船舶试验技术复习大纲.doc

1.1 船舶性能实验的途径和内容
一.船舶性能实验的途径
船舶性能实验的作用：船舶性能实验是研究船舶航行性能、进行船舶设计、发展船舶技术的重要方法。
船舶性能实验有以下两种途径：
1.实船试验
实船试验是实船在实际环境条件下进行的试验。实船试验能获得实船的最终性能；但实船试验受自然环境条件的限制，需要花费大量的人力、物力、财力和时间。
虽然船模试验在许多方面具有实船试验不可比的优点，但实船试验也仍是研究船舶性能中不可缺少的方法。
2.船模试验
船模试验是用船模在实验室内进行试验。船模试验不受自然环境条件的限制，试验内容可以多种多样，且可重复进行。有些破坏性试验，例如船舶翻沉原因试验等，只有采用船模试验。此外，船模试验花费的人力、物力、财力和时间都比实船试验少得多。
船模试验结果要用恰当的换算方法，来预报实船的性能。由于船模的试验状态与实船不可能完全相似，而采用的换算方法也不可能考虑到影响船舶性能的所有复杂的因素，因此船模试验也有其局限性。
二、进行船舶性能实验的意义：
1. 预报新船的性能指标；
2. 比较不同船舶的性能优劣；
3. 验证理论研究和数值模拟的结果；
4. 发现新的船舶特性、开发新的船舶技术。
1.2 相似准则
一、几何相似
1. 几何形状相同，且对应尺寸成同一比例；Ls/Lm=CL （长度比尺）
2. 对应角度相等。
一般船模试验应满足几何相似的条件。但备用桨模自航试验就不满足螺旋桨几何相似。
二、运动相似
1. 对应点上的速度方向相同，大小成同一比例。即：
Vs/Vm=Cv (速度比尺)
2. 对应点通过对应距离的时间也相同。即：
Ct = ts/tm =(Ls/Vs)/(Lm/Vm)=CL / Cv (时间比尺)
3. 对应点的加速度也相似。即：
Ca= as/am =(Vs/ts)/(Vm/tm)=Cv / Ct (加速度比尺)
三、动力相似
船舶试验常用的动力相似准则有：
全动力相似：如果船模与实船的所有相似准数都相同，则船模与实船满足全相似定律。进行船模试验时，要求满足全动力相似是不可能的(主要是Re数不能相同)。为此，只能要求满足部分动力相似条件。
2.1 测量误差及其分类
误差是测量值xi与真值μ之差，即δi = xi -μ。了解误差的种类、性质、产生的原因，采取有效的方法来处理实验测量值中的误差，保证在一定条件下得到的试验结果有一定程度的可靠性。
根据误差的性质可分为：
一、系统误差
系统误差是在同一条件下多次测量同一量值时，其误差的符号与绝对值大小保持恒定的误差。又称恒定误差。系统误差反映了测量的准确度。
系统误差产生的原因可以是测量工具不完善，试验装置安装、布置及调整不当，测量方法错误，测量人员的感觉器官和运动器官不完善，外界环境因素变化等。
二、随机误差
随机误差是在同一测量条件下，多次测量同一量值时，误差的符号与绝对值的大小以不可预定的方式变化的误差。随机误差反映了测量系统的精密度。
随机误差是由许多尚未掌握的微小因素引起的。如温度、湿度的变化、空气振动、电压波动、测量设备中零部件配合不稳定、人员视觉和读数技术的差异等因素造成的。
随机误差可以用概率统计的方法加以描述和分析。
三、粗大误差
粗大误差是偶然发生的、数值偏大的误差。
粗大误差是由于差错引起的。测量时人为地读错、记错，仪器仪表突然跳动，实验状态尚未达到预期的条件就匆忙开始测量和记录等，都是引起粗大误差的原因。
粗大误差的测量值属于“坏值”，在进行数据处理时，应当把它从测量值序列中剔除掉。
2.2 系统误差分析
系统误差是固定的或按一定规律变化的误差，不能用处理随机误差的方法来处理它。必须针对不同情况，采取不同的处理方法。
系统误差的存在对测量结果会有严重影响，必须消除或将其降到最低程度。
判别系统误差存在的方法通常有以下两种：
1. 观察偏差的趋势
1）把测量数据的偏差按测量次序先后排列。如果发现偏差有规则地只向一个方向演变，例如前段的偏差为负号，后段的偏差为正号，则含有累积的系统误差。
2）按照测量的次序分别求出前半段和后半段数据偏差的总和。若两段总和的差值显著地不接近于零时，则含有累积的系统误差。
3）把数据的偏差按测量顺序排列。如果偏差的符号作周期性变化，则含有累积的系统误差。
4）如果是动态测量，则观察其记录曲线。若记录曲线的平均水准线保持水平，则表明数据中不包含变化的系统误差。若平均水准线由低到高或由高到低，则有累积的系统误差；若平均水准线作周期性变化，则有周期性系统误差存在；如果平均水准线作复杂规律变化，则有复杂变化的系统误差。
2. 正态分布判别法
1）用正态概率纸来判别。把测量数据列成频率分布表，然后作图，以数据值为横坐标，以累计概率为纵坐标，连线如图所示。如果各点在一条直线上（尤其是中间点），则表明测得的数据服从正态分布，只含随机误差，而无系统误差。反之，表示测量数据含有系统误差。
2）用公式来判别。若测量数据只含随机误差，则数据与算术平均值的平均偏差δ与标准差σ间有下列关系：δ = 0.7979 σ
式中：

