CN116968892A - 一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，具体包括：S1：按船模缩尺比制作试验用的船模；S2：在船模上压上压载并称重得到船模总重量；S3：设定船模试验的航速范围和速度变化函数；S4：对S3所述速度变化函数求一阶导得到船模加速度at，测量试验中不同时刻船模阻力数据；S5：利用S4所述不同时刻船模加速度at计算船模附加质量；S6：计算船模附加质量百分比评估不同船模在相同加速度下船舶的快速性能；本发明采用变化速度下的船模进行船模快速性能评估，计算出不同时刻船模附加质量百分比，更加符合实际航行情况，提高了船舶快速性能评估的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶性能测试领域，特别是一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法。
背景技术
船舶快速性能是船舶的一项重要水动力性能，它的优劣直接影响船舶油耗，特别是在目前航运节能减排的大趋势下，船舶的快速性能是衡量船舶的一个重要指标，是技术人员特别关注的性能。评估船舶快速性能的方法的准确性和实用性是影响评估结果的重要因素。
常规的模型试验和评估方法是基于某一确定航速下的船舶阻力和推进性能来评估船舶的快速性能，此时船舶附加质量设定为固定值。但船舶在实际航行中会遇到各种风浪条件，在时刻变化的海况下航行，船舶的航速也会有波动变化，船舶的附加质量也会进行波动，会导致利用附加质量评估船舶快速性能的指标即抗干扰能力不准确。在某一确定航速下快速性能优秀的船型不一定是这种航速波动下性能优秀的船舶。目前尚无针对航速波动下评估船舶快速性能的方法。
发明内容
为解决现有技术尚无针对航速波动下评估船舶快速性能的方法的问题，本发明提出了一种航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，基于船模在水中存在附加质量与船舶的形状的关系，在航速不断变化的情况下通过评估附加质量的大小完成对船舶快速性能的评估。
具体方案如下所述：
一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法：
S1：制作试验用的船模：根据待评估性能的船舶线型图，按船模缩尺比将木质船加工成试验用的船模，对所述船模进行称重，将所述船模重量记为m1；
S2：对压载称重得到船模总重量：用S1所述船模进行拖曳水池试验，在所述船模上按船模缩尺比要求的实船的排水量画一条水线进行标记，在船模上圧上压载，直至船模的吃水量与所述水线持平，记录此时压载重量为m2；将S1所述船模重量与所述压载重量的和记为船模总重量M；
S3：设定船模试验的航速范围和速度变化函数：选定所述船模在航行中的最大前进速度为Vmax，选定周期是2T的正弦函数取绝对值作为速度变化函数Vt；船模在航行过程中速度先从零开始按照所述速度变化函数Vt逐渐加速到最大航速Vmax,再从最大航速Vmax按照所述速度变化函数Vt逐渐减小为零；
S4：测量试验中不同时刻船模阻力数据：对S3所述速度变化函数求一阶导数得到船模加速度at；用阻力仪测量船模在速度变化过程中不同时刻的阻力大小Ft，在船模的加速和减速过程分别选取具有相同速度V12的两个时刻记为t1时刻和t2时刻；对所述t1时刻对应的阻力值Ft1和t2时刻对应的阻力值Ft2求阻力均值Rt；
S5：利用不同时刻船模加速度计算船模附加质量：利用S4所述t1时刻对应的阻力值Ft1、阻力均值Rt、t1时刻对应的船模加速度at1和S1所述船模总重量M计算t1时刻船模附加质量mt1；利用S4所述t2时刻对应的阻力值Ft2、阻力均值Rt、t2时刻对应的船模加速度at2和S1所述船模总重量M计算t2时刻船模附加质量mt2；
S6：计算船模附加质量百分比评估船舶的快速性能：利用S5所述t1时刻船模附加质量mt1、t2时刻船模附加质量mt2、和S1所述船模总重量M计算速度V12下的船模附加质量百分比P，通过比较不同船舶在相同加速度下船模附加质量百分比的大小来对不同船模在相同加速度下的抗干扰能力进行打分，将船舶抗干扰分数作为船舶快速性能的评估结果。
作为优选，S3所述速度变化函数V t的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
作为优选，S4所述，船模加速度at的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
作为优选，S5所述，t1时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
t2时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
其中，Ft1为t1时刻对应的阻力值，Rt为阻力均值，at1为t1时刻对应的船模加速度，M为船模总重量；Ft2为t2时刻对应的阻力值，at2为t2时刻对应的船模加速度。
作为优选，S6所述速度V12下的船模附加质量百分比P的计算方法为：
其中，mt1是t1时刻船模附加质量，mt2是t2时刻船模附加质量，M为船模总重量。
