邱逢琛臺灣大學：工程科學及海洋工程學研究所林守毅Lin, Shou-YiShou-YiLin2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51021本研究以台大工程科學與海洋工程研究所既有之垂向平面運動機構（VPMM）試驗量測分析系統為基礎，針對附有帆罩、前後控制翼的仿209型潛艦，在無螺槳作動下的全附件潛艦模型與無右艏翼或無帆罩或無上舵之潛艦模型進行流體動力係數試驗量測分析與比較，除了探討全附件潛艦模型的流體動力係數及垂向安定性之外，並據以分析顯示艏翼、帆罩及舵的流體動力效應。本研究的成果不僅可供流體動力係數理論計算之比較也可供潛艦操縱運動數學模式發展之參考。In the present study, hydrodynamic coefficients of a submarine model are studied by conducting a series of captive model tests using Vertical Planar Motion Mechanism (VPMM) testing system that existing in the Department of Engineering Science and Ocean Engineering, National Taiwan University. These model conditions, such as fully appended model, model without starboard bow plane, model without sail, model without sail and upper rudder are tested. Through comparison of the results of different model conditions, the effects on the hydrodynamic coefficients of these appendages, such as bow plane, sail, rudder are identified. The results of the present experimental study may be used not only to validate computer code for the calculation of submarine hydrodynamics, but also to the development of mathematical model of submarine maneuvering motions.目錄 誌謝..........................................................................................................Ⅰ 摘要..........................................................................................................Ⅱ ABSTRACT..............................................................................................Ⅲ 目錄..........................................................................................................Ⅳ 附表索引..................................................................................................Ⅵ 附圖索引..............................................................................................ⅩⅠ 符號索引..............................................................................................ⅩⅥ 第一章 緒論..........................................................................................1 1-1 研究背景及目的.......................................................................1 1-2 研究方法及步驟.......................................................................3 第二章 試驗量測分析系統與試驗步驟..............................................6 2-1 PMM系統基本架構與功能.......................................................6 2-2 PMM系統主要之構件...............................................................6 2-3 強制運動種類及機構使用範圍.................................................7 2-4 六向動力計量測範圍.................................................................8 2-5 垂直面強制運動之解析...........................................................10 2-6 試驗資料擷取與分析系統架構...............................................14 第三章 拘束試驗模型之規劃設計與螺槳驅動系統設計製作............15 3-1 潛艦模型機架與FRP外殼製作.................................................15 3-2 螺槳驅動系統設計與製作.........................................................16 3-3 1/15潛艦模型之螺槳模型驅動馬力與轉速估算.....................17 3-3-1 模型總阻力估計.........................................................................17 3-3-2 模型跡流係數與推減係數.........................................................17 3-3-3 推力負荷係數.............................................................................17 3-3-4 尋找設計點的KTm與Jm.............................................................18 3-3-5 螺槳模型驅動馬力與轉速估算表.............................................18 3-3-6 驅動馬達規格設定.....................................................................18 3-3-7 驅動馬達及減速齒輪比選定.....................................................18 3-3-8 驅動裝置製作.............................................................................19 第四章 拘束模型流體動力係數量測分析............................................20 4-1 斜航試驗.....................................................................................21 4-1-1 垂向運動斜航試驗.....................................................................21 4-1-2 側向運動斜航試驗.....................................................................23 4-2 PMM試驗...................................................................................25 4-2-1 PMM空中動搖試驗....................................................................25 4-2-2 PMM空中含水動搖試驗............................................................26 4-2-3 PMM純起伏試驗........................................................................26 4-2-4 PMM純縱搖試驗........................................................................28 4-2-5 PMM合成縱搖試驗....................................................................29 4-3 潛艦模型流體動力係數量測分析結果.......................................31 第五章 潛艦模型安定性能分析..........................................................33 5-1 縱向安定性判別式與潛艦模型之狀態設定...................................33 5-2 潛艦模型之安定性能分析...............................................................35 第六章 結論與建議..............................................................................37 參考文獻..................................................................................................39 附表索引 表3-1 螺槳主要尺寸..............................................................................41 表3-2 船模速度與阻力關係..................................................................42 表3-3 船模速度與推力負荷係數之關係..............................................42 表3-4 螺槳性能表..................................................................................42 表3-5 螺槳驅動馬力與轉速估算..........................................................43 表3-6 驅動馬達規格設定......................................................................43 表4-1（A）垂向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=3.0 m/sec）....................................................................44 表4-1（B）垂向運動無右艏翼，潛艦斜航試驗 （U=3.0 m/sec）....................................................................45 表4-2（A）垂向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=3.5 m/sec）....................................................................46 表4-2（B）垂向運動無右艏翼，潛艦斜航試驗 （U=3.5 m/sec）....................................................................47 表4-3（A）垂向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=4.0 