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船舶水动力性能的实验与数值模拟优化船舶的水动力性能对于船舶的航行性能和能源效率有着直接的影响。
为了改善船舶的性能，实验与数值模拟的方法被广泛应用于船舶设计与优化过程中。
本文将从实验与数值模拟两个方面探讨船舶水动力性能的实验与数值模拟优化方法。
一、船舶水动力性能的实验方法实验是研究船舶水动力性能的一种重要手段。
通过实验，可以获取真实的船舶性能数据，并与理论计算进行对比和验证。
以下是一些常用的船舶水动力性能实验方法：1. 模型试验模型试验是通过制作船舶的缩比模型，利用水槽或风洞等实验设备进行试验研究。
该方法可以较真实地模拟船舶在实际航行中的水动力性能，并提供大量的试验数据。
模型试验通常包括阻力试验、浪阻试验、操纵性试验等。
2. 全尺寸试验全尺寸试验是在实际船舶上进行的试验研究。
通过在实船上设置传感器和数据采集装置，可以获取船舶在实际工况下的性能参数。
全尺寸试验可以提供更真实的性能数据，但成本较高且受到环境条件的限制。
3. 水池试验水池试验是对船舶水动力性能进行研究的一种方法。
通过在水池中进行船模的运动试验，可以获取船舶在不同工况下的性能参数。
水池试验不受气候和水流等因素的限制，可以重复进行试验，但模型与实船之间的尺度效应需要考虑。
二、船舶水动力性能的数值模拟优化方法数值模拟优化方法通过数值计算模拟船舶在不同工况下的水动力性能，从而对船舶的设计和优化进行指导。
以下是一些常用的船舶水动力性能数值模拟优化方法：1. 流体力学模拟流体力学模拟是通过数值计算方法模拟船舶在水中的运动行为和水流的变化情况。
通过建立数学模型和物理模型，可以计算船舶的阻力、扭矩、速度等性能参数。
流体力学模拟可以提供详细的流场信息和水动力参数，为船舶的设计和优化提供依据。
2. 多孔介质模拟多孔介质模拟是通过建立多孔介质的数学模型，模拟船舶在泥沙床或海底地形上行驶的情况。
通过模拟船舶与底部泥沙的相互作用，可以评估船舶在特定水域的航行性能。
随着我国船舶工业的快速发展，对船舶设计、制造和运营人才的需求日益增加。
为了提高学生的实践能力和创新精神，我校特开设了船模实训课程。
本次实训旨在通过实际操作，让学生深入了解船舶结构、原理及性能，培养动手能力和团队协作精神。
二、实训目的1. 理解船舶的基本结构、原理和性能。
2. 掌握船模制作的基本技能和工艺。
3. 培养学生的创新意识和团队协作精神。
4. 提高学生的动手能力和实际操作能力。
三、实训内容1. 船舶基本知识：了解船舶的组成、类型、航行原理等。
2. 船模设计：学习船模设计的基本原则和方法，包括船体、船舵、船桨等部件的设计。
3. 船模制作：掌握船模制作的基本工艺，包括切割、打磨、组装等。
4. 船模性能测试：学习船模性能测试的方法和技巧，包括阻力、速度、稳定性等。
5. 团队协作：在实训过程中，培养学生的团队协作精神，提高沟通和协调能力。
四、实训过程1. 实训准备：学生分组，明确分工，制定实训计划。
2. 理论学习：教师讲解船舶基本知识、船模设计原理等。
3. 船模制作：学生按照设计图纸，动手制作船模。
在制作过程中，教师巡回指导，解答学生疑问。
4. 性能测试：完成船模制作后，进行性能测试，包括阻力、速度、稳定性等。
5. 数据分析：对测试数据进行整理和分析，总结船模设计及制作过程中的优缺点。
6. 实训总结：各小组进行实训总结，分享经验教训。
1. 学生掌握了船模制作的基本技能和工艺。
