王 飛 吳小峰 孟 帥

(上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室1) 上海 200030) (中國(guó)船舶科學(xué)研究中心2) 無(wú)錫 214082)

船舶三向伴流測(cè)量方法與試驗(yàn)研究*

王 飛1)吳小峰2)孟 帥1)

(上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室1)上海 200030) (中國(guó)船舶科學(xué)研究中心2)無(wú)錫 214082)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)一雙槳船進(jìn)行了伴流測(cè)量，以此為基礎(chǔ)對(duì)伴流試驗(yàn)相關(guān)問(wèn)題現(xiàn)象展開(kāi)分析探討.試驗(yàn)中采用6管5孔畢托耙，給出了具體的Kv-Kh方法測(cè)量原理與方案，提出耙的優(yōu)化結(jié)構(gòu)組成方案以提高可靠性和精度；試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)弗勞德相似的原則確定船模拖曳速度，全面測(cè)量槳盤(pán)平面上的軸向、徑向、切向流速.通過(guò)測(cè)量得到了該船全面的三向伴流分布情況，對(duì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，軸支架的存在對(duì)伴流場(chǎng)有些較明顯的影響，且影響不太規(guī)律；Kv-Kh方法偏差在槳軸附件時(shí)較大，給出了原因及改善的建議.試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了水池中微幅長(zhǎng)周期縱向振蕩波的存在，衰減很慢，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響.

畢托管；三向伴流測(cè)量；Kv-Kh方法；試驗(yàn)研究

0 引 言

船舶螺旋槳伴流對(duì)于提高船舶的快速、振動(dòng)等性能有著直接的影響，隨著近年船舶向著高速化、靜音化方向發(fā)展，全面詳細(xì)地研究船尾伴流分布情況對(duì)于船舶設(shè)計(jì)具有重要的意義.船舶伴流試驗(yàn)已是新船型設(shè)計(jì)過(guò)程中一項(xiàng)基本的試驗(yàn)[1-3]，用以設(shè)計(jì)螺旋槳，研究船舶振動(dòng)噪聲.

本文針對(duì)某一雙槳雙舵型船展開(kāi)了伴流試驗(yàn)測(cè)量研究，同時(shí)借此試驗(yàn)總結(jié)，探討伴流試驗(yàn)中一些如，測(cè)量方法(Kv-Kh)偏差、畢托管探頭大小選擇、試驗(yàn)注意事項(xiàng)等和伴流試驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)技術(shù).試驗(yàn)中采用六管五孔畢托耙作為試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備，給出了具體的Kv-Kh試驗(yàn)測(cè)量方法[4-6]，提出了改進(jìn)的畢托耙設(shè)計(jì)組合方案，以提高效率減小出錯(cuò)幾率；最后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了整個(gè)槳盤(pán)上軸向、徑向及切向的伴流分布情況，并展開(kāi)分析與總結(jié).通過(guò)該項(xiàng)伴流試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了一些和船舶伴流相關(guān)的現(xiàn)象，同時(shí)探討了Kv-Kh測(cè)量方法的方法偏差，給出了一些規(guī)律性結(jié)論.

1 試驗(yàn)測(cè)量原理

圖1 5孔球形畢托管探頭及畢托耙示意圖

1.1 畢托管測(cè)量原理與方法

本文采用ITTC伴流試驗(yàn)規(guī)程中建議的Kv-Kh方法，利用5孔球形探頭畢托管進(jìn)行伴流測(cè)量[4],見(jiàn)圖1.為描述其流體特性，引入右手坐標(biāo)系統(tǒng)o-xyz，x軸和中間壓力孔對(duì)應(yīng)；c,p,s,b,t分別對(duì)應(yīng)中、左、右、下、上5個(gè)壓力孔，其在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力記作P；V為來(lái)流速度;Vh為其水平的投影分量.

對(duì)于5孔畢托管，根據(jù)理想流體力學(xué)相關(guān)原理，各孔壓力之間有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：αh,αv為各孔偏離中心線(xiàn)的角度，是定值；βh,βv為來(lái)流的角度；Vh，Vv來(lái)流在水平面xoy和垂直面xoz上的投影速度.這6個(gè)系數(shù)僅同來(lái)流的角度和速度相關(guān)，且水平向和垂向系數(shù)互不干擾，這6個(gè)系數(shù)即畢托管的標(biāo)定系數(shù)曲線(xiàn)，利用其根據(jù)5個(gè)孔的壓力即可解算出三向伴流速度的大小.