如果计算出的δ和σ，与上式的关系相差很大，则表明测量数据中含有系统误差。
3）变化测量条件来进行判别。在一种条件下测量，数据误差有一种符号。当上述条件消失或发生变化时，误差即改变符号。这样就可以发现随测量条件变化而变化的固定系统误差。
二、系统误差的减小和消除
1．以修正值的形式加到测量数据中，消除系统误差；
2．在实验过程中消除产生系统误差的因素；
3．选择合适的测量方法，使系统误差得以抵消，而不致带进测量数据中去。
上述途径的选择应根据具体实验内容来定。
2.3 随机误差分析
一、随机误差的特性
根据误差理论，大多数随机误差都遵从正态分布。遵从正态分布的误差具有下述4个特征。
1. 有界性：一定条件下的有限测量中，误差的绝对值不超过一定的界限。绝对值很大的误差的概率近于零。
2. 对称性：绝对值相等的正负误差出现的概率相同。
3. 单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。
4. 抵偿性：同一条件下多次测量同一值时，其误差的算术平均值随测量次数的无限增加而趋于零。利用这个特征，可采用增加测量次数的方法减少随机误差的影响。
二、随机误差的统计特性
1. 正态分布概率密度函数
正态分布(高斯分布)是最常见的一种连续分布。理论上，若某一随机过程是由大量的相互独立的随机因素的综合影响所致，且每一个因素在总的影响中所起的作用都是微小的，这种随机过程往往服从正态分布。
概率密度函数：
μx:随机过程的平均值；
σ2x:随机过程的方差。
2．正态分布的分布函数(补)

式中φ(x)为均值为0，方差为1的标准正态分布(误差)函数。用数值积分或查表得到。
当t=3时，δlim=3σ，1-2φ(t)=0027，是一个很小的概率，属于不可能发生的事件。通常把δlim=3σ称为单次测量的极限误差。
3．算术平均值
随机过程x的概率密度函数为f(x)，其数学期望定义为概率分布曲线面积中心的横坐标。
数学期望可以理解为随机过程 x 的平均值。
实际上我们只能处理有限的随机变量，如求由观测得到的某个量 x1,x2,…,x n 的数学期望，则得：

4．方差和均方差
方差表示随机量x在数学期望μx周围的分散程度，定义为：

方差的单位是随机过程单位的平方，这可能给应用带来不便，通常取方差平方根的正值作为随机过程x 对于均值偏离程度的量度，称为均方差或标准差，记作：

2.4 粗大误差的防止和消除
常采用3σ准则来判断：对某测量值，若有随机误差，且测量次数足够多时，可按随机误差正态分布规律来检验，凡大于3σ 的测量值可认为是粗大误差，应作为“坏值”剔除。
2.5 测量结果的表示方法
一、直接测量结果表示方法
当不需要给出误差时，直接用测量数据的算术平均值μ来表示测量值的真值，即：x = μx；
当需要给出最大可能误差时，可用3σμ作为最大可能误差，表达为：
当需要给出其他误差值时，可采用其他相应的公式。
二、间接测量结果表示方法
间接测量结果的表达，首先要按所确定的函数关系求出间接测量的精度参数。有两种途径可循：
1．用直接测量参数的误差来求间接测量量的误差
设各直接测量参数x1,x2,x3 …，与间接测量值y之间存在如下函数关系：y = f (x1,x2,x3 …)
若各直接测量参数的误差分别为△x1, △x2, △x3, …。则间接测量值的误差可按泰勒函数展开，略去高阶项后，得：

