轮连接砝码，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艉甲板上方的导向杆，浸没于海水中的钢丝绳部分外部包裹有浮力材料。

作为优选的技术方案，两个所述基准平台上分别安装有升降基座，卷扬机安装在船模前方的升降基座上，第一定滑轮安装在船模后方的升降基座上。所述升降基座可沿基准平台垂向移动并锁紧。升降基座可以带动钢丝绳上下移动，使钢丝绳的水平高度能够随着船模重心高度变化而进行调整，从而适应船模的实时航行姿态。

作为优选的技术方案，还包括拖绳支撑系统，所述拖绳支撑系统包括若干个沿船模航行轨迹并排固定在海底的立柱，所述立柱顶部设有可转动的撑杆，所述撑杆顶部上设有竖直状态下位于水面上方的第二定滑轮。拖绳支撑系统可以解决钢丝绳较长时因为自身重力导致中部下垂的问题。

作为优选的技术方案，还包括控制与测量系统，所述控制与测量系统包括凸形框架倾角仪、总控制器以及升降基座高度控制器，所述凸形框架倾角仪、升降基座高度控制器与总控制器无线连接。所述凸形框架倾角仪的测量信号通过无线电波形式实时传递给总控制器，所述总控制器可将分析后的输出指令通过无线电波形式实时传递给升降基座高度控制器。凸形框架倾角仪可以实时反馈两个凸形框架的纵向倾斜量，总控制器根据实时数据判断分析船模重心与钢丝绳的高度关系，并将输出指令反馈给升降基座高度控制器，并由升降基座高度控制器调节两个升降基座的高度，以适应船模在未达到稳态航行前的重心高度变化。

作为优选的技术方案，所述控制与测量系统还包括撑杆转动控制器和立柱长度控制器，所述撑杆转动控制器和立柱长度控制器与总控制器无线连接。所述总控制器的输出指令还可通过无线电波形式实时传递给撑杆转动控制器和立柱长度控制器。由撑杆转动控制器调节撑杆的转动状态，由立柱长度控制器调整立柱的高度。

作为优选的技术方案，所述凸形框架倾角仪安装于凸形框架上，所述升降基座高度控制器安装于基准平台与升降基座连接处的。所述撑杆转动控制器安装于撑杆与立柱的连接处，所述立柱长度控制器安装于立柱上。

作为优选的技术方案，所述控制与测量系统还包括拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器以及数据采集仪，所述拉力传感器、船模倾角仪以及位移传感器与数据采集仪无线连接。所述拉力传感器、船模倾角仪以及位移传感器的实时输出信号通过无线电波传输给数据采集仪，由数据采集仪记录并存储信号，作为试验测量的重要结果。拉力传感器用于测量船模阻力和砝码重力、砝码浮力、砝码做匀速上升时的水阻力的合力。船模倾角仪用于测量模型重心处的纵倾角。位移传感器用于测量船模稳态航行时的沉深值。

作为优选的技术方案，所述拉力传感器安装于船模前方的钢丝绳上，所述船模倾角仪安装于船模重心位置处，所述位移传感器安装于基准平台或立柱上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明通过第一定滑轮将砝码的重力转化为水平方向的拉力，提高钢丝绳拉力的稳定性，避免了传统方案中使用卷扬机拉动船艉绳子时卷扬机发生空转或反转等干扰现象。

2.本发明在两个基准平台上设有可移动的升降基座，并在立柱上设有长度调节装置，通过对升降基座和立柱长度的实时调节可控制钢丝绳的水平高度，以适应和测量船模航行时重心高度的变化。从而不影响船舶应有的运动姿态，提高船模阻力值的测量精度。

3.本发明只在船模重心处一点施加水平方向的拖曳力，避免了在船壳外部施加拖曳力而对船模运动姿态造成的干扰，使得船模在稳态航行时能够处于完全自由的运动状态。并采用凸形框架将在船模内部重心位置处施加的水平拖曳力跨过艏艉处的船壳传递给船体外部的钢丝绳，导向杆对于凸形框架的限位可保证船模的航向稳定性，避免了传统方案中使用两段拉绳分别拖曳艏艉船壳对船模运动姿态的影响。

