ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ СУДОВ Экспериментальные методы морской гидромеханики

не позволяют во всех
деталях описать сложные гидродинамические процессы
взаимодействия судна с

окружающей средой, особенно в тех случаях,
когда существенную роль играет вязкость жидкости. По этой причине
физический модельный эксперимент является неотъемлемой частью
исследований мореходных качеств корабля. С его помощью осуществляются
проверка и корректировка теоретических решений,
разработка практических способов расчета, прогнозирование и
оптимизация ходкости и управляемости, динамической остойчивости
и мореходности.
Для этой цели создана необходимая экспериментальная база,
включающая как универсальные, так и уникальные специализированные лабораторные установки. К ним относятся опытовые
бассейны, гидролотки, циркуляционные и штормовые бассейны,
аэродинамические и кавитационные трубы, кавитационные и ледовые
бассейны, полигоны для испытаний самоходных моделей.

кавитации
Пульсации давления
Измерение шума
Кавитационная эрозия
• Маневренные испытания
– Самоходные маневренные испытания
–

Испытания с помощью Planar Motion Mechanism (PMM)

Рекомендованные испытания

- Главные:

и служат для решения задач ходкости, мореходности и управляемости судна,

изучения работы судовых движителей и взаимодействия их с корпусом судна, выполнения различных научно-исследовательских работ.

VIDEO

В ряде случаев глубоководные бассейны оборудуются подъемным

“днищем”, позволяющим имитировать мелководье.
Модель судна или другого испытуемого объекта приводится в
движение при помощи буксировочной тележки, движущейся по рельсам по бортам бассейна. Связь тележки с моделью осуществляется при помощи многокомпонентного динамометра, а также устройств, позволяющих модели свободно всплывать и дифферентоваться при заданном курсовом угле. Такие бассейны называют динамометрическими, или бассейнами типа Фруда.

надводных и подводных моделей судов в условиях глубокой воды и

вблизи свободной поверхности, а также для испытаний гребных винтов и изолированных движительных комплексов.
Размеры бассейна: ширина - 15 м, глубина - 7 м, длина - 1324 м.Бассейн состоит из двух частей, каждая из которых оснащена двумя буксировочными тележками, позволяющими испытывать модели судов длиной до 10 метров со скоростью до 20 м/с.  Предельная глубина погружения подводной модели составляет 2 метра.
Оборудование бассейна позволяет осуществлять измерения сил на моделях судового корпуса и движителя, проводить исследования характеристик неоднородного нестационарного пространственного потока в месте расположения движителей, моделировать натурные условия обтекания корпуса путем использования полимерных добавок

- 3,0 м;
высота налива воды - 2,5-2,6 м;
скорость буксировки модели

- до 5 м/с.
Для изготовления моделей на станции испытаний моделей судов ( СИМС) находятся мастерские, оснащенные необходимым станочным оборудованием, позволяющим выполнить столярные, слесарные, токарные и сварочные работы. Первая модель была испытана в мае 1991 года.

ОАО КБ "Вымпел

постоянной более 10 секунд (или более времени прохода 10 длин

корпуса)
- Средние значения измерений за период постоянной скорости рассчитываются

ТЕЛЕЖКА

Измеряем:

Сопротивление модели RTm
Скорость модели
Осадки носом и кормой

МОДЕЛЬ

Измерительные
динамометры

Гибкие соединения

у моделей
с малым отношением Сопротивление/Водоизмещение и
большим водоизмещением

• В

этом случае осреднение проводят за 10 осцилляций

• Необходимо убедиться, что осцилляции не связаны
с появлением ускорений при движении модели



140
130
120
110
100
90
80
70

20

25

35

40

30
Время, сек]

Vx
Высота волны:
Период:



















Глубина h
Горизонтальная скорость

волны = 1 cм
Максимальная горизонтальная скорость Vx = 0.03

м/с

Скорость тележки Vm = 1.5 м/с

Сопротивление пропорционально:

Вызванная погрешность: 4%

Время ожидания можно уменьшить с помощью волногасителей
– время ожидания больше

в больших бассейнах

• Сейши должны утихнуть

– Этот процесс сложно наблюдать

– Затухают сейши особым способом
– Требуется больше времени в больших бассейнах

• Время ожидания должно обеспечить

–Тщательность и точность измерений
– производительность

• Типичный цикл пробегов в больших бассейнах: 15 минут!

