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 !!!