本發(fā)明涉及一種利用非凍結(jié)模型冰獲取碎冰中船模阻力的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，屬于實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著全球氣候的變暖，北極冰川逐漸融化，這給北極航道的開通和北極豐富資源的開發(fā)提供了可能，世界各國(guó)圍繞北極地區(qū)展開的博弈也愈演愈烈。而極地冰區(qū)船舶是低溫多冰、氣候極其惡劣的北極地區(qū)進(jìn)行資源勘探、開發(fā)、運(yùn)輸及科考的重要裝備和載體，必將發(fā)揮著核心作用。因此，世界各國(guó)紛紛加大了冰區(qū)船舶的設(shè)計(jì)、建造力度，以擴(kuò)大在北極地區(qū)的影響力。然而，其快速性的預(yù)報(bào)往往需要通過(guò)低溫冰水池實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，我國(guó)目前還缺少低溫冰工程實(shí)驗(yàn)室等相關(guān)設(shè)施，也就很難進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了可以在不需要低溫的環(huán)境下進(jìn)行碎冰中冰區(qū)船模的阻力性能的研究而提供一種利用非凍結(jié)模型冰獲取碎冰中船模阻力的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，具體來(lái)說(shuō)就是使用聚丙烯非凍結(jié)模型冰在常規(guī)拖曳水池中模擬碎冰環(huán)境，用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)確定船模阻力的大小。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：在拖曳水池兩個(gè)相對(duì)的內(nèi)壁處分別設(shè)置有浮筒圍欄模塊，在浮筒圍欄模塊之間設(shè)置有模型冰組合，在模型冰組合之間設(shè)置有試驗(yàn)船模，在兩個(gè)浮筒圍欄模塊的端部間設(shè)置有可旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)門，所述試驗(yàn)船模上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和四自由度適航儀，數(shù)據(jù)采集模塊包括與四自由度適航儀連接的測(cè)力傳感器和位移傳感器且數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)船模受力和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量，所述四自由度適航儀還與拖車模塊連接。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.浮筒圍欄模塊由pvc管材通過(guò)連接頭組合而成，浮筒圍欄模塊的長(zhǎng)寬比為10:1。

2.所述模型冰組合由邊長(zhǎng)比為5：10：15：20：25：30：35的非凍結(jié)模型冰組成，邊長(zhǎng)比為5：10：15：20：25：30：35的非凍結(jié)模型冰的數(shù)量比例滿足7：8：12：18：24：15：5，每個(gè)非凍結(jié)模型冰均是聚丙烯模型冰。

3.一種利用非凍結(jié)模型冰獲取碎冰中船模阻力的測(cè)量方法，

步驟1：將試驗(yàn)船模下水，放入壓載并調(diào)整浮態(tài)；

步驟2：將測(cè)力傳感器和位移傳感器一端連接到試驗(yàn)船模、另一端與計(jì)算機(jī)相連，并完成數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試；

步驟3：?jiǎn)?dòng)拖車模塊將試驗(yàn)船模加速至設(shè)定航速，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊記錄總阻力值隨時(shí)間的變化情況；

步驟4：將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理模塊，得到各個(gè)不同阻力成分的阻力系數(shù)，進(jìn)而預(yù)報(bào)試驗(yàn)船模和對(duì)應(yīng)實(shí)船的總阻力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1.具有普遍適用性：由于采用非凍結(jié)聚丙烯模型冰，不需要低溫環(huán)境，在目前國(guó)內(nèi)不具備冰工程實(shí)驗(yàn)室等基礎(chǔ)設(shè)施的條件下，現(xiàn)有常規(guī)拖曳水池都能采用該測(cè)量系統(tǒng)和方法測(cè)量冰區(qū)船模的阻力性能。2.經(jīng)濟(jì)性好：在冰工程實(shí)驗(yàn)室中完成船模阻力性能試驗(yàn)的花費(fèi)是非常高的，涉及到凍結(jié)模型冰的反復(fù)制取，期間運(yùn)營(yíng)成本十分巨大。該發(fā)明不需要低溫環(huán)境，且聚丙烯模型冰可以反復(fù)利用，很大程度上節(jié)約了試驗(yàn)成本。3.操作方便：充分利用了現(xiàn)有拖曳水池的條件，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單有效的圍欄結(jié)構(gòu)，形成了整套的測(cè)量系統(tǒng)，并采用了科學(xué)合理的測(cè)量方法，操作簡(jiǎn)單方便。4.可靠性高：通過(guò)與國(guó)外冰工程實(shí)驗(yàn)室中船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該測(cè)量系統(tǒng)和方法所得測(cè)量結(jié)果有較高的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的原理圖；