2. 学生了解了船舶的基本结构、原理和性能。
3. 学生培养了创新意识和团队协作精神。
4. 学生提高了动手能力和实际操作能力。
六、实训体会1. 实训过程让学生亲身体验了船舶设计、制造和测试的全过程，提高了学生的实践能力。
2. 实训过程中，学生学会了团结协作，提高了沟通和协调能力。
3. 实训让学生认识到理论知识与实际操作相结合的重要性，激发了学生的学习兴趣。
4. 实训为学生提供了展示自我、锻炼自我的平台，增强了学生的自信心。
总之，本次船模实训课程取得了圆满成功，为学生今后的学习和工作打下了坚实的基础。
船型试验保障措施1. 引言船型试验是船舶设计中的重要环节，通过对船舶模型的试验，可以评估和验证船舶的性能和特性。
为确保船型试验的可靠性和结果的准确性，必须在试验过程中采取一系列保障措施。
本文将介绍船型试验中的一些常见保障措施。
2. 模型制备和校核在进行船型试验之前，首先需要进行模型的制备和校核工作。
模型制备工作包括根据船舶设计图纸制作模型，并对模型的尺寸、重量和配重进行校核，以确保模型的准确性和代表性。
3. 试验设备和仪器校准在船型试验中使用的设备和仪器必须进行校准，以确保其测量结果的准确性和可靠性。
常见的校准项目包括测力传感器、浮力传感器、动力传感器等。
4. 试验环境控制船型试验的环境必须得到有效控制，以确保试验结果的准确性。
试验环境控制包括控制水池的温度、湿度和风速等因素，以及控制水质的清洁度和流动性。
5. 数据采集和处理在进行船型试验时，需要对各种数据进行采集和处理，以获取准确的试验结果。
数据采集和处理包括测量各种力和力矩的大小和方向、船舶在不同航速下的阻力和推力等。
6. 试验安全保障船型试验是一项高风险的工作，试验现场必须维持高度的安全性。
试验安全保障包括确保试验设备和仪器的安全运行，保证试验人员的人身安全，以及防止试验过程中可能出现的燃烧、爆炸和溢水等事故。
7. 质量管理为确保船型试验结果的准确性和可靠性，需要建立一套完善的质量管理体系。
质量管理包括对试验过程中的各个环节进行监控和审核，以确保试验过程的规范性和合法性。
8. 结论船型试验是船舶设计中的重要环节，为了保证试验结果的准确性和可靠性，必须在试验过程中采取一系列保障措施。
本文介绍了船型试验中的一些常见保障措施，包括模型制备和校核、试验设备和仪器校准、试验环境控制、数据采集和处理、试验安全保障、质量管理等方面。
通过合理的保障措施，可以提高船型试验的可靠性和有效性。
第六章 船模自航试验及实船性能预估为了获得螺旋桨与船体之间的相互作用诸因素，如伴流分数、推力减额分数以及其他相互作用系数，应进行三种试验：船模阻力试验、螺旋桨敞水试验及有附体的船模自航试验。
船模自航试验是分析研究各种推进效率成分的重要手段。
对于给定的船舶来说，通过自航试验应解决两个问题：① 预估实船性能，即给出主机马力、转速和船速之间的关系，从而给出实船的预估航速，验证设计的船舶是否满足任务书中所要求的航速。
② 判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。
如果配合不佳，则需考虑重新设计螺旋桨。
此外，根据实船试航结果与相应的船模自航试验数据，可以进行船模及实船的相关分析，积累资料以便改进换算办法，使船模试验预报实船的性能更正确可靠。
§ 6-1 自航试验的相似条件及摩擦阻力修正值一、相似定律在船模阻力试验时，我们只满足了傅氏数相同的条件，对于船模的雷诺数只要求超过临界数值。