由于流體粘性影響、探頭加工誤差，以上關(guān)系并不嚴(yán)格成立.對(duì)于每一根畢托管，需要進(jìn)行標(biāo)定性測(cè)量，以得到準(zhǔn)確的各個(gè)系數(shù)與角度之間的標(biāo)定系數(shù)曲線(xiàn)，最終用這些標(biāo)定曲線(xiàn)進(jìn)行伴流試驗(yàn)測(cè)量.由式(1)、式(2)確定水平及垂直來(lái)流角度，而后由式(3)、式(4)確定水平向速度分量Vh，式(5)、式(6)確定垂向速度Vv，最終該畢托管在o-xyz坐標(biāo)系下的三向流速為：

(7)

式中：軸向速度可以通過(guò)水平分量或垂直分量分別得到，其大小實(shí)際中并不完全一樣，到底哪個(gè)精度較高還有待分析，這一問(wèn)題屬于Kv-Kh的方法偏差.

對(duì)于螺旋槳的三向伴流系數(shù)，通常在柱坐標(biāo)系下進(jìn)行表示，軸向、徑向及切向伴流系數(shù)定義為

肌肉的絞痛，韌帶、關(guān)節(jié)囊的鈍痛，神經(jīng)根的放射痛，神經(jīng)的閃電樣銳痛，交感神經(jīng)的灼痛，骨的深部痛，骨折的劇痛，脈管系統(tǒng)的彌散性痛……不管發(fā)生在什么地方，骨骼肌肉系統(tǒng)疾病與疼痛關(guān)系友好。

(8)

式中：V0為船模拖曳速度;Vx,Vr,Vt為槳盤(pán)柱坐標(biāo)系下的三向伴流速度;Vr和式(7)中的Vz對(duì)應(yīng)，Vt和Vy對(duì)應(yīng)，正負(fù)號(hào)需要根據(jù)具體柱坐標(biāo)定義調(diào)整.

1.2 畢托耙的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

如圖1所示，每一副畢托耙根據(jù)需要可安裝多個(gè)畢托管，其中每根管的位置上下可以隨意調(diào)整，次序可隨意變更，數(shù)目也可增減，以對(duì)應(yīng)不同的螺旋槳半徑位置.為了減小各個(gè)管之間因距離太近產(chǎn)生的干擾，本文沒(méi)有將這些畢托管全部布置在一側(cè)，而是將其盡量拉開(kāi)，均勻分布到軸線(xiàn)的兩側(cè)；同時(shí)為提高可靠性減小出錯(cuò)的機(jī)會(huì)，每根管不論其處在轉(zhuǎn)軸上側(cè)還是下側(cè)，壓力孔p全部位于耙的左側(cè)，孔s,b,t分別位于右側(cè)、底側(cè)和上側(cè)，且每個(gè)孔的方位以后不論情況如何，均不做任何調(diào)整；由此產(chǎn)生的正負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)式(8)由測(cè)量程序內(nèi)部處理.耙上的轉(zhuǎn)軸也可以上下調(diào)整，其位置對(duì)應(yīng)于船舶螺旋槳的轉(zhuǎn)軸，整個(gè)耙可以在槳盤(pán)平面內(nèi)360°根據(jù)需要轉(zhuǎn)動(dòng).為提高效率降低試驗(yàn)人員工作量，本文采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制畢托耙的角度，通過(guò)串口和伴流采集控制程序相連.

2 試驗(yàn)測(cè)量方案

該船舶模型為雙槳雙舵船，軸支架結(jié)構(gòu)形式，其上段和船底板相連，下段由槳軸線(xiàn)開(kāi)始垂直向下伸出；因左右對(duì)稱(chēng)關(guān)系，本文僅測(cè)量右槳的伴流情況，其中畢托耙的轉(zhuǎn)軸和螺旋槳的轉(zhuǎn)軸完全對(duì)應(yīng).

試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，船舶模型拖曳速度V，其大小根據(jù)弗勞德相似原理確定；調(diào)整畢托管探頭前后位置，使其位于螺旋槳盤(pán)面平面上；畢托耙由角度驅(qū)動(dòng)器控制，可以繞軸在(0°～360°)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng).每一根畢托管上的壓力孔在其后通過(guò)一個(gè)軟管和上面的壓力腔(傳感器)相連，見(jiàn)圖2，總共6個(gè)(5個(gè)軟管和傳感器)，壓力傳感器的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡讀入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集.測(cè)試前利用負(fù)壓方式，將連接軟管和壓力腔中完全注滿(mǎn)水，以確保探頭上壓力孔的壓力能夠順利傳遞至壓力腔，并關(guān)閉上端閥門(mén)打開(kāi)下端閥門(mén)；隨后即可以一定的速度拖動(dòng)船模，測(cè)量流體動(dòng)壓力，通過(guò)標(biāo)定系數(shù)曲線(xiàn)插值計(jì)算得到船尾的三向伴流速度大小.

