小時(shí)候，我們都喜歡折紙船，并讓它們漂浮在水池或水坑上。紙船的制作方法或設(shè)計(jì)決定了它能夠在風(fēng)吹雨打的水面上漂浮多久。同樣，通過將船舶模型拖入一個(gè)巨大的水池中，海軍設(shè)計(jì)師可以識(shí)別和了解影響船舶適航性、操控和破冰能力的不同因素。

傳統(tǒng)的拖曳水池是幾百米長的大型水池，或者是游泳池形狀的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。這些拖曳水池為船舶設(shè)計(jì)科學(xué)的發(fā)展立下了汗馬功勞，使人們對(duì)不同海水條件下的船舶水動(dòng)力有了深入的了解。測試船舶設(shè)計(jì)的基本做法是使用拖曳裝置將船模拖入水池，并在此過程中測量船模上的力。早在 1870 年，威廉·弗勞德 (William Froude) 就認(rèn)為需要使用一個(gè)拖曳水池來研究和預(yù)測船舶的阻力；這為先進(jìn)拖曳水池打開了大門，如今，航運(yùn)業(yè)的船舶設(shè)計(jì)師們都在廣泛使用這種水池。

為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，拖曳水池必須建在一個(gè)溫度受到控制的建筑物內(nèi)，因?yàn)檩p微的溫度變化就會(huì)破壞測量結(jié)果。用于拖曳船模的拖車是一個(gè)大型的可移動(dòng)平臺(tái)，橫跨整個(gè)水池，上面配備傳感器，設(shè)有作業(yè)空間，可以使密切關(guān)注船舶設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)家在其上工作。待拖曳的船模通常放置在拖車中央。用于研究船舶水動(dòng)力學(xué)的拖曳水池相當(dāng)于用于車輛空氣動(dòng)力學(xué)測試的風(fēng)洞。

有三種試驗(yàn)可以預(yù)測船舶的動(dòng)力，分別是：

1.平靜水域阻力試驗(yàn)

這項(xiàng)試驗(yàn)有助于確定船舶設(shè)計(jì)速度所需的阻力。在測試中，船舶以不同的速度（至少 5 種不同的速度）被拖入試驗(yàn)池，并分別測量對(duì)船舶施加的力。通常需要對(duì)全尺寸船模的測量結(jié)果進(jìn)行放大。該測試是船舶建造合同的核心，如果承包商沒有達(dá)到規(guī)定的速度要求，他們將承擔(dān)后果。

2.公開水域螺旋槳分析

這項(xiàng)測試旨在測試螺旋槳的性能。在測試中，螺旋槳在 20RPS 下進(jìn)行試驗(yàn)，測功機(jī)以不同速度運(yùn)行。進(jìn)行螺旋槳試驗(yàn)時(shí)，拖曳水池并非必不可少。也可以在較小的水池中進(jìn)行。

對(duì)于被拖入試驗(yàn)池的螺旋槳，測功機(jī)被設(shè)置為在不同的速度下，準(zhǔn)確地測量出扭矩和轉(zhuǎn)速。在不同的螺旋槳速度下，可以將測功機(jī)的相應(yīng)速度繪制成圖表，以研究螺旋槳的性能。

3.自推進(jìn)試驗(yàn)

與開放水域的螺旋槳分析不同，在該試驗(yàn)中，螺旋槳的效率取決于船舶的速度。當(dāng)螺旋槳被置于船后方時(shí)，其行為會(huì)有輕微的變化（與開放水域螺旋槳試驗(yàn)得到的結(jié)果相比）。

在試驗(yàn)過程中，一臺(tái)測功機(jī)和一臺(tái)馬達(dá)被安裝在船模內(nèi)，并以固定的速度被拖入試驗(yàn)池。在某個(gè)點(diǎn)之后，拖車就沒有阻力了，這個(gè)無阻力中性點(diǎn)有助于計(jì)算螺旋槳的效率。

高級(jí)拖曳水池

盡管拖曳水池最初是為單一的測試目的而設(shè)計(jì)的，即船舶阻力試驗(yàn)，但隨著時(shí)間的推移，船舶設(shè)計(jì)不斷進(jìn)步，人們意識(shí)到需要使用高級(jí)拖曳水池。目前，拖曳水池可以進(jìn)行一系列細(xì)致的試驗(yàn)，提供接近真實(shí)海洋場景的測量，還可以在拖車上安裝昂貴的高級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。有三種高級(jí)拖曳水池試驗(yàn)：

1.適航性試驗(yàn)

其中一項(xiàng)高級(jí)功能是讓拖曳水池中產(chǎn)生波浪（使用波浪發(fā)生器）。而且不是普通的波浪，而是不同波浪類型的組合，以模擬真實(shí)的海況，從而測量船舶對(duì)這些波浪的反應(yīng)。

這些測量結(jié)果有助于分析所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、確保乘客舒適度的船舶設(shè)計(jì)（以防止暈船）以及其他有效保證適航性的措施。該試驗(yàn)有一個(gè)限制：拖曳水池只適用于船首波。

2.操控系數(shù)試驗(yàn)

該試驗(yàn)用于確定不同船體類型的精確操控系數(shù)，從而解答哪種船舵設(shè)計(jì)與船體模型完全匹配，以達(dá)到最佳的操控效果。拖車上的平面運(yùn)動(dòng)裝置 (PMM) 將船體左右搖晃，使其移入水池，同時(shí)記錄在此過程中所施加的所有力。這種左右側(cè)向運(yùn)動(dòng)有助于得出準(zhǔn)確的操縱系數(shù)。

3.破冰試驗(yàn)

在該試驗(yàn)中，會(huì)制作一塊特定厚度的冰塊，用專門的拖車將其拖入水池。破冰試驗(yàn)的成本相當(dāng)昂貴，因?yàn)樵诒鶋K被破壞后需要制作新的冰塊。這項(xiàng)試驗(yàn)有助于記錄破冰所需的功率以及船舶切開冰塊時(shí)的速度。

虛擬拖曳水池

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由于不斷變化的海洋、運(yùn)輸、裝載和競賽條件都會(huì)影響船舶設(shè)計(jì)性能，可能需要數(shù)百甚至數(shù)千次仿真才能確定最終設(shè)計(jì)，并得到可以信賴的準(zhǔn)確結(jié)果。因此，自動(dòng)化技術(shù)非常關(guān)鍵，能夠最大限度地減少周轉(zhuǎn)時(shí)間而又不影響結(jié)果準(zhǔn)確性。

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