而间接测量值的标准差为：

间接测量的真值，用测量数据计算结果的算术平均值μ来表示。
第三章 试验水池和模型
3.1 试验水池
一、拖拽水池
拖拽水池的长度由下式决定：
式中，Vmax：拖车的最大拖曳速度；
a1,a2：拖车启动、制动时允许的加速度；
L1：拖车速度稳定段长度L1 ≈ 3Lm；
Vmaxt1：测量段长度，t1测量时间；
Lm: 模型长度；
L设备：水池两端船坞及造波机长度。
拖拽水池的宽度和深度，应考虑消除池壁和池底对船模试验的阻塞效应。与船模长L、宽B、吃水T、航速V有关。
拖拽水池两侧的池壁应保持平整，不应出现波纹形凹凸，否则将影响造波质量。
水池的池底或深水池中安装的假底必须在同一水平面内保持平整。
拖拽水池两侧的钢轨沿整个池长都应保持平整，不应出现水平和垂直方向波纹形凹凸，否则将影响拖车速度的平稳性，轨道的安装和使用中都有较高的精度。
模型试验要求拖车运行时，在试验速度范围内能实行无级调速，且速度平稳。因此，对拖车的结构、拖动系统的机械特性，都有严格要求。
3.2 试验模型
一、准相似问题
在船舶试验中，一般模型与实物应满足几何相似。但在有些试验中，受各种条件的限制，往往不能做到几何相似。如常用几何形状和尺寸不完全相似的备用桨进行自航试验。
在船模阻力试验中，粘性力不能满足相似条件。
高速艇在航行过程中常会出现“吸气”现象，舵及螺旋桨的翼面上会产生空泡。这些现象都是无法在船模试验中模拟的。
二、船模缩尺比的确定
船模尺度的大小取决于试验内容和船池设备条件。
快速性试验，为获取大的雷诺数，船模的尺度要尽可能大一些。在较大水池中，船模长度往往大于6m，一般船池中的船模长度也在4m以上。
高速船模的尺度还受拖车速度的制约，要达到较大的傅汝德数，船模的尺度要小得多。
耐波性试验的船模，除了满足几何相似外，还应满足惯性矩相似，并且要考虑造波机的造波能力，和保证足够的遭遇次数，因此，耐波性试验船模长度取2~3m。
三、船模制作
木模易于加工，不易变形，适合久存，用于重要船模制作，但价格高。用于制造船模的木料要求木质好，便于加工，不易变形，需经过干燥处理。
腊模加工、改型非常方便，可多次使用，无需油漆，成本低。但质地较软，容易变形，受温度变化的影响，也容易产生裂纹。腊模需要水中浸泡48小时，试验前吊出水面，擦掉腊模表面上的粘液，再放回水中试验，试验完毕，应在水中存放，以防变形。制做腊模的主要原料是石腊、少量的蜂腊和聚氯乙稀，以增加腊模的强度和刚度，消除腊模中的气孔。制作时，可在蜡模内预先安放木质骨架，浇铸成蜡木混合结构的毛坯。
阻力船模一般由多层木框粘压而成。制作过程分为：下料→胶合成坯→切削机初加工→精加工→油漆→表面上蜡→检查验收。
耐波、操纵性船模为减轻船模重量做成框架结构，表面敷设木条或玻璃钢，便于有更多的压载重量用于安装试验设备，调整重量和质量分布。
船模是非标准产品，没有统一的公差标准。根据船模加工的经验和技术水平，通常认为6m长的船模，其长度误差为±5mm，宽度和深度的误差为±0.1mm，检验船模外形的卡板与船模表面之间的缝隙不应超过0.1mm，卡板的块数根据船模外形复杂程度确定。
一般，试验船模要求水下部分与水线面附近区域与实船几何相似。高速艇试验，在滑行阶段会出现严重的喷溅和埋尾现象，要求模型艇的首、尾上部都应该与实艇相似。若需进行风力试验，则船摸上层建筑的受风面积也应与实船相似。
四、螺旋桨模型尺度的确定
螺旋桨模型的尺度与试验种类有关。用于敞水和空泡试验的桨模直径，一般为250~300mm。用于快速性自航试验的桨模，受船模缩尺比的约束，不可能太大，但要求桨模在超临界雷诺数状态下工作，也不宜过小，应不小于120mm。
五、螺旋桨模型的制作
螺旋桨模材料既要有足够强度，又要便于加工。通常都采用巴氏合金制做小直径桨模，而大桨模多为铝制或铜制。
制造桨模时，先按桨模的外形尺寸加上加工余量制成砂型，浇铸出毛坯，再按型值表在点钻床上对桨模进行点钻，然后手工加工成型。
“螺旋桨敞水试验规程”中对桨模加工误差提出下列要求：桨翼厚度±0.05mm，桨翼宽度±0.10mm，直径±0.10mm。
3.3 模型试验对水池的要求
1.水池中的水必须清洁。试验前需进行刮水，去除水面飘浮的油及污染物。要阻止阳光直接照射水面。
2.试验前池水平静，紊流度很低，不利于船模表面边界层紊流化。故每天第一次试验前应将船模在静水中预拖一次，通常称之谓“破水”。
3.一次试验完，要等水面基本平静后才能进行下一次试验，称为“等水”。
4.拖车轨道要经常保持清洁。应定期对导轨的直线度和水平度进行检查和校正。
5.水池中的水温应定点、定深测量。
6.从开始到测试完毕，拖车上的人员应各就各位，不能随意走动。
7.要随时检查试验系统质量。采用标准船模，按照标准程序试验。
第四章 船模快速性试验
4.1 快速性试验的目的和内容
船舶快速性试验用于检验船舶是否达到快速性设计要求。试验内容：
阻力试验是确定船体有效功率曲线、航态、流线，研究船型参数和线型变化对船体阻力的影响，研究各种附体阻力及其对总阻力的影响，选择优良线型。
螺旋桨敞水试验是研究桨自身的水动力特性，及桨的各种参数变化对性能的影响。
自航试验是研究各种推进效率成分的重要手段，同时可判断船、机、桨配合是否良好？
快速性试验结果，可用一定的换算方法预报实船的快速性能。
