船模拖曳水池教学实验室测试平台设计

李广年，李家旺，杜 林，郭海鹏

（宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315611）

实验教学在创新性人才培养中扮演着重要的角色[1-2]。教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》提出“创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学”[3]。实验教学很大程度上依赖于实验室建设与实验测试技术，因此教学实验室建设、实验测试平台开发与应用在提升高校教学质量过程中尤为重要[4]。

1 船模常规水动力测试平台

船舶与海洋工程专业（以下简称船海专业）是传统的工科专业，实验教学在船海专业教学中扮演重要的角色。航行性能是船舶的基本性能，也是船舶总体技术的核心，涉及诸多学科领域，长期以来航行性能的研究主要依靠模型试验实现[5-6]。19 世纪60 年代，英国造船学家W.Froude 首先提出用船模试验的方法确定实船在航行时所遭受的阻力。模型试验研究对于正确预报实体的水动力性能、设计具有优良水动力性能的实体，乃至促进船舶与海洋工程流体力学学科的发展等方面，都有十分重要的作用。因此欧美国家纷纷建立了众多的船模拖曳水池及其他实验设施[7]。一个多世纪来，世界上建成了大量的、耗资巨大的船模试验水池，为航行性能的研究提供了模拟试验环境。从造船史上来看，这是一个造船大国和造船强国不可缺少的基本研究条件[8]。第21 届国际船模试验池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）重新制定的章程中指出，ITTC 的主要任务是促进解决船模试验池负责人十分关注的重要技术问题。历届ITTC都非常关注测试技术的开发与探索。测试分为动态测试和静态测试。如果被测量不随时间变化，称这样的量为静态量，相应的测试成为静态测试；反之为动态测试[9-10]。测试在船模试验中起着至关重要的作用，船模水动力试验的成功与否，很大程度上依赖于测试方法是否正确、测试技术是否先进以及测试系统是否完善。

本文以一尺寸为135.0 m×7.0 m×5.2 m 的大型拖曳水池（见图1）为载体，为满足教学实验需要，设计了一套船模常规水动力测试平台。该平台由阻力试验测试系统（含波浪增阻测量系统）、自航试验测试系统、敞水试验测试系统、数据测量控制分析处理系统和校验系统等组成。该系统能对试验过程中水面船模的阻力、纵倾、螺旋桨模型的推力、扭矩等参数进行测量和分析。

图1 拖曳水池

2 阻力试验测试系统

试验时船模由拖曳装置（含抱紧装置）拖动，拖车速度即模型速度，拖车在加速或减速时，由抱紧装置夹住船模，以防阻力仪过载。船模的航向由艏、艉导航装置（含升沉测量）保持，船模速度稳定后，测量其阻力、纵倾（升沉）。考虑到水池拖车测量桥布置长度有限，以及船模尺度的限制，系统方案组成上拟采用两个“二合一”，即拖曳、抱紧装置合一，导航、纵倾测量装置合一，以解决布置上的困难。此外，进行波浪增阻试验时，先利用阻力仪测量静水中阻力，再通过四自由度试航仪测量波浪条件下的船模阻力，从中减去静水阻力得出波浪增阻，波浪参数由浪高仪测量。

船模拖曳装置用于船模拖曳，要求拖曳时阻力仪与抱紧装置联动，实现对阻力仪的过载保护，同时拖点上下可调，拖曳、抱紧两合一。船模导航、纵倾测量装置用于保持船模直航及测量船模纵倾，要求船模导航装置低摩擦，纵倾装置不对船模运动造成干扰。阻力仪用于测量船模阻力，要求线性好、零漂小，输出稳定、灵敏，抗干扰能力强。浪高仪用来测量波浪参数，要求系统零漂小，输出稳定、灵敏，抗干扰能力强。

船模拖曳装置拖动船模，气动抱紧。采用应变式电测阻力仪，目前先进的阻力仪本身自带船模纵倾测试功能，当然船模纵倾也可由专门的纵倾测量装置来测量，要求该装置不会干扰船模运动。在水池内定点和水车各布置一台浪高仪，用以测量波浪参数。测试系统框架如图2 所示，测试仪器应达到的参数范围见表1。

图2 阻力试验测试框图

表1 阻力试验测试参数及范围

3 自航测试系统

水面船模自航试验采用强迫自航试验法，船模在强制力及螺旋桨推力的共同作用下保持某一稳定航速。试验时根据不同需要，取若干个不同车速，在每一车速下变化几个转速，测量相适应的强制力、推（扭）力、转速和车速。强制力由阻力仪测得，螺旋桨推力和扭力由自航仪测量。