因此，mm ss g g L V L V =上式中，下标带m 者表示模型数值，带s 者表示实船数值(以下相同)。
在螺旋桨敞水试验时，只满足进速系数相同的条件，对于螺旋桨模型的雷诺数也只要求超过临界数值，因此，mm Am s s As D n VD n V = 在进行船模的自航试验时，两者都要求满足，根据几何相似，有：λD DL L ==ms m s 则满足傅氏数相等时有： λV V /s m = (6-1)满足进速系数相等时有：λn V n V mAms As = 由于 ()s s As 1V ωV -=，()m m Am 1V ωV -= 故()()λn Vωn Vωmmmsss11-=-或 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=s ms m 11ωω λn n 假定伴流无尺度作用，则m s ωω=，因此，可得：λn n s m = (6-2)(6-1)及(6-2)两式是船模自航试验应满足相似定律的条件，由于船后螺旋桨满足了进速系数相等的条件，因此在不考虑尺度作用的情况下，螺旋桨实桨及其模型在推力、转矩及收到马力方面存在下列关系：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫===5.3ms Dm Ds 4ms m s 3ms ms λρρP P λρρQ Q λρρT T (6-3)(6-3)式只对螺旋桨说来是正确的，但自航试验是把螺旋桨与船体联系起来统盘考虑的。
船模的原理船模的原理是通过模拟真实船只的运动和水动力学原理，对船舶的运动特性、稳定性和操纵性进行分析和实验。
船模试验是海洋工程、船舶设计和航行安全等领域的重要研究手段之一，可用于验证理论计算结果、优化船体设计、评估船舶性能以及研究船舶与海洋环境的相互作用。
船模试验的原理基于流体力学和运动学原理。
在船模试验中，将实际船舶的形状等比例地缩小，制作成船模，并将船模放置在水槽或水池中进行试验。
通过受力传递原理，船模受到水流的作用，会产生各种水动力效应，如阻力、抗侧力、抗扭力等。
通过测量这些效应，可以得到对应的数据，进而分析船体的性能。
船模的试验主要分为自由航行试验和受控试验两种。
自由航行试验是指船模在水中自由行驶，模拟实船的航行状态。
受控试验是指通过在水槽中设置相应的控制装置，控制船模的姿态和运动状态，模拟特定的操作和海洋环境条件。
不同类型的试验可以根据具体需要进行选择。
船模试验所揭示的原理包括以下几个方面：1. 水动力学效应：船模试验通过测量水动力学效应，如阻力、推力、升力、侧力等，来了解不同船体形状、尺寸和运动条件下的水动力学特性。
通过这些数据，可以评估船舶的性能，并为船舶设计和改进提供依据。
2. 运动学特性：船模试验可以测量船模在不同操作和海洋环境条件下的运动特性，如航行稳定性、加速度、姿态角等。
这些数据对船舶操纵和航行安全具有重要意义，能够为船舶设计提供指导。
3. 流场分析：船模试验可以通过测量船模周围的流体运动状态，如流速、流向、流线等，来研究船体和海洋环境的相互作用。
这对于理解海洋波浪、水流等环境条件对船舶运动的影响，以及船舶的涨落和姿态稳定性具有重要意义。
4. 操纵性能：船模试验可以模拟船舶在各种操作和操纵条件下的性能，如转向灵活性、加减速响应、停泊和锚泊操作等。
这对于评估船舶的操纵性能、优化船舶设计和指导船舶操作具有重要意义。
船模试验不仅可以提供直观的实验数据，还可以辅助理论计算和数值模拟。