圖2是本發(fā)明船模-測(cè)力傳感器-適航儀裝配原理圖；

圖3是本發(fā)明的不同尺度的聚丙烯模型冰塊試樣圖；

圖4是本發(fā)明碎冰總阻力測(cè)量步驟流程圖；

圖5是本發(fā)明數(shù)據(jù)處理模塊工作流程圖。

圖中：1-拖曳水池，2-pvc管材浮筒圍欄模塊，3-拖曳水池內(nèi)壁，4-模型冰，5-試驗(yàn)船模，6-船舶航行方向，7-數(shù)據(jù)采集模塊，8-數(shù)據(jù)處理模塊，9-可旋轉(zhuǎn)活動(dòng)門，10-測(cè)力傳感器和位移傳感器，11-四自由度適航儀，12-尺寸為5的模型冰，13-尺寸為10的模型冰，14-尺寸為15的模型冰，15-尺寸為20的模型冰，16-尺寸為25的模型冰，17-尺寸為30的模型冰，18-尺寸35的模型冰。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1至圖5，本發(fā)明包括1-拖曳水池、4-模型冰、浮筒圍欄模塊、拖車模塊、7-數(shù)據(jù)采集模塊、8-數(shù)據(jù)處理模塊、5-試驗(yàn)船模；

模型冰模塊使用模型冰組合，具體采用的是一定厚度的聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最終形成聚丙烯模型冰塊4分別為：尺寸為5的模型冰12，尺寸為10的模型冰13，尺寸為15的模型冰14，尺寸為20的模型冰15，尺寸為25的模型冰16，尺寸為30的模型冰17，尺寸35的模型冰18，其數(shù)量分布規(guī)律滿足7：8：12：18：24：15：5，符合實(shí)際冰塊的尺寸分布規(guī)律，其中聚丙烯模型冰與凍結(jié)模型冰的密度、摩擦系數(shù)相似，能夠?qū)崿F(xiàn)碎冰航道的模擬。

浮筒圍欄模塊是由口徑110mm的pvc管材2通過(guò)連接頭組合而成的，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接頭連接管材形成寬度是船模寬度3-5倍的模擬碎冰航道，整個(gè)浮筒圍欄結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比為10:1，它與非凍結(jié)模型冰塊、拖曳水池內(nèi)壁3共同完成碎冰航道的模擬，且浮筒圍欄模塊設(shè)置在拖曳水池內(nèi)壁3處。

拖車運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)船模以恒定航速，按照給定的船舶航行方向6在碎冰航道中運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集模塊7通過(guò)四自由度適航儀11連接的測(cè)力傳感器和位移傳感器10完成對(duì)船模受力和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量。

數(shù)據(jù)處理模塊8完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的協(xié)同處理，將船模在碎冰中的總阻力分成開闊水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力三種成分，并采用不同的表達(dá)式來(lái)求解，最終得到碎冰中船?？傋枇Φ谋磉_(dá)式，實(shí)現(xiàn)其阻力性能的預(yù)報(bào)。

本發(fā)明采用聚丙烯模型冰4代替凍結(jié)模型冰，以適應(yīng)常溫的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

本發(fā)明的pvc管材2開口處用樹脂材料密封，并在連接成圍欄結(jié)構(gòu)時(shí)加入適當(dāng)?shù)呐渲?，保證圍欄整體高度的一半浸入水中。

加入一種很低航速的實(shí)驗(yàn)工況(0.02m/s)，得到浮冰阻力成分，進(jìn)而分離出了浮冰中船模阻力的各種阻力成分，本發(fā)明稱之為慢船法。

步驟1：模型冰采用的是聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最終形成聚丙烯模型冰塊的邊長(zhǎng)分別為5、10、15、20、25、30、35，其數(shù)量分布規(guī)律滿足7：8：12：18：24：15：5，符合實(shí)際冰塊的尺寸分布規(guī)律并測(cè)量聚丙烯模型冰塊密度ρi以及聚丙烯模型冰塊表面與船體表面之間的摩擦系數(shù)λ，聚丙烯模型冰與凍結(jié)模型冰的密度相似，能夠?qū)崿F(xiàn)碎冰航道的模擬。

