孫寒冰 昝立儒 孫志遠 鄒 勁
(哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001)
客滾船具有裝卸省時省力的優(yōu)點,在運輸船舶隨著國際航運的發(fā)展,客滾船的噸位不斷增加,使得航行中上層建筑風載荷變得不可忽略。
羅少澤等人[1]使用常規(guī)測力方法的風洞試驗研究了集裝箱船甲板上裝載的集裝箱的數(shù)量和位置對風阻系數(shù)的影響。楊林家等人[2]在忽略其他上層建筑的前提下,使用CFD方法對LNG船的貨艙風阻進行了計算分析,驗證了大渦模擬方法對計算風阻的有效性。周傳明[3]使用CFD方法對一艘20 000載重噸江海直達型散貨船的水上部分進行風阻預算,并將計算結果與Blender方法和OCIMF方法進行對比分析,低速時得到的結果相似,速度達到一定程度時誤差逐漸增大[3]。CHAN H S等人[4]在忽略了上層建筑的風阻作用的前提下,對客滾船水下部分在規(guī)則波中的載荷進行研究。SHEN Qing等人[5]對包括風阻載荷的客滾船阻力特性進行分析計算,并對重載下的橫搖進行研究。張銀龍[6]研究了客滾船在波浪中的線性恢復力矩和非線性阻尼力矩的影響,但也忽略了水上部分風阻載荷的影響。高兆棟[7]通過仿真,分析了客滾船在波浪下的載荷和橫搖??梢钥闯觯壳搬槍Υ帮L阻特性的研究多集中于風洞試驗以及數(shù)值方法,而客滾船的阻力研究多數(shù)集中在水下部分。
如今,一種粒子圖像測速技術(particle image velocimetry,PIV)開始應用于大型風洞中,技術也漸趨完善[8]。船舶行業(yè)PIV技術的應用研究主要在水動力研究領域。KIM W J等人[9]應用PIV對KCS和KVLCC周圍流場進行測量,得到較精確的流場圖像;LEE Sang Joon等人[10]應用PIV對KCS的橫向流場進行了測量,準確顯示了橫向流場的流動特性。本文通過試驗研究某客滾船的空氣流場特性,通過粒子圖像測速法得到迎風狀態(tài)和橫風狀態(tài)下客滾船上層建筑周圍流場的細節(jié)信息,并結合試驗現(xiàn)象和結果分析客滾船船空氣繞流場的特點。
PIV是一種在流場中同時多點(例如幾千點)測量流體或粒子速度矢量的光學圖像技術,通常在流場的“平面薄片”中進行測量。PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)和分析顯示系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、激光脈沖同步器、CCD攝像機組成;分析顯示系統(tǒng)主要由圖像采集裝置和圖像分析軟件及計算機組成。PIV設備圖如圖1所示。
圖1 PIV設備圖
在PIV試驗中,示蹤粒子的選擇十分重要。本次試驗采用便攜式壓力霧化示蹤粒子發(fā)生器產(chǎn)生所需的粒子,粒子介質為橄欖油,產(chǎn)生的示蹤粒子直徑為1~2 μm,示蹤粒子密度與空氣密度近似,范圍在1.1~1.3 kg/m3。示蹤粒子發(fā)生器安裝在風洞駐室,由管道引入風洞穩(wěn)定段。示蹤粒子發(fā)生器如圖2所示。
圖2 示蹤粒子發(fā)生器
本試驗模型由哈爾濱工程大學設計并加工,模型縮比為1 : 100。客滾船模型由上船體和下船體兩部分組成,模型及主要參數(shù)見圖3與表1。
圖3 試驗模型
表1 模型參數(shù)mm
本文基于風軸系與體軸系兩個坐標系對客滾船的風阻進行分析。其中風軸系指大地坐標系,這里建立體軸系坐標系,原點O位于模型力矩參考中心(重心),X軸為縱軸,平行于艇體中縱軸線指向前方;Y軸為橫軸,垂直于艇體縱中對稱面,指向右舷;Z軸為豎軸,垂直于縱軸指向上方(如圖4所示)。
圖4 體軸定義示意圖
縱向和橫向剖面PIV試驗改變模型風向角時,相機和片光繞風洞轉盤中心同步旋轉,相機和片光位置相對固定;當只改變模型拍攝位置時,相機和片光不動,模型移動。
水平剖面PIV試驗時,片光高度由風洞外移測架升降實現(xiàn),相機位置不動,通過調節(jié)焦距使圖像清晰,改變拍攝位置時僅移動模型。
PIV試驗測量模型橫向(垂直于氣流平面)和縱向(平行于氣流豎直面)剖面時,激光器安裝在風洞上轉盤外,相機固定在風洞內的地板上(如圖5所示),相機軸線與片光平面垂直。下頁表2列出了此次PIV試驗的工況。
圖5 PIV試驗時相機安裝
測力試驗模型的姿態(tài)由迎角、側滑角機構和姿態(tài)角控制系統(tǒng)配合完成。
在標準大氣條件下,對模型氣動力及力矩進行測量。影響試驗準確性的誤差主要包括風速控制、姿態(tài)角控制和壓力測量。試驗系統(tǒng)誤差見表3。
表3 試驗系統(tǒng)誤差
客滾船模型在不同風速下的風軸阻力曲線如圖6所示 。從該圖可以看出,隨著側滑角的改變,在固定的風速下,客滾船模型的氣動特性與風向角有密切關系:隨著β從0°增大到180°,客滾船模型的風軸阻力先增大后減小,當β?= 90°時,風軸阻力到達最大值。圖中Fx表示風軸阻力。
模型體軸偏航力矩如圖7所示。偏航力矩方面,在 0°< β?<105°范圍內,模型產(chǎn)生逆時針偏航力矩,模型的偏航力矩先增大后減小,當β=45°時,偏航力矩達到最大值。在 105°< β <180°范圍內,模型產(chǎn)生順時針偏航力矩,模型偏航力矩的絕對值先增大后減小。圖中My表示偏航力矩。