另外，通过对实船试验结果与相应的船模自航试验资料的相关分析，可以改进换算方法，从而能够更加准确地用船模试验结果预报实船性能。
4.2 船模静水阻力试验
一、试验前的准备工作
1. 模型缩尺比确定
阻力试验，由傅汝德数相等，要求：
敞水试验，要求进速系数相等，则：
快速性试验，必须综合船模试验的速度范围、桨模的转速范围及临界雷诺数等因素，确定模型的缩尺比。
2. 激流装置
一般在船模19站处，安装直径为1mm的金属激流丝。
在小船模雷诺数小(Re<1.5×106)的情况下，采用直径较粗的激流丝，或在181/2处再装一根激流丝。试验报告中必须注明采用什么形式的激流装置，以及激流装置规格和安装位置。
3. 吃水标志和附件安装
画吃水标志，安装导向架底座、拖钩、全部附体。需要测量航态的船模，应安装纵倾和升沉传感器。
4. 称重和压载
船模试验状态的总重量应与计算的排水量一致。秤重误差应小于0.1%；试验完毕后，船模重量要复秤，两次秤重之差应不大于0.5％。
模型的总重量由船摸本身的重量（含装在船模上的装置、附体、螺旋桨动力仪、电机、舵和桨）；和压载重量。压载的重量要足够大，以便调节浮态。
任何船模在调整浮态后，不允许有纵、横倾存在。
5. 船模连接
水上静水阻力试验，船模与拖车的连接如图所示：
调节好浮态的船模置于拖车下，安装并调整导航架；将阻力仪钢丝与拖钩连接，从拖钩引出的钢丝应与水平面平行；用装在拖车上的夹紧装置夹紧船模，并进行松、夹试验。如用机械式阻力仪测量阻力，应预先加好砝码，调整弹簧记录装置，装好记录纸。如用电测则应选好量程，并调整好连接钢丝的长度。
二、阻力试验测量的物理量
1. 船模阻力
机械式阻力多以杠杆原理为基础。当船模以速度Vm运动时，拖索上的拉力(等于船模阻力)，靠法码质量及重锤偏离度来确定。机械式阻力仪结构简单，工作稳定。
电测阻力仪采用传感元件将机械物理量转变为电讯号，再进行记录和显示。电测阻力仪便于直接应用计算机进行数据采集和处理。
2. 船模速度
船模跟随拖车一起运动，当拖车达到试验速度时，船模的阻力与阻力仪提供的拖拽力平衡，船模与拖车无相对运动。一般认为拖车的速度即船模的速度。
测量拖车速度的方法很多，较简单的方法是采用光电测速装置，利用测速轮将拖车运行的距离变为电脉冲，用频率计显示速度。提高单位距离的脉冲数，就可以使速度的测量值达到要求的精度。
3. 高速船浮态
一般排水量船舶在航行中浮态变化甚微，可不予考虑。但对高速艇，当它达到滑行状态时，船的浮态与静止时有相当大的差别，变化程度还随速度而异。因此，进行高速艇模型阻力试验时，除测量阻力外，还必须测量在不同速度下的浮态变化，用来计算实际的湿表面积，供分析用。
浮态变化可用摄像机记录，再对图片进行测量；或用各种传感器，分别记录船模的纵倾角，升沉位移，进行计算得到。
三、船模阻力试验
试验前根据实船的设计装载状态和航速，按傅汝德数相等的条件确定船模的拖曳速度范围。一般应略超过设计航速(10％)，并从低速到高速确定不少于15个试验速度，速度间隔大致均匀，在设计航速附件适当加密。
每个试验速度下的试验程序：拖车启动、加速、速度稳定、松开夹紧装置，船模由阻力仪拖带匀速度前进，记录阻力及船模速度。完毕后，将船模夹紧、拖车减速，回到拖车开始位置，停车。
将试验结果整理成船模或实船阻力曲线。
四、船模阻力试验精度
从阻力试验角度看，影响精度的主要因素是阻力及速度测量值的误差。为保证结果的准确性，一般阻力测量精度要求小于0.2％，拖曳速度的波动值小于0.3％。这样阻力结果的平均误差可小于1.5％。现在拖车速度、阻力值均可控制在 3 位小数。
五、试验速度修正
船模型试验是在限制水域中进行的，所以存在阻塞效应。设船模的速度为Vm，阻塞作用产生的平均回流速度△V，试验测得的阻力Rm，实际上是限制航道阻力，相当于深水中船模速度为(Vm+△V)时的阻力。因此应当对试验速度进行修正。
对试验速度进行修正的具体方法与水池截面积、船模试验水线下的横截面积、船模速度等因素有关。由各船池自行确定。
华工船池宽6m，水深4m，一般不做试验速度修正。
六、船模阻力试验结果的换算
1. 二因次法
当船模与实船的傅汝德数相等时，实船的剩余阻力系数等于船模的值，即Crs=Crm。于是，
对于船模：
① 计算雷诺数：Rem=LwmVm/υ Lw(m), V(m/s), υ(m2/s),
② 用1957年ITTC公式计算摩擦阻力系数：
③ 计算总阻力系数：Ctm=Rtm / (1/2ρmVm2Sm);
④ 计算船模的剩余阻力系数：Crm=Ctm-Cfm; Rtm(kgf)，γ(kg/m3), ρ= γ/g, S(m2)
⑤ 计算傅汝德数：Fr=Vm/√gLm ;
对于实船：
① 按Fr数计算相应速度：vs=Fr*√gLs , vs=√λ vm,，λ=Ls/Lm
② 计算实船的雷诺数：Res=LwsVs/υ；
③ 用1957年ITTC公式计算摩擦阻力系数：
④ 取粗糙度修正值：ΔCfs=0.0004；
⑤ 总阻力系数：Cts=(Cfs+ΔCfs)+Crm；
⑥ 如需要计算实船湿面积：Ss ；
⑦ 总阻力: Rts=Cts.1/2ρvs2Ss。(kgf)
⑧ 有效马力：Pe=9.8*Rts*Vs/1000 (kw) /745.6(hp)
2. 三因次法
① 确定Cfm、Cfs
Cfm、Cfs分别为船模和实船的摩擦阻力系数，可用1957 ITTC公式计算；
② 确定(1+k)