4.本发明还设置有拖绳支撑系统，通过可变高度的立柱以及可倒下或直立的撑杆，实现钢丝绳的支撑，且不会阻碍船模的航行通过，进一步提高船模阻力值的测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例中实海域大尺度船模阻力试验系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中船模系统船体区域的总体视图；

图3是本发明实施例中船模系统船艏区域的局部视图；

图4是本发明实施例中导向杆安装位置的局部正视图；

图5是本发明实施例中拖绳支撑系统的结构示意图；

图6是本发明实施例中控制与测量系统的结构示意图。

其中：1：基准平台，2：升降基座，3：卷扬机，4：第一定滑轮，5：浮力材料清除装置，6：钢丝绳，7：船模，8：艏部甲板，9：导向杆，10：凸形框架，11：固定牵引点，12：砝码，13：拉力传感器，14：立柱，15：撑杆，16：第二定滑轮，17：撑杆转动控制器，18：立柱长度控制器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种实海域大尺度船模阻力试验系统，包括参考平台系统，船模系统、拖曳系统、拖绳支撑系统以及控制与测量系统。

参考平台系统包括两个固定于海底的基准平台，基准平台可以是固定于海底的桩柱或码头，两个基准平台分别固定于船模前方和船模后方的中纵平面内。船模前方是指船艏方向，船模后方是指船艉方向。两个基准平台上都设有可沿平台垂向移动并锁紧的升降基座。在船模后方的基准平台上安装有浮力材料清除装置，升降基座上安装有第一定滑轮4。升降基座可沿基准平台垂向移动，以适应不同重心高度的船模试验。第一定滑轮4用于将砝码的重力转化为水平方向的拉力，从而保证船模的航向稳定性。

船模系统包括设置在船模重心处的固定牵引点、分别设置在船艏和船艉甲板上的导向杆。固定牵引点与船模铰接，保证船模可以绕该点无约束地横倾和纵倾运动。固定牵引点上设有挂钩，方便钢丝绳与其固定。导向杆上开有竖向狭长槽，使与钢丝绳连接的凸形框架可以在船体中纵剖面内无约束地相对于船模自由移动，但限制其横向倾斜及平移。

拖曳系统包括卷扬机、钢丝绳、砝码以及凸形框架。卷扬机安装于船模前方的升降基座上，通过调节卷扬机转速可以调节船模拖曳速度。钢丝绳的中部与船模重心位置铰接固定，重心前方和后方的钢丝绳上都设有一个凸形框架。其中前方钢丝绳的端部连接卷扬机，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艏甲板上的导向杆狭长槽，后方钢丝绳的端部跨过第一定滑轮连接砝码，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艉甲板上的导向杆狭长槽。砝码置于海水中，且为流线型的以减小上升时的水阻力。砝码在水中匀速上升时的水阻力可通过理论计算或试验标定预先获得，计算船模阻力时需要将拉力传感器读数减去砝码的重力、浮力和水阻力。试验前需要把浸没在海水中的钢丝绳上包裹浮力材料，它的目的是使浸没在水中部分的单位长度的钢丝绳和浮力材料的自身重力等于其浮力，从而避免钢丝绳自重对测量阻力值的干扰。浮力材料表面要求平整光滑，从而最大程度上减小上升过程中产生的摩擦阻力。在船模前进过程中，逐渐浮出水面的钢丝绳外部包裹的浮力材料由安装在基准平台上的浮力材料清除装置清除，从而保证钢丝绳能够在第二定滑轮上更稳定地水平移动。浮力材料清除装置可剥掉或者滤掉浮力材料，通过将浮力材料从钢丝绳上剥离开而实现浮力材料的清除。

本发明将钢丝绳与船模的固定点放置在船模的重心处，由于船壳的最大高度高于船模重心，因此在艏艉部船壳附近的钢丝绳上都设置了凸形框架。凸形框架采用高强度金属材料加工制作，并在折角处设置肘板对其局部结构进行加强，防止受拉时的结构变形与破坏。其上端高于船壳顶部，而下端高度位于船模内部，有效地解决了钢丝绳无法穿过船壳提供连续拉力的问题。凸形框架的上端从导向杆的狭长槽穿过，不仅可以防止凸形框架横向倾斜和平移，还可以有效防止船模在拖曳过程中由于只拖曳重心处一点而发生艏艉横向扭曲和偏离航向，即保证了船模的航向稳定性。