作为优选，S6所述相同加速度下的船模的抗干扰能力的判定方法为：分别计算两个不同船模在相同加速度下的附加质量百分比并且进行比较，相同加速度下附加质量百分比高的船模抗干扰能力强。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，采用连续变化的速度来测量阻力，并根据阻力和加速度求出船舶在不同加速度下的附加质量，评估船舶的抗干扰能力。抗干扰能力为评估船舶快速性能重要指标，船舶的快速性能为船舶在主机输出功率一定的条件下，尽量提高船速的能力，S3中采用正弦函数作为速度变化函数，使船模实验的速度与船舶在实际航行中船速时刻变化的航行情况更加符合，减少了在确定航速下快速性能优秀的船舶在航速变化的情况下快速性能不稳定的情况发生。在S5中利用船模加速度计算船模附加质量，船舶在流体中运动的过程中，推动船模的力不仅要为增加船模的动能做功，还要为增加船模周围流体的动能做功，因此施加在船模上的力将大于船模本身质量与加速度的乘积，增加的这部分质量就是附加质量，在船舶的理论中，船模附加质量的取值一般为船模质量的固定倍数，即为固定取值，利用船模加速度计算船模附加质量即通过实际的船舶航行情况计算出附加质量，并非现有技术中设定的固定的附加质量，使附加质量的大小会根据船舶类型和当前船舶速度进行变化，更符合船舶实际航行情况。在S6中采用相同加速度下不同船模的附加质量百分比来评估不同船模的抗干扰能力大小，从而考察不同船型的快速性能优劣，提高了船舶在航速波动下评估船舶快速性能的稳定性。
附图说明
图1是一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法的整体流程图。
图2是船模航行过程中船模速度随时间变化函数的曲线图。
图3是船模航行过程中船模加速度随时间变化函数的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，本发明中利用不断变化的船模速度测量和计算船模附加质量的整个过程如图1所示，船模试验步骤如下所述：
S1：制作试验用的船模：根据待评估性能的船舶线型图，按船模缩尺比将木质船加工成试验用的船模，对所述船模进行称重，将所述船模重量记为m1；
S2：对压载称重得到船模中重量：用S1所述船模进行拖曳水池试验，在所述船模上按船模缩尺比要求的实船的排水量画一条水线进行标记，在船模上圧上压载，直至船模的吃水量与所述水线持平，记录此时压载重量为m2；将S1所述船模重量与所述压载重量的和记为船模总重量M；根据船型资料，选取适当的缩尺比，加工一艘总重量(含船模，仪器和压载)为300kg的船模，开展模型试验测试。
S3：设定船模试验的航速范围和速度变化函数：选定所述船模在航行中的最大前进速度为Vmax，选定周期是2T的正弦函数取绝对值作为速度变化函数Vt；船模在航行过程中速度先从零开始按照所述速度变化函数Vt逐渐加速到最大航速Vmax,再从最大航速Vmax按照所述速度变化函数Vt逐渐减小为零；如图2所示，为船模在航行过程中速度变化曲线图，以T＝15秒为一个加减速周期，按周期为2T的正弦函数逐渐加速到最大航速Vmax＝3m/s，再按周期为2T的正弦函数从最高速Vmax＝3m/s逐渐减小到速度为零。船模运动速度变化具体数据如表1所示：
表1
S4：测量试验中不同时刻船模阻力数据：对S3所述速度变化函数求一阶导数得到船模加速度at；如图3所示，为试验过程中船模加速度不断变化的曲线图，用阻力仪测量船模在速度变化过程中不同时刻的阻力大小Ft，在船模的加速和减速过程分别选取具有相同速度V12的两个时刻记为t1时刻和t2时刻；对所述t1时刻对应的阻力值Ft1和t2时刻对应的阻力值Ft2求阻力均值Rt；任意时刻加速度的计算结果如表2所示：
表2
S5：利用不同时刻船模加速度计算船模附加质量：利用S4所述t1时刻对应的阻力值Ft1、阻力均值Rt、t1时刻对应的船模加速度at1和S1所述船模总重量M计算t1时刻船模附加质量mt1；利用S4所述t2时刻对应的阻力值Ft2、阻力均值Rt、t2时刻对应的船模加速度at2和S1所述船模总重量M计算t2时刻船模附加质量mt2；从加速和减速过程中分别选取速度相同的两点，选取t＝3.2s和t＝11.8s时速度Vt都是1.8634m/s，加速度分别是0.4924m/s2和-0.4924m/s2。上述两时刻测得阻力大小Ft分别为180N和-120N，计算平均阻力Rt＝30N。
分别计算在加速和减速时相同速度下的附加质量分别为：
加速时mt＝(180-30)/0.4924-300＝4.6kg，
减速时mt＝(-120-30)/(-0.4924)-300＝4.6kg
S6：计算船模附加质量百分比评估船舶的快速性能：利用S5所述t1时刻船模附加质量mt1、t2时刻船模附加质量mt2、和S1所述船模总重量M计算速度V12下的船模附加质量百分比P，通过比较不同船舶在相同加速度下船模附加质量百分比的大小来对不同船模在相同加速度下的抗干扰能力进行打分，将船舶抗干扰分数作为船舶快速性能的评估结果。
作为优选，S3所述速度变化函数V t的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
作为优选，S4所述，船模加速度at的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
作为优选，S5所述，t1时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
