Rok akademicki 2011-2012

PODSTAWY TEORII OKRĘTU

Studia stacjonarne I stopnia –

Oceanotechnika

Rok I ,sem. II

Temat:

Metody badań modelowych oporu

okrętu na wodzie spokojnej

STUDENT

Bogumił Myszkowski

Badania modelowe są nie tylko podstawową i

uniwersalną metodą prognozowania właściwości

dynamicznych okrętu, szczególnie na etapie jego

projektowania, ale również mają duże znaczenie

naukowo-badawcze zarówno jako metoda weryfikacji

teorii, jak też jako autonomiczna metoda poznawcza.

Idea badań modelowych zakłada, aby z pomiarów

przeprowadzonych na modelu wnioskować o

zachowaniu się obiektu rzeczywistego. Wyróżnia się

więc zjawisko podstawowe (w naturze) oraz zjawisko

modelowe jako obraz zjawiska podstawowego.

Warunki jakie musi spełnić zjawisko modelowe, aby

wyniki pomiaru można było odnieść do zjawiska w

naturze , są warunkami podobieństwa zjawisk.

Warunki podobieństwa zjawisk obejmują kryteria

podobieństwa oraz algorytmy przeliczania wyników

pomiarów z modelu na naturę. Podobieństwa dotyczą

geometrii , kinematyki i dynamiki.

Co to jest efekt skali w odniesieniu do badań
modelowych?

Błędy w prognozowanych właściwościach statku
spowodowane nie zachowaniem wszystkich praw
odnoszących się do statku w stosunku do modelu.
Należy zachować podobieństwa:
- geometryczne: stosunek wymiarów statku i modelu
jest zachowany dla wszystkich wymiarów liniowych:
λ=LsLm=BsBm=TsTm=const., także współczynnik
środka masy.
- kinematyczne: zjawiska będą kinematycznie
podobne jeśli prędkość odpowiednich punktów
modelu i statku będzie równoległa a ich stosunek
stały: λv=vrvm=wsRswmRm=const., skala czasu:
λt=tstm
- dynamiczne: kierunki sił działających na
odpowiednie punkty statku i modelu są równoległe, a
stosunek ich wartości jest stały.

Kryteria podobieństwa przepływów.

Analiza podobieństwa jest jednym z najczęściej stosowanych

narzędzi w mechanice płynów i w rozdziałach poprzednich

wielokrotnie używaliśmy tej metody, chociaż nie

wprowadziliśmy jeszcze tego pojęcia. Przykładowo, wykresy

współczynników strat tarcia i strat lokalnych sporządziliśmy w

funkcji liczby Reynoldsa, przyjmując intuicyjnie, że wartość Re a

nie U uzasadnia przyjęcie do obliczeń danej wartości λ lub ξ .

Najważniejszym powodem stosowania analizy podobieństwa

jest złożoności opisu ruchu płynu i duży nakład obliczeń

numerycznych potrzebnych do rozwiązania równań N-S czy też

Eulera. Podobnie pracochłonny i kosztowny jest w mechanice

płynów eksperyment i stąd też celowym jest stosowanie metod

analizy, pozwalających przenosić uzyskane numerycznie lub

eksperymentalnie rozwiązania na inne przypadki, jeżeli tylko

spełnione będą kryteria podobieństwa tych przepływów.

Przykładowo, załóżmy że znamy rozwiązanie opisujące pole

prędkości wokół profilu aerodynamicznego o charakterystycznej

skali liniowej l1 , który opływany jest strumieniem płynu o

charakterystycznej prędkości napływu U1 , jak pokazano na rys.

9.1a.

Rys. 9.1. Przepływ dla którego znane jest rozwiązanie
a) i przepływ podobny b) dla
którego poszukujemy sposobu przeniesienia
rozwiązania.
Wiedząc, że przepływ z rys. 9.1b charakteryzuje się
skalą liniową l2 i opływany jest z
prędkością U2 interesuje nas, czy możliwe jest
przeniesienie znanego rozwiązania na ten przypadek
i w jaki sposób należy dokonać przeskalowania
istniejącego rozwiązania. Zagadnienie to jest właśnie
przedmiotem analizy podobieństwa

BADANIA MODELOWE- są
to badania przy użyciu
modeli materialnych
geometrycznie podobnych
i odpowiednio
zmniejszonych względem
jednostki rzeczywistej

Na jakich założeniach opiera się metoda Froude’a ekstrapolacji
wyników badań modelowych?