为了解决钢丝绳由于自身重力发生中部下垂的问题，本发明还设置有拖绳支撑系统。拖绳支撑系统包括若干个并排固定在海底的立柱。立柱顶部通过转动机构与撑杆连接，撑杆可绕转动机构在平面范围内转动。撑杆顶部安装有第二定滑轮16。当撑杆绕转动机构转到竖直方向时，第二定滑轮16可以支撑水平张紧的钢丝绳，避免钢丝绳下垂。第二定滑轮16工作时位于水面上方，防止转动过程中造成水面扰动。在船模前进过程中，在模型前方距离较近的撑杆依次绕转动机构旋转倒入水中，避免与过往船模发生碰撞。此外，船模后方已倒入水中的撑杆在船模行驶过后再次竖立起来，继续支撑钢丝绳。撑杆的转动动作可由设置于撑杆与立柱连接处的撑杆转动控制器控制。立柱长度也可调节，以适应不同重心高度的船模试验，立柱长度可通过设置于立柱上的立柱长度控制器调节。

本发明的试验系统还包括控制与测量系统。如图6所示，控制与测量系统包括凸形框架倾角仪、拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器、数据采集仪、总控制器、升降基座高度控制器、撑杆转动控制器以及立柱长度控制器。凸形框架倾角仪、升降基座高度控制器、撑杆转动控制器以及立柱长度控制器分别与总控制器通过无线信号连接。拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器与数据采集仪通过无线信号连接。

凸形框架倾角仪的实时输出信号通过无线电波形式传递给总控制器，经总控制器处理分析后将指令通过无线电波传递给升降基座高度控制器和立柱长度控制器。总控制器还根据船模的实时航行位置对撑杆转动控制器发送指令。整个实验过程中，拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器的测量数据通过无线遥测的方式传输给数据采集仪进行存储记录。

凸形框架倾角仪、拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器属于测量装置。凸形框架倾角仪安装于凸形框架上，用于实时监测船模重心点与其前后方的钢丝绳或凸形框架的纵向倾斜角度。拉力传感器安装于船模前方的钢丝绳上，用于测量船模阻力和砝码重力、浮力、阻力的合力。船模倾角仪安装在船模重心位置处的平台上，用于测量模型重心处的纵倾角。位移传感器安装在基准平台或立柱上，用于测量船模稳态航行时的重心高度与静态时的高度差值，即沉深值。

总控制器、升降基座高度控制器、撑杆转动控制器以及立柱长度控制器属于控制装置。总控制器可通过无线遥测的方式接收凸形框架倾角仪所反馈的实时数据，经过分析计算后将需要调节的参数值反馈给升降基座高度控制器和立柱长度控制器，使得钢丝绳的水平高度与船模的重心高度相匹配。升降基座高度控制器安装于升降基座与基准平台的连接处，用于控制升降基座的高度。立柱长度控制器安装于立柱上，用于控制立柱的高度。

为了不影响船模自由航行时的运动姿态，需要实时调节升降基座和立柱的高度，以适应船模航行时不断变化的重心位置。具体调节原理和流程如下：初始时刻，整个钢丝绳高度位于船模静止时的重心高度，两个基准平台的升降基座上的卷扬机和第一定滑轮4以及第二定滑轮16都位于与之相匹配的高度。当船模开始航行后，会发生沉深和纵倾角，所以重心高度会发生变化。然而卷扬机和第一定滑轮4和第二定滑轮16的高度仍在初始位置，此时可引起与船模重心处相连的钢丝绳及其附带的两个凸形框架发生纵向倾斜。与此同时，两个凸形框架倾角仪会把实时信号反馈给总控制器，总控制器根据两个倾角估算出升降基座和立柱的新高度，由升降基座高度控制器调整升降基座的新高度，由立柱长度控制器调整立柱的新高度，从而使整个钢丝绳系统达到一个新的平衡高度。上述高度调节过程可能不是一步能完成的，需要循环重复迭代几次，直到凸形框架倾角的示数为零，这就说明了整个钢丝绳都位于水平状态，船模也达到了稳态航行状态。稳态时候的升降基座或者立柱的新高度减去初始时刻值，即为船模的沉深值。根据此时的拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器的测量结果即可得到船模在该航速下的阻力、纵倾角和沉深结果。以不同的钢丝绳拖曳速度重复上述过程，即可得到不同航速下的船模阻力、纵倾角和沉深值。

