[科普中國(guó)]-船模拖曳試驗(yàn)水池

船模試驗(yàn)

以設(shè)計(jì)的船體型線的一定比例制成模型在水池中進(jìn)行的模擬試驗(yàn)。用以換算測(cè)定船的阻力、推進(jìn)效率、搖擺和操縱效能等航行性能。專(zhuān)供船模試驗(yàn)的水池稱(chēng)“船模試驗(yàn)水池”。2

船模試驗(yàn)池船模試驗(yàn)池乃一狹長(zhǎng)的水池，配置設(shè)備，以拖動(dòng)船模并測(cè)量其在不同速度時(shí)的阻力。為避免海水的腐蝕作用，試驗(yàn)池都采用淡水試驗(yàn)。

試驗(yàn)池的尺度主要視船模的大小和速度而定。試驗(yàn)池的長(zhǎng)度根據(jù)船?？赡苓_(dá)到的最高速度決定。當(dāng)每次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，為達(dá)到一定的均勻速度需要一段加速時(shí)間，然后接著一段時(shí)間是船模照此均勻速度前進(jìn)并在這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，在試驗(yàn)終了前的一段減速時(shí)間內(nèi)應(yīng)用制動(dòng)器使船模停止。船模速度越高，這些一段一段時(shí)間將越長(zhǎng)；加速和減速時(shí)間可用機(jī)械方法盡量縮短，但進(jìn)行測(cè)量有一定的最短時(shí)間，這段時(shí)間與船模速度無(wú)關(guān)。試驗(yàn)池的寬度和深度應(yīng)與船模大小配合，使船模以其最高速度試驗(yàn)時(shí)不致發(fā)生明顯的池壁干擾而影響阻力。1

試驗(yàn)池拖車(chē)通常試驗(yàn)池裝有四只車(chē)輪的拖車(chē)沿試驗(yàn)池兩邊的軌道上行走，如圖1所示。拖車(chē)有不同用途：首先作拖曳船模用，保持其一定方向，加速達(dá)一定速度，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)保持其一定均勻速度，在每次試驗(yàn)終了時(shí)將其制動(dòng)并拖回到起點(diǎn)。第二，各種測(cè)量和記錄儀器都裝在拖車(chē)上，例如決定船模拖曳阻力的阻力測(cè)力儀，保持船模方向并在試驗(yàn)過(guò)程中記錄平行下沉和縱傾的縱傾儀，自動(dòng)記錄船模速度的光電測(cè)速儀。最后，在拖車(chē)上有一套交直流發(fā)電機(jī)組裝置以供應(yīng)試驗(yàn)時(shí)所需的電流，一套攝影設(shè)備供拍攝船模運(yùn)動(dòng)時(shí)的照片以及為工作人員工作方便計(jì)的地板和長(zhǎng)桌。拖車(chē)整體應(yīng)在任何速度時(shí)不生振動(dòng)。為了拖車(chē)在軌道上能保持其直線運(yùn)動(dòng)方向，在一側(cè)軌道的兩邊一平面上常裝設(shè)四對(duì)橫向?qū)л喿鞣乐雇宪?chē)運(yùn)動(dòng)方向偏斜。兩側(cè)軌道都有一刨平工作面。另一側(cè)軌道另有兩垂直刨平面供導(dǎo)輪用。這種試驗(yàn)池可叫拖車(chē)式船模試驗(yàn)池。

為保證當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)拖車(chē)維持一定的均勻速度，按裝軌道必須十分細(xì)致使其工作面平行于水平面約在0.1毫米以內(nèi)，并對(duì)供應(yīng)拖車(chē)的電源用電子控制使其電壓保持常數(shù)。

在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，拖車(chē)速度，也就是船模所達(dá)到的速度，是由光電測(cè)速儀自動(dòng)記錄。船模的阻力用阻力測(cè)力儀測(cè)量，此儀器實(shí)際上是一精密的天平，如圖2所示。大部分船模阻力用圖中砝碼盤(pán)上的砝碼重量支持，其余小部分由彈簧平衡，所以用彈簧測(cè)量所可能產(chǎn)生的誤差僅限于總阻力的小部分，以增加其精確性。彈簧常數(shù)可用已知的重量放在校驗(yàn)盤(pán)靠近船體水的運(yùn)動(dòng)方向可在相應(yīng)速度下的船模試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。我國(guó)習(xí)慣采用在船模上敷涂油漆的方法。在附體設(shè)計(jì)時(shí)常需進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，使附體可按照水流方向裝置。圖3所示的是一個(gè)典型的例子。通常船首水面部分的水流約略沿波面或水線運(yùn)動(dòng)。在船首水面以下部分的水流，一部分流經(jīng)舭部下緣后，沿縱剖線流向船底，經(jīng)過(guò)船中央部分后，由船底再沿縱剖線上升；另一部分流向船底邊的水流約略沿對(duì)角線運(yùn)動(dòng)；至船尾部水流都漸平坦。