船模性能实验《船模性能实验》实验报告学习中心：层次：专业：学号：学生：完成日期：2．分别说出实验中安装激流丝和称重工作的作用。
1）安装激流丝：用1=Φmm 金属丝缚在船模的19站处使其在金属丝以后的边界层中产生紊流。
2）称重工作：准确称量船模重量和压载重量，以达到按船模缩尺比要求的实船相应的排水量。
3．船模阻力实验结果换算方法有哪些？常用的船模阻力实验结构换算方法有两种，即二因次方法和三因次方法。
二因次方法亦称傅汝德方法；三因此方法为1978年ITTC 性能委员会推荐的换算方法。
4．简述傅汝德假定的内容，并写出傅汝德换算关系式。
傅汝德假定：①假定船体的总阻力可以分为独立的两部分，一为摩擦阻力f R ，只与雷诺数有关，另一个为粘压阻力pv R 和兴波阻力w R 合并后的剩余阻力r R ，只与傅汝德数有关，且适用比较定律。
②假定船体的摩擦阻力等于同速度、同长度、同湿面积的平板摩擦阻力。
因此，可以用平板摩擦阻力公式计算船体的摩擦阻力，通常称为相当平板摩擦 傅汝德换算关系：3)(αρρm s fm tm fs ts R R R R -+= 四、实验内容：（一）填写实验主要设备表（二）实验步骤：（一）船模阻力实验准备（1）船模制作：船模缩尺比依据水池的长度和航速决定的，船模线型要与实船保持几何相似，表面必须光洁，满足一定的加工精度。
船模使用的材料通常是木模，木模不易变形，蜡模成本低。
（2）安装激流丝：用1=Φmm 金属丝缚在船模的19站处使其在金属丝以后的边界层中产生紊流。
（3）画水线：按首尾吃水、平均吃水画水线。
（4）称重工作：准确称量船模重量和压载重量，以达到按船模缩尺比要求的实船相应的排水量。
（5）调整压载的位置：使船模没有横倾，首尾吃水满足规定要求。
（6）安装导航装置：使船模纵中剖面与前进方向一致，纵向和垂向运动不受匀速。
（7）拖点（浮心位置）（8）最后将船模安装在拖车上。
（二）船模阻力实验数据测量（1）船模速度测量：（a ）根据实船设计航速，确定最高航速，通常比设计航速高2节。
（b ）根据实船长度、速度范围和模型尺度按r F 数相等的原则，确定船模实验速度范围。
（c ）在不同航速下进行拖曳实验。
待拖车速度达到稳定匀速时即可进行速度和阻力记录。
拖车速度就是船模速度，速度是用数字编码器（光栅盘）测量的。
（2）船模阻力测量：（a ）阻力测量与速度记录同时进行。
船模阻力由专门的阻力仪测量。
阻力仪有机械式和电测式两类。
（b ）电测阻力仪输出电压信号，所以使用前要进行标定，确定标定系数。
阻力值=测得的电压值*标定系数。
测量前要调零。
五、问题与思考：1．船模阻力实验结果换算方法之间的区别是什么？答：常用的船模阻力实验结构换算方法有两种，即二因次方法和三因次方法。
这两种方法的区别在于对粘性阻力的处理原则不同。
2．实船摩擦阻力计算中，粗糙度补贴系数是根据什么选取的？答：实船船体表面比较粗糙，故实船摩擦阻力为其中为粗糙度补贴系数，按不同船长选取。
实验报告二一、实验名称：螺旋桨敞水实验二、实验目的：测定单独螺旋桨工作时的特性，通常包括桨的推力系数、扭矩系数和敞水效率。
三、实验原理：1．什么叫螺旋桨敞水实验？螺旋桨敞水实验可以在哪里进行？螺旋桨模型单独地在均匀水流中的实验称为敞水实验，实验可以在船模实验池、循环水槽或空泡水筒中进行。
2．简述螺旋桨模型敞水实验必须满足的条件。
从理论上讲，螺旋桨模型实验必须满足全相似条件、扭矩系数和敞水效率与实桨的相等。
实际上，模型实验时无法满足全相似条件。