式中Fr的指数取 n=4（普鲁哈斯卡法）
n=2~6（15届ITTC推荐方法）
将船模试验结果整理成Ctm/Cfm →(Fr)n/Cfm曲线，则趋势线的截距即为(1+k)，斜率为Y。或者(1+k)、y、n三个未知数根据船模试验结果，用最小二乘法决定。
4.3 螺旋桨模型的敞水试验
一、敞水试验的目的
1．确定实际螺旋桨的水动力性能；
2．通过多方案试验研究，分析螺旋桨的各种几何要素对其水动力性能的影响；
3．检验理论设计的正确性，完善理论设计方法。
4．通过螺旋桨模型的系列试验，绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。
二、敞水试验的相似条件和要求
理论上，螺旋桨模型试验必须满足全相似条件，才能使螺旋桨模型的推力系数、扭矩系数和敞水效率与实桨的相等。实际上，模型试验时无法满足全相似条件。但必须满足以下条件。
1）几何相似。
2）螺旋桨模型有足够的沉深。消除自由波面对螺旋桨水动力性能的影响。
3）试验时的雷诺数应大于临界雷诺数。(ITTC建议的临界雷诺数 Recr=3.0×105)
4）傅汝德数、进速系数相等。
hs ≥ (0.625~1.0) Dm
式中hs：桨轴中心线距水表面的距离（m）；Dm：桨模直径（m）。
四、试验准备
1）确定螺旋桨转速。常保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。进速范围应从进速Va=0至推力小于零的进速之间，在该范围内选取10~15个测点。根据临界雷诺数的要求、仪器量程、拖车最高速度限制，选取适当的螺旋桨转速。
2）动力仪进行静态校验。机械式动力仪要求通过静校验得出机械磨擦损失值以及仪器指针刻度与力的关系线。电测动力仪须找出输出信号与力和扭矩的关系曲线。
3）准备假毂、导流帽及过渡部分。为测量桨轴与轴承的摩擦损耗以及桨轴、桨毂在水中运动引起的摩擦损耗，需制作一个没有桨叶，形状与模型桨毂相同，质量与模型桨相近的铅制或其他材料的桨毂，称为“假毂”。为使水流平顺地流过螺旋桨的周围，在桨毂前、后必须安装流线形的导流帽和光顺的过渡部分。
4）测量尾轴摩擦损失。仪器正确安装于拖车上之后，校准仪器零点。将假毂安装在螺旋桨模型的位置上，敞水箱沉放至试验深度。
对电测动力仪，一般在要求试验转速下校正零点，以扣除尾轴摩擦损耗。
对机械式动力仪，在要求的转速下运转仪器，用扭矩测量元件测出总的摩擦损失，从中扣除仪器的摩擦损耗，便得到尾轴摩擦损耗值，它与转速有关。螺旋桨吸收的净扭矩Q = QT –Qf–Qs。式中QT为仪器测出的总扭矩，Qf为仪器摩擦损耗的扭矩，Qs为尾轴摩擦损耗的扭矩。
5）测定推力修正值。敞水试验时，桨模安装在轴的前端，向前运动。桨轴和桨毂的横剖面上受到水的阻力，并抵消了一部分桨时发出的推力。上述阻力在实船上是不存在的。因此，对测得的推力值必须修正。上述阻力称推力修正值。其大小与螺旋桨前进速度有关。
正式试验前，装假毂，敞水箱沉没到规定深度，以敞水试验转速旋转，测出不同进速时动力仪上显示的推力△T ，画成图示曲线。则螺旋桨发出的净推力T=Tt-△T。Tt：动力仪测得的总推力；△ T：为推力修正值。
6）动力仪动校验。仪器正确安装到拖车后，先用标准螺旋桨模型按规定的程序进行敞水试验。这种试验称为动力仪的动校验。其目的在于校验本次试验结果与以往的试验结果是否一致，借以全面判断仪器及安装设备工作是否正常。
五、试验流程
每次试验先启动拖车，当拖车速度稳定后，立即启动动力仪，并调整桨模至试验转速，由于车速与桨模转速互相影响，故必须保证两者都稳定后才能记录。
记录同一瞬间的桨模转速、车速、桨模推力及扭矩。
测量完毕，先使动力仪停止转动，后使拖车停止，避免系泊情况产生，保障动力仪的安全。
系泊试验时，敞水箱离开池壁端部应有足够的距离，避免回流对试验结果的影响。
六、试验结果表达
试验结果以下列无因次系数表达：
J：螺旋桨的进速系数；