進(jìn)行首次阻力試驗(yàn)后，常改變?cè)S多船模的形狀后再次進(jìn)行試驗(yàn)。從這些比較試驗(yàn)獲得的知識(shí)常很有用，特別是將改變形狀前后的阻力差別與靠近船體水流方向的相應(yīng)變化聯(lián)系起來(lái)，如研究減少或避免船首舭渦的情形。利用循環(huán)水槽，如圖4所示，即將船模固定不動(dòng)而使水流經(jīng)船模，則對(duì)觀察水流甚為方便。在循環(huán)水槽的底部和兩側(cè)設(shè)有許多觀察窗。通常由船模中的小孔噴出染料或使塑料細(xì)絲垂向固定于船模表面使水流顯然可見(jiàn)。1

船模船模一般分蠟?zāi)：湍灸煞N，前者用石蠟澆鑄，后者用木板膠壓制成。與木材比較，石蠟?zāi)Ｐ洼^易加工，用后可再融化作澆制新模型用。但在夏季蠟?zāi)Ｓ休^易彎曲而變形的缺點(diǎn)，也不如木?？梢跃貌?。

石蠟中一般另加3%至4%蜂蠟使其不太脆。在融蠟爐中融化時(shí)，不宜對(duì)其直接加熱，而可通過(guò)水的媒介，布置在石蠟的周?chē)偷紫?，然后?duì)水加熱使石蠟到達(dá)融點(diǎn)。蠟?zāi)Ｖ瞥珊笤谠囼?yàn)開(kāi)始前，必須浸在水中若干小時(shí)。新蠟?zāi)＝胨性谀Ｐ捅砻娉．a(chǎn)生小氣泡，模型阻力較大，浸過(guò)一定時(shí)間后，阻力穩(wěn)定。1

研究問(wèn)題船模試驗(yàn)池常配置特種設(shè)備，以研究例如下列諸問(wèn)題：

(1)推進(jìn)器設(shè)計(jì)；

(2)船體與推進(jìn)器間的交互作用；

(3)洶濤的作用；

(4)操縱性；

(5)穩(wěn)性和搖擺；

(6)強(qiáng)度和振動(dòng)。1

類(lèi)型高速船模試驗(yàn)池為減輕拖車(chē)的重量計(jì)，拖車(chē)上僅裝置測(cè)量?jī)x器而將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)裝在陸地上，用鋼絲繩拖動(dòng)拖車(chē)。這種試驗(yàn)池可叫絞車(chē)式船模試驗(yàn)池。

不少小型船模試驗(yàn)池沒(méi)有拖車(chē)而常借重量下落的作用以拖動(dòng)船模，并測(cè)量其相應(yīng)的均勻速度。這種試驗(yàn)池可叫重力式船模試驗(yàn)池?？梢?jiàn)在重力式試驗(yàn)池中，阻力已知，試驗(yàn)?zāi)康脑谇笙喈?dāng)于此阻力時(shí)的速度；而在上述的拖車(chē)式和絞車(chē)式中，速度已知，目的在求阻力。圖5是一種重力式船模試驗(yàn)池的簡(jiǎn)圖。1

假底設(shè)備不少船模試驗(yàn)池具有假底設(shè)備，其與水面的距離可調(diào)節(jié)，以供作淺水船模試驗(yàn)用。如要進(jìn)行狹水道船模試驗(yàn)，可在假底上再建造邊壁作成狹水道模型。但若假底的結(jié)構(gòu)過(guò)輕；則當(dāng)船模通過(guò)時(shí)，由于假底上下壓力發(fā)生差別而可能使其有向上運(yùn)動(dòng)，以致引入誤差。又在進(jìn)行淺水試驗(yàn)時(shí)，因假底與船池邊壁之間留有實(shí)際情況不存在的空隙，試驗(yàn)證明在較高速度時(shí)發(fā)生誤差。為了避免上述的缺點(diǎn)，近年來(lái)在進(jìn)行限制航道船模試驗(yàn)時(shí)，常將試驗(yàn)池水面放低，同時(shí)阻力測(cè)力儀也相應(yīng)下放；也有特建闊而淺的淺水試驗(yàn)池，專(zhuān)供進(jìn)行限制航道船模試驗(yàn)。1