圖2 伴流試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備和采集程序

為了減小誤差保證試驗(yàn)精度，試驗(yàn)中注意以下事項(xiàng)：(1) 每次試驗(yàn)測(cè)試前，將壓力腔下方閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)行傳感器壓力系數(shù)的標(biāo)定，以得到當(dāng)時(shí)溫度氣壓條件下準(zhǔn)確的傳感器系數(shù);(2) 整個(gè)過(guò)程中，需要防止軟管中溶解的空氣析出形成氣泡；此時(shí)壓力難以順利傳遞，需要排除氣泡后再進(jìn)行測(cè)量;(3) 及時(shí)進(jìn)行壓力零點(diǎn)檢測(cè)，如壓力零點(diǎn)漂移需要重新在測(cè)量程序中設(shè)定.

3 伴流試驗(yàn)測(cè)量與分析

伴流試驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)量軟件通過(guò)采集卡讀取壓力傳感器的原型數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，即可得到當(dāng)前周向角時(shí)的6個(gè)位置處的三向伴流速度，如果發(fā)現(xiàn)速度超出常規(guī)值則表示測(cè)量設(shè)備可能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，需要即刻排除誤差后重新測(cè)量.

該伴流試驗(yàn)在船模拖曳水池中進(jìn)行，試驗(yàn)船模為一雙槳雙舵軸支架型船，測(cè)量時(shí)各個(gè)參數(shù)分別如下，船模長(zhǎng)4.05 m，方形系數(shù)0.71，周向角0°～350°，6根畢托管相對(duì)螺旋槳半徑位置r/R= 0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,1.3.

3.1 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，表1 給出了不同半徑位置處的三向伴流系數(shù)大??；限于篇幅，僅給出了周向角0°～100°、半徑為r/R=30%,50%,70%,90%時(shí)的三向伴流值，表中軸向伴流系數(shù)計(jì)算時(shí)采用的速度是式(7)第一式2個(gè)公式的均值.

表1 三向伴流系數(shù)測(cè)量值

軸向伴流wx的等值線(xiàn)和曲面高程圖如圖3所示，該圖清楚地顯示了伴流在空間上的分布情況，其坐標(biāo)是測(cè)量點(diǎn)位置同螺旋槳半徑的比值，r/R范圍為 (0.3～1.3) .圖4給出了伴流的切向、徑向矢量圖，圖中箭頭長(zhǎng)度代表伴流系數(shù)大小，其值和極坐標(biāo)單位1∶1對(duì)應(yīng).

根據(jù)這些結(jié)果，可以看出該雙槳船的伴流具有以下特征：軸向伴流最大值一般出現(xiàn)在槳軸上方內(nèi)側(cè)一小塊扇形區(qū)域內(nèi)，且變化梯度很大；而在其余區(qū)域，因離船體表明較遠(yuǎn)，伴流值較小且平坦.另外從圖3高程曲面圖中可見(jiàn)，軸向伴流值曲面有些微幅的起伏，這可能為數(shù)據(jù)測(cè)量誤差，同時(shí)也可能因本文為保證原始數(shù)據(jù)真實(shí)性，而沒(méi)進(jìn)行光順處理，以致有些起伏.

圖3 軸向伴流等值線(xiàn)和三維曲面圖

圖4 徑向切向伴流矢量圖

為探討Kv-Kh的方法偏差，了解其規(guī)律及定量的偏差情況；本文作為對(duì)比研究，圖5給出了周向角為0°～40°不同半徑處時(shí)，由式(7)第一式水平和垂直方向速度分量計(jì)算出的的軸向伴流速度大小，圖中Vx1為水平方向計(jì)算結(jié)果，Vx2為垂直方向計(jì)算結(jié)果.