为了最大程度上利用拖绳支撑系统对钢丝绳进行支撑，并不阻碍船模的航行，在船模前进过程中，当船模与前方撑杆的距离等于设定值时，由总控制器反馈控制信号至相应的撑杆转动控制器，从而控制该撑杆倒下并潜入水中，避免与过往船模碰撞。此外，当船模驶离后方已倒下的撑杆一定距离时，由总控制器反馈控制信号至相应的撑杆转动控制器，从而控制该撑杆起立，继续支撑钢丝绳。撑杆转动控制器安装于立柱与撑杆连接处，用于控制撑杆的转动。撑杆的倒下和起立要在与船模保持一定距离时完成，避免出入水时的兴波对船模阻力测量带来流场干扰。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，包括参考平台系统，船模系统以及拖曳系统；

所述参考平台系统包括两个固定于海底的基准平台，在船模后方的基准平台上安装有第一定滑轮和浮力材料清除装置；

所述船模系统包括设置在船模重心处的固定牵引点、分别设置在船艏和船艉甲板上的导向杆，所述导向杆上开有竖向狭长槽，所述固定牵引点与船模铰接；

所述拖曳系统包括卷扬机、钢丝绳、砝码以及凸形框架，所述卷扬机安装于船模前方的基准平台上；所述钢丝绳的中部与船模重心处铰接，重心前方和后方的钢丝绳上都设有凸形框架；其中船模前方的钢丝绳端部连接卷扬机，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艏甲板上的导向杆；船模后方的钢丝绳端部跨过第一定滑轮连接砝码，该段钢丝绳上的凸形框架穿过位于船艉甲板上的导向杆，浸没于海水中的钢丝绳上包裹有浮力材料；

两个所述基准平台上分别安装有升降基座，卷扬机安装在船模前方的升降基座上，第一定滑轮安装在船模后方的升降基座上。

2.根据权利要求1所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述升降基座可沿基准平台垂向移动并锁紧。

3.根据权利要求1所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，还包括拖绳支撑系统，所述拖绳支撑系统包括多个并排固定在海底的立柱，所述立柱顶部设有可转动的撑杆，所述撑杆顶部上设有第二定滑轮，所述第二定滑轮竖直状态下位于水面以上。

4.根据权利要求3所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，还包括控制与测量系统，所述控制与测量系统包括凸形框架倾角仪、总控制器以及升降基座高度控制器，所述凸形框架倾角仪、升降基座高度控制器分别与总控制器无线连接。

5.根据权利要求4所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述控制与测量系统还包括撑杆转动控制器和立柱长度控制器，所述撑杆转动控制器、立柱长度控制器分别与总控制器无线连接。

6.根据权利要求4所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述凸形框架倾角仪安装于凸形框架上，所述升降基座高度控制器安装于基准平台与升降基座的连接处。

7.根据权利要求5所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述撑杆转动控制器安装于撑杆与立柱的连接处，所述立柱长度控制器安装于立柱上。

8.根据权利要求4所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述控制与测量系统还包括拉力传感器、船模倾角仪、位移传感器以及数据采集仪，所述拉力传感器、船模倾角仪以及位移传感器分别与数据采集仪无线连接。

9.根据权利要求8所述的一种实海域大尺度船模阻力试验系统，其特征在于，所述拉力传感器安装于船模前方的钢丝绳上，所述船模倾角仪安装于船模重心位置处，所述位移传感器安装于基准平台或立柱上。

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