螺旋桨模型敞水实验必须满足以下条件：（1）几何相似；（2）螺旋桨模型有足够的浸深（傅汝德数可不考虑）；（3）实验时雷诺数应大于临界雷诺数，e R =510*3.0(ν2nD R e =)（4）进速系数相等。
3．写出螺旋桨进速系数的公式，及公式中各符号代表的含义。
进速系数 Dn V J a p ⋅= a V ：拖车速度 n ：桨转速 D ：螺旋桨直径4．简述螺旋桨敞水性征曲线的概念及其意义。
推力系数T K ，转矩系数Q K 及敞水系数0η对进速系数J 的曲线称为螺旋桨的性征曲线。
我们讨论的是孤立螺旋桨的性能，所以称为螺旋桨敞水性征曲线。
它表示了螺旋桨在任意工作情况下的全面性能。
四、实验内容：（一）填写实验主要设备表1.敞水实验准备（1）桨模制作：敞水桨模直径为0.2-0.3m ，通常用巴氏合金、铜合金、不锈钢或铝等合金。
桨模精度在0.05mm ；（2）将敞水动力仪固定在水池拖车上，预先应进行校验和标定；（3）将桨模安装在敞水动力仪上，叶背向前，浸没深度大于桨径。
2.敞水实验程序（1）零航速敞水实验，按预定转速开动敞水动力仪，测t T ，t Q（2）按预定转速开动敞水动力仪，同时开动拖车，使螺旋桨进速系数达到预定值。
（3）当拖车速度稳定时，记录拖车速度a V ，桨转速n ，推力t T ，扭矩t Q ，完成一进速的实验。
（4）系列变化拖车速度，完成全部实验内容，注意各次之间应有足够的等水时间。
（5）用尺寸、重量相近的假毂代替桨模，重复上述实验，测得敞水动力仪自身的推力s T ，扭矩s Q ，用以进行修正。
（6）扭矩修正值，测的s Q 是尾轴摩擦损失，与转速有关。
螺旋桨吸收的净扭矩s t Q Q Q -=（7）推力修正值。
桨轴和桨毂横剖面上受到水的阻力，抵消了一部分桨叶发出的推力，其大小与桨前进速度有关。
s t T T T +=五、实验数据处理：螺旋桨敞水试验中，测得推力T=62.2N ，扭矩Q=24.4N ·m ，水的密度ρ=1.0310⨯kg/3m ，螺旋桨的转速n=14r/s, 螺旋桨直径D=0.202m ，拖车速度a V =2.08m/s 。
试求出推力系数、扭矩系数、敞水效率、进速系数。
解：由公式：推力系数 42D n T K T ⋅=ρ 得：K T =0.191 扭矩系数 52D n Q K Q ⋅=ρ 得：K Q =0.370 敞水效率 Q T p K K J ⋅=πη20 得： η0=0.0308 进速系数 Dn V J a p ⋅=得：J p =0.736实验报告三一、实验名称：船模摇荡实验二、实验目的：①确定待设计或已建造船舶的耐波性,判断是否满足使用要求。
②寻找，评价减摇措施，或者优良船型。
③测定水动力系数，供理论计算及机理研究。
④测定其载荷加速度，供结构和强度使用，砰击还与振动有关，某些设备（如电子侦查设备，水面发射武器等）要求。
三、实验原理：1．简述耐波性主要研究的内容，并描述什么样的船耐波性比较好？船舶摇荡是耐波性的主要内容，耐波性能所涉及的其它内容主要是由船舶摇荡引起的。
估计船舶摇荡是评定耐波性最基本的条件。
根据船舶摇荡实验可以定量地计算出像砰击、上浪、飞车等性能。
一般来说，船舶摇荡较缓和，则耐波性也好。
2．简述船舶摇荡实验的相似准则。
模型实验相似准则：与快速性类似，要求符合船模与实船保持几何相似、运动相似和动力相似。
而动力相似应包括：雷诺数超过临界雷诺数；傅汝德数相等；斯特鲁哈尔数相等3．简述船舶的十二种运动形式的名称，并指出哪些属于往复运动。
十二种运动形式的名称：横倾、纵倾、回转、横摇、纵摇、首摇、前进或后退、横漂、上浮或下沉、纵荡、横荡、垂荡；其中属于往复运动的有：横摇、纵摇、首摇。