m/sec）....................................................................48 表4-3（B）垂向運動無右艏翼，潛艦斜航試驗 （U=4.0 m/sec）....................................................................49 表4-4（A）側向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=3.0 m/sec）....................................................................50 表4-4（B）側向運動無帆罩，潛艦斜航試驗 （U=3.0 m/sec）....................................................................51 表4-4（C）側向運動無帆罩及上舵，潛艦斜航試 （U=3.0 m/sec）....................................................................52 表4-5（A）側向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=3.5 m/sec）....................................................................53 表4-5（B）側向運動無帆罩，潛艦斜航試驗 （U=3.5 m/sec）....................................................................54 表4-5（C）側向運動無帆罩及上舵，潛艦斜航試 （U=3.5 m/sec）....................................................................55 表4-6（A）側向運動全模型，潛艦斜航試驗 （U=4.0 m/sec）....................................................................56 表4-6（B）側向運動無帆罩，潛艦斜航試驗 （U=4.0 m/sec）....................................................................57 表4-6（C）側向運動無帆罩及上舵，潛艦斜航試 （U=4.0 m/sec）....................................................................58表4-7（A） 垂向運動全模型，潛艦斜航試驗流體動力係數...............59表4-7（B）垂向運動無右艏翼，潛艦斜航試驗流體動力係數..........59 表4-8（A）全模型，潛艦斜航試驗流體動力係數 無因次值..........................................................................59 表4-8（B）垂向運動無右艏翼，潛艦斜航試驗流體動力係數 無因次值..........................................................................59 表4-9（A）垂向運動右艏翼流體動力係數效應 (以攻角0度為準)............................................................60 表4-9（B）垂向運動右艏翼流體動力係數效應 (以攻角5度為準)............................................................61 表4-9（C）垂向運動右艏翼流體動力係數效應 (以攻角10度為準)..........................................................62 表4-9（D）垂向運動右艏翼流體動力係數效應 (以攻角-5度為準)............................................................63 表4-9（E）垂向運動右艏翼流體動力係數效應 (以攻角-10度為準)..........................................................64 表4-10（A）側向運動全模型，潛艦斜航試驗 流體動力係數................................................................. 65 表4-10（B）側向運動無帆罩，潛艦斜航試驗 流體動力係數..................................................................65 表4-10（C）側向運動無帆罩及上舵，潛艦斜航試驗 流體動力係數..................................................................65 表4-11（A）側向運動全模型，潛艦斜航試驗流體動力係數 無因次值..........................................................................66 表4-11（B）側向運動無帆罩，潛艦斜航試驗流體動力係數 無因次值..........................................................................66 表4-11（C）側向運動無帆罩及上舵，潛艦斜航試驗流體動力係數 無因次值..........................................................................66 表4-12（A）側向運動帆罩流體動力係數效應 (以攻角0度為準)............................................................67 表4-12（B）側向運動帆罩流體動力係數效應 (以攻角5度為準)............................................................68 表4-12（C）側向運動帆罩流體動力係數效應 (以攻角10度為準)..........................................................69 表4-12（D）側向運動帆罩流體動力係數效應 (以攻角-5度為準)............................................................70 表4-12（E）側向運動帆罩流體動力係數效應 (以攻角-10度為準)..........................................................71 表4-13（A）側向運動上舵流體動力係數效應 (以攻角0度為準)............................................................72 表4-13（B）側向運動上舵流體動力係數效應 (以攻角5度為準)............................................................73 表4-13（C）側向運動上舵流體動力係數效應 (以攻角10度為準)..........................................................74 表4-13（D）側向運動上舵流體動力係數效應 (以攻角-5度為準)............................................................75 表4-13（E）側向運動上舵流體動力係數效應 (以攻角-10度為準)..........................................................76 表4-14 潛艦模型空中起伏試驗............................................................77 表4-15 潛艦模型空中縱搖試驗............................................................78 表4-16 潛艦模型空中含水起伏試驗....................................................79 表4-17 潛艦模型空中含水縱搖試驗....................................................79 表4-18（A）潛艦模型全模型，水中純起伏試驗 （振幅4cm）.........................................................................80 表4-18（B）潛艦模型全模型，水中純起伏試驗 （振幅6cm）.........................................................................81 表4-19（A）潛艦模型無右艏翼，水中純起伏試驗 （振幅4cm）.........................................................................82 表4-19（B）潛艦模型無右艏翼，水中純起伏試驗 （振幅6cm）.........................................................................83 表4-20（A）潛艦模型全模型，水中純縱搖試驗 （振幅4deg）........................................................................84 表4-20（B）潛艦模型全模型，水中純縱搖試驗 （振幅6deg）........................................................................85 表4-21（A）潛艦模型無右艏翼，水中純縱搖試驗 （振幅4cm）.........................................................................86 表4-21（B）潛艦模型無右艏翼，水中純縱搖試驗 （振幅6cm）.........................................................................87 表4-22（A）潛艦模型全模型，水中合成縱搖試驗 （振幅4deg）........................................................................88 表4-22（B）潛艦模型全模型，水中合成縱搖試驗 （振幅6deg）........................................................................89 表4-23（A）潛艦模型無右艏翼，水中合成縱搖試驗 （振幅4deg）........................................................................90 表4-23（B）潛艦模型無右艏翼，水中合成縱搖試驗 （振幅6deg）........................................................................91 附圖索引 圖2-1 VPMM與仿209行潛艦模型之連結............................................92 圖2-2 控制裝置......................................................................................92 圖2-3 六向動力計之施力與力矩之正向定義......................................93 圖2-4 潛艦固定座標系..........................................................................93 圖2-5資料擷取與分析之流程圖............................................................94 圖3-1拘束模型試驗配置........................................................................95 圖3-2拘束模型組件總圖........................................................................95 圖3-3拘束模型FRP外殼組裝................................................................96 圖3-4交流馬達及其水密容器................................................................96 圖3-5拘束模型組裝完成圖....................................................................96 