испытывается в открытой воде
- В случае винтов в насадке, с

насадкой

– Гондолы двигателей и трубы подруливающих устройств
должны быть представлены
– Должны быть смоделированы элементы рулевого устройства

• Измеряем

– Упор, момент на валу, число оборотов
– Скорость воды или тележки
– Тягу подруливающего устройства (если нужно)

• Для гондол и подруливающих устройств:

– тягу на всех режимах

– тяга подруливающих устройств измеряется по возможности

Q
Упор T
Число оборотов n
Скорость V

варьируется от
нуля до скорости нулевого упора
Число оборотов соответствует
расчетному

при моделировании
Испытания Могут проводиться и
при более высоких числах оборотов
(моделируются возможные условия)
Результаты представлены
в безразмерном виде

разгоняем до требуемой скорости
– Число оборотов винта подбирается таким, чтобы

модель двигалась
со скоростью тележки
– С найденными числами оборотов проводим измерения за10 секунд
– Осредняем результаты измерений за этот период




ТЕЛЕЖКА Измеряем:
Момент Q

Упор T
RPM
Скорость
Осадки оконечностей

Динамометр

Электромотор

Процедура испытаний (British method):
–
–
–
–
Модель разгоняем до нужной скорости
Устанавливаем нужное

постоянное число оборотов
Измеряем усилие подтягивания
Испытания проводят с не менее чем 3 числами оборотов

– Значения упора, момента и числа оборотовV корректируются с учетом силы подтягивания интерполяцией

• Преимущества Британского метода:
– Точное определение силы подтягивания
– Испытания со слабо и сильнонагруженными винтами

• Недостаток: Требуется на порядок больше времени!

резервуары в виде кольцевой трубы переменного поперечного сечения. Рабочий участок,

в котором расположена модель, как правило, сообщается с атмосферой. Основные достоинства гидролотков – возможность наблюдения за моделью неограниченное время, удобство визуальных съемок и приборных измерений, возможность повышения точности регистрации измеряемых величин. В то же время здесь труднее добиться равномерности потока и однородности его структуры, а также исключить гидравлический конструкции типа водосливов в конце рабочего участка со следующим за ним уклон и волнообразование свободной поверхности. Для устранения волн применяют управляемые козырьки в начале рабочего участка, подпорные участком большой емкости и другие решения. Для визуальных наблюдений в районе рабочего участка расположены смотровые окна, а над ним – платформа с измерительной аппаратурой. Как правило, эксперименты в гидролотках дополняют данные, полученные в опытовых бассейнах.

к.п.д.
– Вибрация и шум

• Типы испытаний:
–
–
–
–
Наблюдение (визуально)
Измерение пульсаций давления
Измерение

шума
Измерение кавитационной эрозии

трубы,
соответствующая выбранной относительной поступи , J.

Устанавливаем модель кормы и замеряем

поле скоростей в
диске винта

Устанавливаем модель винта


При атмосферном давлении в трубе регулируется либо число
оборотов, либо скорость потока, пока коэффициент момента не
станет равным полученному при пропульсивных испытаниях

Поддерживая постоянными скорость потока и число оборотов,
уменьшаем давление в трубе до нужного значения числа кавитации.

6. Проводим все измерения и фиксируем результаты.

цветом
Диск винта смещен от ДП

статического давления
Скорость воды в трубе
– Трубкой Пито-Прандтля в 5

см от стенки трубы в рабочем участке



Для измерения пульсаций давления:
– Датчиками давлений на модели кормы
(обычно 6-18 датчиков в разных местах)



Для измерения шума винтов:

– Широкополосный гидрофон

ИМО

2. Определение гидродинамических коэффициентов для уравнений движения
• Обычно с последующим

расчетом маневренности
в программе прогноза маневрирования

• Две альтернативных схемы испытаний:
1. Тестирование свободного хода модели
• Дает прямые оценки маневренности
• Гидродинамические коэффициенты для уравнений движения
могут быть получены пересчетом

2. Тестирование модели при вынужденном движении
• Измерение сил для вычисления гидродинамических
коэффициентов для уравнений движения

Zig-zag (Зиг-Заг)
• 10º/ 10º на оба борта
• 20º/

20º на оба борта
– циркуляционный тест
• 35º переклада руля
– Тест полной остановки (определяется тормозной путь,
проходимый судном с момента отдачи команды на полный
задний ход до момента полной остановки судна относительно воды )

• Дополнительные маневры:

–
–
–
–

Спиральные тест
Обратная спираль
Полный выбег
Очень маленький Зиг-Заг

10° поочередно на каждый борт при достижении отклонения направления движения

на 10° от первоначального направления в соответствии со следующими процедурами
.1 при достижении устойчивого нулевого рыскания руль перекладывается на 10° на правый/левый борт (первое действие);
.2 когда направление движения изменится на 10° от первоначального, руль перекладывается на 10° на левый/правый борт (второе действие);
.3 после того, как руль будет переложен на левый/правый борт, судно будет продолжать поворачиваться в первоначальном направлении с уменьшающейся скоростью поворота. Затем, реагируя на перекладку руля, судно должно начать поворачиваться на противоположный борт. Когда судно достигнет отклонения на 10° на левый/правый борт от первоначального курса, руль снова перекладывается на 10° на правый/левый борт (третье действие);
.4 первый угол зарыскивания - дополнительное отклонение после второго действия) при выполнение зигзага;
.5 второй угол зарыскивания - дополнительное отклонение после третьего действия) при выполнении зигзага;
.6 испытания на зигзаг 20°/20° проводятся согласно процедуре, описанной выше, посредством перекладки руля на 20° и изменениях курса на 20°.