t2时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
其中，Ft1为t1时刻对应的阻力值，Rt为阻力均值，at1为t1时刻对应的船模加速度，M为船模总重量；Ft2为t2时刻对应的阻力值，at2为t2时刻对应的船模加速度。
作为优选，S6所述速度V12下的船模附加质量百分比P的计算方法为：
其中，mt1是t1时刻船模附加质量，mt2是t2时刻船模附加质量，M为船模总重量。
作为优选，S6所述相同加速度下的船模的抗干扰能力的判定方法为：分别计算两个不同船模在相同加速度下的附加质量百分比并且进行比较，相同加速度下附加质量百分比高的船模抗干扰能力强。
经计算，在速度1.8634m/s下，加减速时附加质量求得都为4.6kg，附加质量百分比为4.6/300＝1.53％；
可以通过对不同船模在相同加速度下的附加质量百分比来判断其抗干扰能力的大小：另加工一艘外形不同但质量相同的B船模，按上述方式测量加速和减速过程中加速度分别为0.4924m/s2和-0.4924m/s2时刻的阻力，分别测得阻力大小Ft分别为200N和-130N，平均阻力Rt为35N。计算得到加减速时附加质量求得都为35kg，附加质量百分比为35/300＝11.7％，相比于选取的第一个船模在相同速度下，船模B的附加质量百分比远高于第一个船模的附加质量百分比，说明相同速度下船模B的抗干扰能力更强。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (6)
1.一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，
S1：制作试验用的船模：根据待评估性能的船舶的线型图，按船模缩尺比将木质船加工成试验用的船模，对所述船模进行称重，将所述船模重量记为m1；
S2：对压载称重得到船模总重量：用S1所述船模进行拖曳水池试验，在所述船模上按船模缩尺比要求的实船的排水量画一条水线进行标记，在船模上圧上压载，直至船模的吃水量与所述水线持平，记录此时压载重量为m2；将S1所述船模重量与所述压载重量的和记为船模总重量M；
S3：设定船模试验的航速范围和速度变化函数：选定所述船模在航行中的最大前进速度为Vmax，选定周期是2T的正弦函数取绝对值作为速度变化函数Vt；船模在航行过程中速度先从零开始按照所述速度变化函数Vt逐渐加速到最大航速Vmax,再从最大航速Vmax按照所述速度变化函数Vt逐渐减小为零；
S4：测量试验中不同时刻船模阻力数据：对S3所述速度变化函数求一阶导数得到船模加速度at；用阻力仪测量船模在速度变化过程中不同时刻的阻力大小Ft，在船模的加速和减速过程分别选取具有相同速度V12的两个时刻记为t1时刻和t2时刻；对所述t1时刻对应的阻力值Ft1和t2时刻对应的阻力值Ft2求阻力均值Rt；
S5：利用不同时刻船模加速度计算船模附加质量：利用S4所述t1时刻对应的阻力值Ft1、阻力均值Rt、t1时刻对应的船模加速度at1和S1所述船模总重量M计算t1时刻船模附加质量mt1；利用S4所述t2时刻对应的阻力值Ft2、阻力均值Rt、t2时刻对应的船模加速度at2和S1所述船模总重量M计算t2时刻船模附加质量mt2；
S6：计算船模附加质量百分比评估船舶的快速性能：利用S5所述t1时刻船模附加质量mt1、t2时刻船模附加质量mt2和S1所述船模总重量M，计算速度V12下的船模附加质量百分比P，通过比较不同船模在相同加速度下船模附加质量百分比的大小来对不同船模在相同加速度下的抗干扰能力进行打分，将船舶抗干扰分数作为船舶快速性能的评估结果。
2.由权利要求1所述的一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，S3所述速度变化函数V t的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
3.由权利要求1所述的一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，S4所述，船模加速度at的计算方法为：
其中，Vmax是船模在航行中的最大前进速度。
4.由权利要求1所述的一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，S5所述，t1时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
t2时刻船模附加质量mt1的计算方法为：
其中，Ft1为t1时刻对应的阻力值，Rt为阻力均值，at1为t1时刻对应的船模加速度，M为船模总重量；Ft2为t2时刻对应的阻力值，at2为t2时刻对应的船模加速度。
5.由权利要求1所述的一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，S6所述速度V12下的船模附加质量百分比P的计算方法为：
其中，mt1是t1时刻船模附加质量，mt2是t2时刻船模附加质量，M为船模总重量。
6.由权利要求1所述的一种在航速波动下评估船舶快速性能的试验方法，其特征在于，S6所述相同加速度下的不同船模的抗干扰能力的判定方法为：分别计算两个不同船模在相同加速度下的附加质量百分比并且进行比较，相同加速度下附加质量百分比高的船模抗干扰能力强。
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