KT：螺旋桨的推力系数；
KQ：螺旋桨的扭矩系数；
η0：螺旋桨的敞水效率。
式中Va：螺旋桨的进速(m/s)； T：螺旋桨的净推力(N)；
n：螺旋桨的转速(r/s)； Q：螺旋桨吸收的净扭矩(N.m);
D：螺旋桨的直径(m)； ρ：当地水密度(kg.s2/m4)。
根据原始记录列表计算螺旋桨的推力系数和扭矩系数。用光顺后的推力系数和扭矩系数计算螺旋桨的做水效率。绘制成螺旋桨的敞水性能曲线。
七、尺度作用修正
因雷诺数不同对螺旋桨性能的影响称为尺度作用。一般在同一进速系数时，实桨和桨模的性能参数有如下关系：Ktm<Kts(差值较小)；η0m < η0s ；Kqm>Kqs(差1%左右)
因此，将模型试验结果用于实桨，需要考虑尺度作用的影响。对模型试验结果的尺度修正有下列三种：
1）不修正。认为尺度作用主要影响阻力。桨模可加工得很光滑，而实桨较粗糙。因粗糙而增加的阻力大体上抵消了尺度作用，不予修正。
2）仅修正扭矩系数。认为尺度作用主要影响扭矩系数，对推力系数的影响小，不予考虑。
3）1978年ITTC推荐的修正方法。
4.4 船模自航试验
一、船模自航试验概述
1. 船模自航试验的目的
阻力和敞水试验分别获得船体和螺旋桨的单独性能，而自航试验则用于判断船、机、桨三者配合后的综合性能。试验的主要目的：
1）分析各种效率成分，研究桨、船间相互影响；
2）预报实船性能，通过试验给出主机功率、转速和船速间关系，预报实船航速；
3）判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。
此外，根据实船试验结果与相应的船模自航试验结果，可以进行船模与实船的相关分析，积累资料改进换算方法。
2. 试验的相似准则
自航试验时，要求船模和桨模几何相似，雷诺数超过临界雷诺数。同时也要求满足傅汝德数和进速系数相等的条件，即：