步驟2：在拖曳水池1的一定范圍內(nèi)，將口徑為100mm的pvc管材，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接頭連接管材形成寬度是船模寬度3-5倍的模擬碎冰航道，整個(gè)浮筒圍欄結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比為10:1，通過(guò)與水池的池壁相連形成圍欄結(jié)構(gòu)。pvc管材開口處用樹脂材料密封，并在連接成圍欄結(jié)構(gòu)時(shí)加入適當(dāng)?shù)呐渲兀ＷC圍欄整體高度的一半浸入水中。另外，為了防止模型冰從圍欄開口處漂出，設(shè)計(jì)了可旋轉(zhuǎn)活動(dòng)門9。

步驟3：在設(shè)計(jì)的碎冰航道中均勻布置步驟1中制作成的非凍結(jié)模型冰-聚丙烯模型冰塊，完成碎冰測(cè)試環(huán)境的模擬。

步驟4：將船模下水，放入壓載并調(diào)整浮態(tài)，然后與四自由度適航儀相連，即完成船模與拖車運(yùn)動(dòng)模塊的相連。

步驟5：將測(cè)力傳感器和位移傳感器一端連接到船模，另一端與計(jì)算機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試。

步驟6：?jiǎn)?dòng)拖車運(yùn)動(dòng)模塊將船模加速至設(shè)定航速，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊記錄總阻力值隨時(shí)間的變化情況。

步驟7：將采集到的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理模塊，得到各個(gè)不同阻力成分的阻力系數(shù)，進(jìn)而預(yù)報(bào)船模和對(duì)應(yīng)實(shí)船的總阻力。

如圖1所示流程圖，本發(fā)明獲得碎冰中船模阻力的過(guò)程首先需要制作聚丙烯模型冰，并組裝長(zhǎng)寬比為10:1的浮筒圍欄結(jié)構(gòu)，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接頭連接管材形成寬度是船模寬度3-5倍的模擬碎冰航道，整個(gè)浮筒圍欄結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比為10:1，模擬實(shí)際碎冰航道環(huán)境，具體包括如下過(guò)程。

模型冰采用的是聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最終形成聚丙烯模型冰塊的邊長(zhǎng)分別為5、10、15、20、25、30、35，其數(shù)量分布規(guī)律滿足7：8：12：18：24：15：5，符合實(shí)際冰塊的尺寸分布規(guī)律并測(cè)量聚丙烯模型冰塊密度ρi以及聚丙烯模型冰塊表面與船體表面之間的摩擦系數(shù)λ，聚丙烯模型冰與凍結(jié)模型冰的密度相似，能夠?qū)崿F(xiàn)碎冰航道的模擬。

布置圍欄之前首先在船模水池試驗(yàn)測(cè)量船模在不同航速v下開闊水域的阻力row。

具體實(shí)驗(yàn)前使用口徑為110mm的pvc管材組成圍欄，本發(fā)明采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接頭連接管材形成寬度是船模寬度3-5倍的模擬碎冰航道，整個(gè)浮筒圍欄結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比為10:1。另外，考慮到pvc管材本身重量輕和浸水沉沒(méi)等問(wèn)題，需要將所有管材端部用樹脂材料進(jìn)行密封，再在組裝圍欄結(jié)構(gòu)時(shí)用適當(dāng)重量的條狀壓鐵與其捆綁，最終是整個(gè)圍欄結(jié)構(gòu)處于半入水狀態(tài)。然后，在圍欄范圍內(nèi)均勻布置前面制作成的聚丙烯模型冰塊，完成碎冰測(cè)試環(huán)境的模擬。

將船模下水，放入壓載并調(diào)整浮態(tài)，然后與四自由度適航儀相連，即完成船模與拖車運(yùn)動(dòng)模塊的相連。將測(cè)力傳感器和位移傳感器一端連接到船模，另一端與計(jì)算機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試。

此時(shí)，已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，啟動(dòng)拖車將船模加速至設(shè)定航速，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄總阻力值隨時(shí)間的變化情況，然后讀出穩(wěn)定段總阻力的平均值rt。

船模在碎冰中的總阻力分為開闊水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力三種成分，即：

rt＝row+rb+rc(1)

其中：rt為總阻力，row為開闊水域阻力，rb為浮冰阻力，rc為清冰阻力，開闊水域阻力和清冰阻力跟航速有關(guān)，浮冰阻力跟航速無(wú)關(guān)。

row＝cowv²(2)

rb＝cbδρghibt(3)

rc＝ccfh^-αρibhiv²(4)