эффекта на силу трения компенсируется установленным вентилятором (воздушным винтом)

Электродвигатель должен

идеально моделировать работу СЭУ

– Можно использовать мотор постоянной мощности
– Нужно обеспечить постоянное число оборотов (Использование электромотора без автоматического регулирования дает слишком большой упор винта при маневрировании)

и ее посадку
– Альтернативно: 6 –ти мерная запись

• Углы поворота (с использованием гироскопов)
– Важно для быстроходных моделей и при использовании автопилота

Самоходные Маневренные Испытания

Mechanism (PMM))

• Циркуляционный бассейн
• Буксировка с углом дрейфа
•

Измеряем:

– Скорость

– Параметры положения
– Силы и моменты

Модель совершает вынужденные движения;
Измеряем силы, прикладываемые к модели

по криволинейной траектории, чаще всего – на установившейся циркуляции. Они

имеют чашу круглой или прямоугольной в плане формы, в центре которой расположена колонна – опора ротативной установки. Сама установка представляет собой ферму, опирающуюся на центральную опору и рельсы по периферии бассейна. По ферме перемещается тележка, к которой крепится модель и измерительная аппаратура. Для уменьшения скорости циркуляции воды в бассейне, вызванной движением модели, на дне и стенках бассейна располагают радиальные и вертикальные ребра - пластины. Для гашения волн устанавливается волногаситель.

Угол дрейфа модели
Контролируем :
– Постоянство скорости
– Постоянство

угла дрейфа
– Постоянство скорости вращения
Измеряем:

–
–
–
–

6 компонент сил и моментов
скорость
Радиус, угол дрейфа
Угол перекладки руля

фиксированным углом дрейфа

Модель либо жестко закрепляется, либо может свободно накреняться

Измеряем

силы и моменты, действующие на модель

Опыты повторяют для нескольких углов дрейфа
и скоростей буксировки

• Варианты:
– Повторяем при нескольких углах перекладки руля

не должен превышать
4,5 длин судна (L), а тактический диаметр -

5 длин судна (L).
.2 Начальная поворотливость.
При угле перекладки руля на 10° на левый/правый борт судно не должно проходить более 2,5 длин (L) за время, в течение которого оно отклонится на 10° от своего первоначального направления движения.
.3 Рыскливость и устойчивость на курсе.
.3.1 Величина первого угла зарыскивания при испытаниях на зигзаг 10°/10° не должна превышать:
10°, если отношение L/V менее 10 с;
20°, если отношение L/V составляет 30 с или более;
(5+L/2V)° , если отношение L/V составляется 10 с и более, но менее 30 с.
.3.2 Величина второго угла зарыскивания при испытаниях на зигзаг 10°/10° не должна превышать:
25°, если отношение L/V менее 10 с;
40°, если отношение L/V составляет 30 с или более;
(17,5+0,75 L/V)°, если отношение L/V составляет 10 сиболее, но менее 30 с.
.3.3 Величина первого угла зарыскивания при испытаниях на зигзаг 20°/20° не должна превышать 25°.
.4 Тормозные характеристики.
Тормозной путь при проведении испытаний на торможение с помощью полного хода назад не должен превышать 15 длин (L) судна. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть изменена по согласованию с Регистром.

source of accumulated knowledge on model testing

Work is performed in

groups of 6-10 technical experts

Work is presented every third year in a common conference

Proceedings from the ITTC conferences are valuable references

ITTC maintains standards of model testing and analysis techniques

• ITTC Permanent web-site – contains standards for model testing:
http://ittc.sname.org/

open water tests are performed to
determine accurately the speed-power performance

of the ship in full
scale

• Cavitation tests are done in order to ensure that the ship propeller will

not get cavitation problems

– Typical cavitation problems are:

• erosion damage to propeller and rudder

• Noise and pressure pulses induced on the hull from the propeller cavitation

• Manoeuvring tests are performed to verify the manoeuvrability of the

ship

– Compliance with IMO criteria for manoeuvrability
– Detect and repair directional instability