3. 阻力不相似的处理
自航试验是综合考虑螺旋桨与船体间关系的，考虑到推力应与阻力平衡，应有：
Rtm=Tm(1-tm)
Rts=Ts(1-ts)
Rt：总阻力；t：推力减额
假定船模的推力减额与实船相等，即tm=ts，船模与实船的推力间满足缩尺比的三次方的换算关系。但总阻力Rt却不满足三次方的换算关系。
因而，在水池中模型自航试验时的平衡点（模型自航点）并不是实船运行时的平衡点（实船自航点）。为此必须在船模自航试验后作适当处理后，才能进行实船换算。
不满足三次方关系的阻力成分是摩擦阻力，为了使各种力都成三次方关系，需要对摩擦阻力进行修正，增加一个修正值，人为地凑成三次方关系。该修正值称为摩擦阻力修正值，即：

从而使桨模与实桨的载荷一致。
4. 试验前的准备工作
① 船模及螺旋桨模型的准备与阻力和敞水试验相同；
② 螺旋桨及舵与船体间的相对位置都要按实船的情况几何相似地安装；
③ 船模、仪器及压铁等的总排水量必须与实船的排水量几何相似；
④ 横向和纵向移动压载，调整浮态，使船模两侧首、中、尾吃水符合要求。
⑤ 船模与拖车的连接安装基本与阻力试验相同。
二、自航试验方法
船模自航试验方法有：纯自航和强迫自航两种。
强迫自航法(英国法)：是在某一船模速度下，在船模运动方向上施加一系列的强制力Z，其中应包括 FD在内，船模在强制力和推力的共同作用下达到力的平衡，即：

对某一选定的自航速度，一般取5个不同的强制力，为使试验点分布较为均匀合理，一般取：
Z1=0， (相当于船模自航点)
Z2=0.5 FD， Z3＝FD，(相当于实船自航点)
Z4=1.5 FD， Z5=2 FD。
由于每一个速度Vm，要分别实施5个强制力下的自航试验，为保证试验精度，模型试验速度Vm必须严加控制，5次试验的Vm要尽可能相同。
完成自航前的阻力试验之后，在船模静止的情况下启动不带桨的动力仪，校正仪器零点，或测出尾轴摩擦损耗值。然后，安装桨、舵等附体，便可进行自航试验。
首先，在阻力仪的法码盘内加对应于某一船模速度的强制力Z，启动拖车加速到要求的Vm，启动螺旋桨动力仪逐渐增加转速，当船模与拖车速度同步，并稳定一段时间后，便可记录这一行程的Vm,nm,Tm,Qm,Zm。
依次对该船模速度下的5个强制力进行同样的测量，得到一个速度下的自航试验结果。
对要求的4个速度进行上述试验，便可得到全部自航试验结果。
用上式对各参数进行修正后，绘制图示的自航试验曲线。
三、船模自航试验结果分析
1. 分析依据的数据
1）船模总阻力曲线；
2）实船总阻力曲线；(换算方法按4.2节)
3）实船有效马力曲线；
4）螺旋桨敞水性能曲线；(换算方法按4.3节)
5）自航试验曲线。
2. 实船自航点的确定
按式：

根据船模在速度Vm时的Rtm, Rts和其它数据，确定对应于实船自航点的摩擦阻力修正值FD。应指出，式中实船总阻力Rts，应包括舭龙骨阻力及空气阻力等。
在自航试验曲线上，对每一个速度Vm均可以找到 FD 与强制力曲线的交点，该交点即为实船的自航点。对应于该交点的Tm、Qm及 nm为实船自航点的桨模推力、扭矩和转速。
3. 模型推进效率成分
QO:敞水扭矩
QB:船后扭矩