其中，cow為開闊水域阻力系數(shù)，cb為浮冰阻力系數(shù)，fh為冰厚范圍內(nèi)的傅汝德數(shù)α為傅汝德數(shù)指數(shù)，ρi為冰密度，ρw為水密度，δρ為水密度與冰密度的差，g為重力加速度，hi為模型冰厚度，b為船寬，t為船吃水，v為航速。

該發(fā)明采用慢船法分離出了浮冰阻力成分，即在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在浮冰工況下，測(cè)量極低航速(0.02m/s)時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力rt(v→0)大小，該阻力可以認(rèn)為與浮冰阻力rb的大小相等。

于是根據(jù)公式(1)，有：

rc＝rt-(row+rb)(5)

從而確定了各個(gè)阻力成分，分別計(jì)算得出各個(gè)阻力系數(shù)。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)船碎冰中總阻力的預(yù)報(bào)。具體方法如下：

(1)cow的確定

根據(jù)公式(2)作不同航速下row-v²曲線圖，其斜率即為cow的大小。

(2)cb的確定

根據(jù)公式(3)變形得到：

從而求出cb的大小。

(3)cc的確定

根據(jù)公式(4)變形得到：

可以看出，lnrc/(ρibhiv²)與lnfh呈線性關(guān)系，作不同航速下lnrc/(ρibhiv²)-lnfh曲線圖，然后，通過(guò)曲線圖的斜率和截距求出經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α和cc的大小。

(4)實(shí)船總阻力預(yù)報(bào)

于是，得到冰區(qū)船舶總阻力的估算公式：

本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊如圖5所示，均已按照本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)方法完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)及參數(shù)的測(cè)量。

第一步、第二步、第三步相關(guān)參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得，cow為開闊水域阻力系數(shù)，cb為浮冰阻力系數(shù)，fh為冰厚范圍內(nèi)的傅汝德數(shù)α為傅汝德數(shù)指數(shù)，ρi為冰密度，ρw為水密度，δρ為水密度與冰密度的差，g為重力加速度，hi為模型冰厚度，b為船寬，t為船吃水，v為航速。

第一步：cow的確定

由各個(gè)航速v下測(cè)得的開闊水域阻力row

作row-v²曲線圖，其斜率即為cow的大小。

第二步：cb的確定

根據(jù)公式：

得到多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)(多次測(cè)得rb)下的結(jié)果，并求其均值cb，從而求出cb的大小。

第三步：cc的確定

根據(jù)公式：

可以看出，lnrc/(ρibhiv²)與lnfh呈線性關(guān)系，作不同航速v下lnrc/(ρibhiv²)-lnfh曲線圖，然后，通過(guò)曲線圖的斜率和截距求出經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α和cc的大小。

第四步：實(shí)船總阻力預(yù)報(bào)，fh為實(shí)船下冰厚范圍內(nèi)的傅汝德數(shù)α為實(shí)船下傅汝德數(shù)指數(shù)，ρi為實(shí)船下冰密度，ρw為實(shí)船下水密度，δρ為實(shí)船下水密度與冰密度的差，g為實(shí)船下重力加速度，hi為實(shí)船下模型冰厚度，b為實(shí)船下船寬，t為實(shí)船下船吃水，v為實(shí)船下航速。

冰區(qū)船舶總阻力的估算公式：

得到rt。

綜上，本發(fā)明公開了一種利用非凍結(jié)模型冰獲取碎冰中船模阻力的試驗(yàn)方法，首先通過(guò)選擇一種常規(guī)拖曳水池的非凍結(jié)模型冰來(lái)代替冰水池中的凍結(jié)模型冰，從而使不具備低溫環(huán)境的拖曳水池具備了模擬碎冰工況的條件，然后在拖曳水池表面設(shè)計(jì)了獨(dú)特的浮筒圍欄結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碎冰航道的模擬，并使用測(cè)力傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同航速下船模阻力的測(cè)量。另外，本發(fā)明采用先測(cè)量開闊水域的阻力，再在浮冰工況下測(cè)量很低航速(0.02m/s)下的阻力等手段，分離出了開闊水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力等成分，并預(yù)報(bào)相應(yīng)船模和實(shí)船在碎冰工況下的阻力性能。本發(fā)明在目前國(guó)內(nèi)冰水池設(shè)施不完善的情況下，為碎冰中船模阻力的測(cè)量提供了新的思路。