4．对造波机造的波浪的要求都有哪些？波浪频率应当覆盖船模的谐摇频率，越宽越好。
在规则波上实验波长范围0.5PP L -2.0PP L 左右，波高2h 与船长之比应少于1/50，波高2h 与波长之比应少于或等于1/20。
四、实验内容：（一）填写实验主要设备表（1）船模准备：除满足几何相似外，船模本体应当较轻，易于调整惯量；（2）调整重心高度，调整纵向惯性矩，在水中测横向摇摆周期。
（3）船模上安装陀螺、加速度计等仪器均应固定在适当位置。
船模两端在重心高度位置系上两根细绳；（4）造波机准备：调整造波参数使之满足本次实验要求；（5）零速横摇实验时用船模两端细绳将模型固定在水池适当位置，注意模型必须在浪高仪后方；纵向运动实验时将模型连接在拖车下，注意导向装置对船模在纵向运动不会形成约束；（6）启动造波机制造波浪，当船模摇荡进入稳定状态时记录数据。
五、问题与思考：1．船模惯性矩计算中，纵向惯性半径和横向惯性半径怎么选取？答：0.25pp L 作为船舶的纵向惯性半径，0.35s B 作为船舶的横向惯性半径,2．为什么要进行船模惯性调整？答：模型惯性调整是耐波性实验的重要环节。
即按照模型实验相似性原则，将模型的重心位置、纵横向惯性矩调整到设计要求。
实验报告四一、实验名称：船模自航实验二、实验目的：船舶快速性主要与主机、船体和推进器的独自性能以及它们的配合是否得当有关。
阻力和螺旋桨敞水实验用来获得船体和螺旋桨的各自性能，而自航实验有以下主要目的：①分析各项效率及船尾伴流对螺旋桨效率的影响和螺旋桨工作时对船舶阻力的影响，为螺旋桨设计提供资料；②预报实船性能。
即通过实验给出主机功率、转速和船速之间的关系，得出实船航速预报，验证设计的船舶是否满足任务书中要求的航速；③判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。
三、实验原理：1．简述船模自航实验的相似定律。
桨模的雷诺数超过临界雷诺数，傅汝德数相等，螺旋桨部分应满足进速系数相等2．船模自航方法都有哪些？简述其中一种方法。
船模自航方法都强迫自航法和纯粹自航法强迫自航法简述：是在某一船模速度m V 下，在船模运动方向上施加一系列的强制力Z ，其中应包括D F 在内，船模在强制力和推力的共同作用下达到力的平衡，即在航速为m V 的情况下，螺旋桨发出的推力应满足下列条件： tm m R Z t T =+-)1(。
3．简述推进效率的各种成分。
船模推进效率mm m m Dm Q n R V πη2= 船模自航速度、实船速度、自航前的阻力、摩擦阻力修正、桨模转速、桨模推力、桨模扭矩、桨模推力克服阻力4．简述自航实验中的推力减额的概念。
螺旋桨发出的推力一部分用来克服船的阻力R （不带螺旋桨时的阻力），而另一部分则为克服阻力增额R ∆,习惯上将R ∆称为推力减额。
)四、实验内容：（一）填写实验主要设备表1．自航实验速度一般取4个：以设计航速m V 为基点，高于设计航速1个，低于设计速度的2个。
速度间隔为1.5-2kn 。
2．强制力一般取5个：以摩擦阻力修正值D F 为基点，上下各2个。
即取强制力为0、0.5D F 、D F 、1.5D F 、2D F 。
3．实验。
拖车达到相应速度时，调整螺旋桨电机转速，当船模达到力的平衡时，测强制力、螺旋桨转速、推力和扭矩。
五、问题与思考：1．船体对螺旋桨有哪些影响？答：螺旋桨在船后工作时由于流场不均匀，产生同样推力时的扭矩不相同，引起螺旋桨的效率变化。