圖5 水平垂直向軸向伴流速度比較 (周向角0°,10°,20°,30°)

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)

1) Kv-Kh的方法偏差(水平方向和垂直方向計(jì)算結(jié)果與式7不一致)，有以下規(guī)律.在離轉(zhuǎn)軸距離較大的地方，偏差較小(<2%)，而在離轉(zhuǎn)軸較近的地方，偏差較大，甚至可達(dá)10%，且這2個(gè)值哪個(gè)偏大或偏小并不確定.經(jīng)推測(cè)，這可能是由于流體在轉(zhuǎn)軸附近受軸影響，流場(chǎng)變化劇烈，以致在畢托管探頭這樣一個(gè)小尺度范圍內(nèi)有較大變化，使得不同方向上的計(jì)算結(jié)果有較大偏差.對(duì)此本文建議在今后的測(cè)量中，離轉(zhuǎn)軸較近的區(qū)域采用小直徑的畢托管，以提高測(cè)量精度；并對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證校核性試驗(yàn).

2) 軸支架的存在對(duì)伴流場(chǎng)有一些較明顯影響(如圖3所示)，特別是其后方一小段條帶區(qū)域，而且其影響不規(guī)律，形成了多個(gè)伴流峰值點(diǎn)，并生成了一些渦流；其影響一般不可忽略.

3) 測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水池中有微幅長(zhǎng)周期縱向振蕩波的存在，可能為船模拖帶水的運(yùn)動(dòng)引起，其周期可長(zhǎng)達(dá)20多秒，大于數(shù)據(jù)采集時(shí)間；它的存在可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的負(fù)面影響.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用6管5孔畢托耙對(duì)一雙槳雙舵船的三向伴流展開(kāi)了試驗(yàn)測(cè)量研究，給出了具體的伴流測(cè)量原理，試驗(yàn)測(cè)量方案，提出了改進(jìn)的畢托耙拓?fù)浣M成方案，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)還總結(jié)了試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，最后在水池中展開(kāi)試驗(yàn)得到了預(yù)期的三向伴流測(cè)量結(jié)果.同時(shí)本文結(jié)合該試驗(yàn)，對(duì)伴流試驗(yàn)相關(guān)問(wèn)題現(xiàn)象展開(kāi)了較為細(xì)致的分析探討；通過(guò)測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)，軸支架的存在對(duì)伴流場(chǎng)有一些較明顯的影響，其影響并不規(guī)律，其后形成了多個(gè)伴流峰值點(diǎn)；另外定量分析了Kv-Kh方法偏差，給出了偏差變化規(guī)律，并探討了產(chǎn)生的可能原因，據(jù)此本文給出了提高測(cè)量精度的一個(gè)設(shè)想方案，即槳軸附近盡量采用小直徑畢托管；同時(shí)試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)周期微幅縱向振蕩波的存在，其影響有待進(jìn)一步的測(cè)量分析.

[1]郝亞平.船舶性能試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.1991.

[2]陳紅梅，都紹裘.超大型集裝箱船伴流場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].船舶,2006,6(3):6-10.

[3]初紹偉，鄒早建，曲寧寧.船后伴流場(chǎng)影響因素的數(shù)值研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2013,37(5):1026-1031.

[4]26th ITTC Propulsion Committee.Recommended procedures and guidelines,nominal wake measurement by a 5-Hole pitot tube[S].ITTC Conference,2011.

[5]26th ITTC Specialist Committee on Scaling of Wake Fields.Recommended procedures and guidelines, experimental wake scaling methods[S].ITTC Conference,2011.

[6]將軍的博客.船舶三向伴流測(cè)量試驗(yàn)與測(cè)量程序[EB/OL].http:∥oxgeneral.blog.163.com/blog/static/233441029201423181035757/,2014-3-31/2014-05-06.

Experiment Study and Techniques on Ship Wake Measurement

WANG Fei1)WU Xiaofeng2)MENG Shuai1)

(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)1)(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China)2)

An experimental research is carried out to measure the 3D wake field of a ship with twin propellers, some detailed analysis and conclusion about wake experiments are drawn based on this test. In this experiment, the principle of Kv-Kh method is given on a rake with six 5-hole-pitot-tubes, an efficient topology scheme of pitot rake is proposed to ensure robustness and precision. In this experiment, the model velocity is determined according to Froude similarity law, the axial, radial and tangent velocity components are measured simultaneously by the tubes. According to the test result, some conclusions are drawn. the shaft support has discernable effect on wake filed with irregular pattern; the discrepancy of Kv-Kh method turns big near the propeller axis, for which the possible explanation is deduced. Longitudinal waves with very small amplitude, very long period and low decay was found in the experiment, which may deteriorate the wake precision.

pitot tubes; 3D wake measurement; Kv-Kh method; experiment study

2014-06-06

*海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：GKZD010059-16)

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.018

王 飛(1979- )：男，博士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇安倏v性研究