 1. Opór statku i modelu można rozdzielić na dwa współczynniki:
opór tarcia i opór resztowy, przy czym bezwymiarowy
współczynnik oporu lepkości C

f

jest funkcją tylko liczby

Reynoldsa, a bezwymiarowy współczynnik oporu rusztowego C

R

jest funkcją tylko liczby Froude’a.
 C

T

(R

n

, F

n

) = C

f

(R

n

) + C

f

(F

n

)

 C

T

- współczynnik oporu całkowitego

C

f

- współczynnik oporu tarcia

C

R

- współczynnik oporu resztowego

 2. Opór tarcia statku lub modelu jest równy oporowi tarcia
płaskiej płyty o tej samej długości i powierzchni zwilżonej co
statek (model) i przy tej samej prędkości.
 C

f =

C

F0

 C

F0

- współczynnik oporu płaskiej płyty

3. Przy zachowaniu podczas prób modelowych oporu prawa
podobieństwa Froude’a wartość współczynnika oporu
resztowego jest taka sama dla modelu i statku przy ustalonej
liczbie Froude’a.
 C

Rs

(F

ns

) = C

Rm

(R

nm

)

 s – statek
m – model

Czym różni się metoda ekstrapolacji trójwymiarowej od
metody Froude’a?

 
Metoda ekstrapolacji trójwymiarowej różni się od metody
Froude’a tym, iż po przeprowadzeniu badań okazało się,
że w rzeczywistości opór płaskiej płyty używany w
metodzie Froude’a nie jest równy oporowi stawianemu
przez statek (model). Przyczyną takiego stanu rzeczy jest
istnienie na kadłubie podłużnej i poprzecznej krzywizny,
która powoduje dużo większą zmienność gradientu
ciśnienia na powierzchni kadłuba w porównaniu do
płaskiej płyty. Daje to w efekcie odmienność w rozkładzie
prędkości i grubości warstwy przyściennej, a w efekcie
wartości naprężeń stycznych. Równocześnie część oporu
całkowitego zwanego oporem ciśnienia, będąca funkcją
liczby R

n

w metodzie Froude’a jest zawarta w oporze

resztowym i przeliczana wg prawa podobieństwa
Froude’a.

Basen do badań modelowych PG jest basenem
małym typu grawitacyjnego. Ruch modelu uzyskuje
się za pomocą siły wywołanej przez spadający
ciężarek.. Zawieszając różne ciężarki i mierżąc
odpowiadające im wartości prędkości otrzymamy
zbiór punktów pozwalający wykreślić przebieg funkcji
Rm=f(v). Do holowania modelu służy dynamometr
grawitacyjny.

Urządzenia pomiarowe:

 
Do pomiaru korzystaliśmy z częstościomierza
elektronicznego. Do pomiaru amplitudy fali posłużyła
sonda elektroniczna typu oporowego lub
pojemnościowego. Elementem oporowym jest
warstwa wody zawarta między dwoma pionowymi nie
izolowanymi elektrodami. Miarą zmian wysokości dali
jest zmienność oporu elektrycznego warstwy wody
pomiędzy elektrodami. Odpowiednio przetworzony
sygnał jest kierowany do rejestratora. W
przeprowadzonych przez nas pomiarach
przetwornikami sondy są dwie pionowe elektrody
izolowane tefloriem, tworzące wraz z otaczającą wodą
kondensator o zmiennej pojemności.

Wnioski:

Nasz wydział powinien posiadać większy basen modelowy taki jak ten na
zdjęciu wtedy umożliwia to dokładniejsze badania, jaki i również
nowocześniejszy do przeprowadzania różnych prób modelowych np.
wodowania bocznego, wzdłużnego itp..

Nasz basen modelowy jest zaopatrzony w
przestarzałe urządzenia. Dzisiejsza technika
pozwala na stworzenie i użytkowanie lepszych
przyrządów do pomiaru fali. PG oszczędza na
rozwoju jedynego w Polsce wydziału
oceanotechniki wiec powinien się rozwijać a
jest ciągle daleko za rozwiniętymi krajami
europy.

DZIĘKUJĘ

ZA

UWAGĘ !!!