自航试验测控系统采用“自航仪+齿轮箱+电机”的形式，用于实现双桨自航试验测试。双桨自航试验时，左右桨的推力和扭力分别由两自航仪测量。通过齿轮箱可实现一台电机对左右双桨的控制，以保证左右双桨转速的同步。转速的调节与车速一样，可由直流调速装置进行。编码器每转脉冲不小于1000 Hz。测试系统框架见图3，测试参数及范围见表2。

图3 自航测试系统框图

表2 自航试验测试参数及范围

4 螺旋桨敞水测试系统

敞水试验可采用敞水箱方式或专用敞水动力仪进行，本系统拟选用专用敞水动力仪方式。试验时采用等车速、变转速的方法改变螺旋桨进速，由低到高，至螺旋桨推力为零为止，得到一条完整的螺旋桨敞水曲线。

螺旋桨敞水动力仪主要由推力、扭矩测量单元，转动传动机构，剑状（横剖面为翼型，减小对流体的扰动）支撑系统及安装支架等组成。其中推力、扭矩测量单元布置在水密的流线型回转体外壳内，垂向支撑也采用翼形剖面形式，以减少对流场的干扰。为减小水下流线型回转体直径，并使系统简单化，驱动电机可安放在流线型回转体外壳外，通过传动系统驱动螺旋桨转动，提高试验测试精度。敞水动力仪的量程最好选定为比实际试验常用最大参数范围稍大些，一般不宜将动力仪设计成可变量程程式的结构，应避免经常拆装动力仪测量单元，以免影响仪器测量精度和水密性。若确需经常更换量程，改用敞水箱进行敞水试验是最简单的方法。根据拖曳水池的实际情况，本系统敞水动力仪测量的最大推力选为200 N，最大扭矩为7 Nm，精度为0.5%，所配电机转速为3000 rpm。敞水测试系统框架见图4，测试参数及范围见表3。

图4 敞水试验测试系统框图

表3 敞水试验测试参数及范围

5 数据测量控制分析系统

数据测量控制分析系统的任务是通过计算机对试验过程中的被控制量进行控制以及对测试量进行实时采集、储存、分析和处理。自航及敞水试验时需对桨模的转速进行控制，提高试验效率和数据精度。并对所有试验中需要的参数进行采集、储存、分析和处理。系统以计算机为基础，包含必要的信号采集、放大、预处理、储存、计算分析等功能，配置相应的滤波、放大器等二次仪表，配备工控机，实现多通道同时采样，通道间无串扰影响，采样频率可调。

此外系统具有可扩充性，除了满足上述快速性模型试验需要外，还能满足将来功能扩充的需要，比如增加有关程序处理模块（如耐波性试验程序等），为此系统在设计上实现模块化并可扩充。数据采集、处理软件采用统一的工作平台和界面，依据阻力、自航、敞水等不同试验类别，分别进入相关的采集、控制程序模块，并调用各自的处理软件进行分析、处理。系统界面可实时显示被测物理量大小及变化曲线，在采样过程中可动态切换或增减显示通道，各通道同时工作，采样、显示、储存同步。数据采集软件流程如图5 所示。

图5 数据采集软件流程简图

系统的硬件部分由传感器、放大器、滤波器、A/D转换器、计算机等组成，根据需要和可能，系统可利用计算机的通讯口（如IEEE1394 接口）进行数据传输，系统配备工控机和笔记本电脑，满足实验室和野外作业的需要。

6 测试系统校验

测试系统校验分为静校验和动校验。静校验是在静态的情况下，对测试仪器进行标定，通过对仪器静态参数校验，判断仪器是否正常。校验系统主要由专用校验架、标准砝码和数字电压表组成，用于阻力仪、自航仪和敞水动力仪的静校。校验时将待校验的阻力仪、自航仪等安装在校验架上，通过砝码进行加载，传感器输出信号由数字电压表读取。校验架除需实现对阻力、推力、扭矩等量的加载功能外，本身应有足够的刚度、必需的安装精度以及调节功能。动校验通过标模试验进行，将标模试验结果与以往结果比较，以动态的形式判断整个被校系统是否满足试验需要。

7 结语

本文以拖曳水池船模常规水动力教学实验开展为出发点，设计了一套完整的测试系统，包括船模阻力试验、螺旋桨敞水试验、自航试验以及测试仪器标定四个系统模块，并编写了数据测量控制分析系统软件。系统具有可扩充性，除了满足上述快速性模型试验需要外，还能满足未来功能扩充的需要，比如增加有关程序处理模块（如耐波性试验程序等）。实际运行情况表明该系统性能可靠、操作简单。同时实验室在“标准至臻、质量至上”的实验教学理念指引下，根据实际运行状况，对船舶性能教学实验测试平台逐步优化。通过测试平台的搭建，进一步提升了实验教学水平，使学生的综合素质和科研服务能力得到显著加强。