圖3-6拘束模型前視圖............................................................................97 圖3-7拘束模型後視圖............................................................................97 圖3-8浮力材填充拘束模型圖................................................................97 圖3-9螺槳幾何........................................................................................97 圖3-10 螺槳單獨性能............................................................................98 圖4-1(A) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗z向力隨攻角 之變化....................................................................................99 圖4-1(B) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗z向力隨攻角 之變化..................................................................................100 圖4-1(C) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................101 圖4-1(D) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗z向力無因次隨攻角 之變化..................................................................................102 圖4-2(A) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................103 圖4-2(B) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................104 圖4-2(C) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................105 圖4-2(D) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗縱搖力矩無因次值隨攻角之變化..................................................................................106 圖4-3(A) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................107 圖4-3(B) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................108 圖4-3(C) 垂向運動全模型潛艦斜航試驗橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................109 圖4-3(D) 垂向運動無右艏翼潛艦斜航試驗橫搖力矩無因次值隨攻角之變化..................................................................................110 圖4-4(A) 垂向運動右艏翼z向力隨攻角 之變化..................................................................................111 圖4-4(B) 垂向運動右艏翼z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................112 圖4-4(C) 垂向運動右艏翼縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................113 圖4-4(D) 垂向運動右艏翼縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................114 圖4-4(E) 垂向運動右艏翼橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................115 圖4-4(F) 垂向運動右艏翼橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................116 圖4-5(A) 側向運動全模型潛艦斜航試驗z向力隨攻角 之變化..................................................................................117 圖4-5(B) 側向運動無帆罩潛艦斜航試驗z向力隨攻角 之變化..................................................................................118 圖4-5(C) 側向運動無帆罩及上舵潛艦斜航試驗z向力隨攻角 之變化..................................................................................119 圖4-5(D) 側向運動全模型潛艦斜航試驗z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................120 圖4-5(E) 側向運動無帆罩潛艦斜航試驗z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................121 圖4-5(F) 側向運動無帆罩及上舵潛艦斜航試驗z向力無因次值隨攻 角之變化..............................................................................122 圖4-6(A) 側向運動全模型狀潛艦斜航試驗縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................123 圖4-6(B) 側向運動無帆罩潛艦斜航試驗縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................124 圖4-6(C) 側向運動無帆罩及上舵潛艦斜航試驗縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................125 圖4-6(D) 側向運動全模型潛艦斜航試驗縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................126 圖4-6(E) 側向運動無帆罩潛艦斜航試驗縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................127 圖4-6(F) 側向運動無帆罩及上舵潛艦斜航試驗無因次值隨攻角 之變化..................................................................................128 圖4-7(A) 側向運動全模型斜航試驗橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................129 圖4-7(B) 側向運動無帆罩斜航試驗橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................130 圖4-7(C) 側向運動無帆罩及上舵斜航試驗橫搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................131 圖4-7(D) 側向運動全模型斜航試驗橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................132 圖4-7(E) 側向運動無帆罩斜航試驗橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................133 圖4-7(F) 側向運動無帆罩及上舵斜航試驗橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................134 圖4-8(A) 側向運動帆罩z向力值隨攻角 之變化..................................................................................135 圖4-8(B) 側向運動上舵z向力值隨攻角 之變化..................................................................................136 圖4-8(C) 側向運動帆罩z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................137 圖4-8(D) 側向運動上舵z向力無因次值隨攻角 之變化..................................................................................138 圖4-9(A) 側向運動帆罩縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................139 圖4-9(B) 側向運動上舵縱搖力矩隨攻角 之變化..................................................................................140 圖4-9(C) 側向運動帆罩縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化..................................................................................141 圖4-9(D) 側向運動上舵縱搖力矩無因次值隨攻角 之變化................................................................................142 圖4-10(A) 側向運動帆罩橫搖力矩隨攻角 之變化................................................................................143 圖4-10(B) 側向運動上舵橫搖力矩隨攻角 之變化................................................................................144 圖4-10(C) 側向運動帆罩橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化................................................................................145 圖4-10(D) 側向運動上舵橫搖力矩無因次值隨攻角 之變化................................................................................146 圖4-11 右艏翼之模型尺寸（單位：mm）..............................................147 圖4-12 帆罩之模型尺寸（單位：mm）..................................................148 圖4-13 上舵之模型尺寸（單位：mm）..................................................1491835215 bytesapplication/pdfen-US垂向平面運動機構流體動力係數潛艦PMMhydrodynamic coefficientssubmarinethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/51021/1/ntu-94-R92525019-1.pdf