主机发出功率 Ps
螺旋桨收到功率 PDB=ηS* Ps (ηS:轴系效率)
t:推力减额
ω:伴流分数

螺旋桨推功率 PT=ηOηR*PDB (ηO:敞水效率,ηR:相对旋转效率)
船舶有效功率 PE=ηH*PT (ηH:船身效率)
于是：ηDm=ηomηRmηHm （推进效率=敞水效率*相对旋转效率*船身效率）
四、实船性能预报
实船性能预报是根据船模阻力、自航等试验结果推算出实船的航速、螺旋桨转速、主机功率之间的关系。
目前正在使用的方法有三种：
1.(1+x),K2 法
1959年英国皇家物理实验室等单位提出，认为船模和实船的伴流分数及推力减额分数及推进效率成分是相等的。
实船螺旋桨收到功率：
实船螺旋桨转速：
式中(1+x)为阻力相关因子，按经验取x=0.05；
K2为照顾伴流尺度作用相对转速修正的相关因子。对于单桨船取K2 =1.025。
PES,PDS分别为实船的有效功率及螺旋桨收到功率。
nm, NS分别为船模及实船的螺旋桨转速。
下表列出该方法的计算过程。
(1+x),K2法实船性能预报计算表
序
项目
单位
数值
1
船模自航速度Vm
m/s
1.594
1.727
1.859
1.992
2.125
2
实船自航点桨模转速nm
r/s
8.283
9.150
10.133
11.133
12.067
3
船模推进效率ηDM

0.731
0.731
0.687
0.671
0.651
4
实船速度Vs=λ1/2Vm/0.5144
kn
12
13
14
15
16
5
实船有效功率PES
kW
489.1
644.4
888.6
1212.6
1522.1
6
相关因子(1+x)(按经验)

1.05
7
实桨收到的功率PDS=PES(1+x)/ηDM
kW
702.5
926.2
1358.4
1898.6
2453.9
8
相关因子K2(单桨船)K2 =1.025

1.025
9
实桨转速Ns=60K2nm/λ1/2
r/m
131.5
145.3
160.9
176.8
191.6
五、实船航速、及桨机配合分析
根据自航试验结果绘制实船性能图，给出了实船速度Vs、螺旋桨船后收到功率PDS、螺旋桨转速NS间的关系，和进效率ηS。如图所示。
事实上，该图仅表示在各个航速下螺旋桨要求的功率及转速。若主机功率及转速给定，可利用该图预报实船航速，并判断螺旋桨与主机匹配是否良好。
设主机功率为PD，主机转速为 N，轴系传送效率ηs(尾机型η s=0.98，中机型η s=0.97；如安装减速箱，还需考虑减速箱效率及速比对转速的影响)，在转速N时，提供给螺旋桨的轴功率为：
P’DS=PDη s
在图上做水平线P’DS，它与 PDS 的交点表示主机提供给螺旋桨的功率恰好等于螺旋桨所需的功率。同时也可以从图上得到螺旋桨转速 NS 及船速VS。
根据螺旋桨转速NS与主机转速N间关系，可判断螺旋桨与主机是否匹配。有下列三种情况。
1) N=NS：桨与主机匹配，预报的实船速度可达到；
2) N<NS：桨与主机不匹配，螺旋桨负荷“过轻”；
3) N>NS：桨与主机不匹配，螺旋桨负荷“过重”。
后2种情况，对于新设计船是不容许的，需要根据自航试验得到的有关数据(tm,ωs,ηrm)重新设计螺旋桨，使之与主机匹配，并预报实船能达到的航速。
六、自航试验报告
1）船舶的横剖面图和首、尾形状图；
2）尾部布置简图，主要给出螺旋桨及舵的位置；
3）螺旋桨图；
4）实船有效功率图；
5）螺旋桨的敞水性能曲线；
6）船模自航试验曲线图（可以不提供）；
7）实船性能预报图；
8）实船主尺度及船型参数表；
9）螺旋桨主尺度及参数表；
10）模型推进效率成分分析结果表；
11）实船航速预报及船—机—桨匹配情况的分析。
七、用备用桨的自航试验
备用螺旋桨是指船池库存的螺旋桨模型。各国船池在许多情况下都采用备用桨模而不是使用设计桨模进行自航试验，其原因如下：
1）在船型系列试验研究中，无明确的实船，可用备用桨模进行试验，提供有关各种推进效率成分的资料；
2）新设计船往往要求尽快提供新船的推进性能，作为方案审查的依据。为节省制作桨模时间而采用备用桨；
3）备用桨模试验得到的结果满足工程上的要求，无显著误差。
选择备用螺旋桨的原则是它的直径必须与设计桨的直径相同。以保证伴流分数、推力减额分数和相对旋转效率不受影响。备用螺旋桨的螺距比、叶数及盘面比应尽可能与设计桨相近。螺距比的值不能较设计桨的螺距比低得多。尤其在进行拖轮、渔轮拖航状态的自航试验时，希望备用桨的螺距比较设计桨大一些好。
根据船模试验数据的统计分析，当螺旋桨直径相同时，一般情况下，螺旋桨螺距比、叶数、盘面比的变化对，t、ω、ηr的影响较小。认为用备用桨分析得到的t、 ω 、ηr值适用于设计桨的情况。
根据设计桨