圖7 模型體軸偏航力矩
模型體軸側向力如圖8所示。側向力(體軸系y 軸方向)在 0°< β?<35°范圍內,模型的側向力呈現(xiàn)增大的趨勢,在 35°< β?<120°范圍內,模型的側向力變化不明顯,在 120°< β?<180°范圍內,模型的側向力呈現(xiàn)減小的趨勢。圖中Fy表示模型的側向力。
圖6 模型風軸阻力
圖8 模型體軸側向力
測力試驗測量出了不同風向角下的阻力、偏航力矩及體軸側向力,PIV試驗則得到了客滾船在不同風向角下的繞流場細節(jié)。下面對得到流場的速度矢量圖和速度云圖進行分析,參見圖9-圖14。
V?= 25 m/s、β?= 0°時的縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9(a)和下頁圖10(a)。縱向剖面處流線沿船體方向向后延伸,在各建筑物后均出現(xiàn)較小的扁平分離渦。這是由于分離渦前的建筑阻礙,使其后的流速較慢,從而產(chǎn)生壓力差,進而產(chǎn)生分離渦。
圖9 不同風向角下客滾船縱剖面速度矢量圖(V?= 25 m/s)
V?= 25 m/s、β?= 45°時的客滾船模型縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9(b)和下頁圖10(b)。因流動風向與船體有傾角側洗,與風向角β?= 0°相比,船首部分離渦的扁平度減小,在船體后側的氣流開始出現(xiàn)上洗現(xiàn)象。這是由于風向角越大,船體阻礙作用越強,使近船體流域的流速越慢壓強越大,從而產(chǎn)生上洗現(xiàn)象。
V?= 25 m/s、β?= 90°時的縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9(a)和圖10(b)。在模型縱剖面可見明顯的流動分界線,分界線兩側氣流差異較大,分界線以外的氣流表現(xiàn)為上洗。
V?= 25 m/s、β?= 0°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見下頁圖11(a)和圖12(a)。由于船舶上層建筑的影響,在橫剖面上的橫向速度分量存在一半圓形分界線,分界線外部流線向外發(fā)散,近模型區(qū)橫向速度分量約為2 m/s。
圖10 不同風向角下客滾船縱剖面速度矢量圖(V?= 25 m/s)
圖12 客滾船橫剖面速度云圖(V?= 25 m/s)
V?= 25 m/s、β?= 45°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖 11(b)和圖 12(b)。模型左舷迎風面與風洞地板間的角區(qū)內存在明顯的流動分離,但0°時建筑物外圍的橫向分界線消失了,矢量圖上模型右舷建筑物主體后方存在一個近似圓形的分離渦。其形成原因是模型阻塞作用造成了船體頂部速度上升,最高處超過30 m/s,右舷建筑物后產(chǎn)生單個漩渦,漩渦中心處速度為0~3 m/s,進而產(chǎn)生壓力集中區(qū)。
V?= 25 m/s、β?= 90°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖 11(c)和圖 12(c)。從速度矢量圖可以看出:此狀態(tài)客滾船的背風面分離區(qū)影響范圍較大,而且還存在復雜的二次分離現(xiàn)象。這是由于風向與船舶垂直,使左舷迎風面的流動分離更加明顯。在圖12(c)上也可以看出模型右舷建筑物主體后方大片區(qū)域速度較低,流動近似靜止,而且船體頂部的速度梯度變化較大,產(chǎn)生的分離較復雜。
圖13 客滾船水平剖面速度矢量圖(V?= 25 m/s)
圖14 客滾船水平剖面速度云圖(V?= 25 m/s)
在水平剖面上選取兩個特殊風向角0°和90°對水平剖面流場分布進行研究分析。V?= 25 m/s、β?= 0°時的水平剖面速度矢量圖和速度云圖見圖13(a)和圖14(a)。因模型阻塞作用使得側面流速高于來流,但未發(fā)生流動分離 現(xiàn)象。V?= 25 m/s、β?= 90°時的水平縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖13(b)和圖14(b)。模型右舷迎風面船首和船尾流線向兩側彎曲繞過模型。在圖14(b)上可以看出:客滾船模型左舷背風面流線先由遠側向船中流動,然后分別流向船首和船尾,從而形成一對分離渦。
本文利用風洞試驗和PIV技術對客滾船進行了風場模擬和空氣繞流場顯示,對空氣繞流場細節(jié)進行分析,得到以下結論:
(1)隨著風向角的增加,縱向風軸阻力和橫向側向力都呈“拋物線”規(guī)律變化,偏航力矩呈“正弦曲線”分布,并存在兩個方向相反的阻力峰。
(2)在風向角不為0°時,船體后側的氣流出現(xiàn)上洗現(xiàn)象,背風舷側會產(chǎn)生大規(guī)模分離渦;風向角為0°時,分離渦主要產(chǎn)生在高建筑與低建筑物的空隙處。為減少客滾船迎風時的分離渦,可盡量減少上層建筑的高度差。
運用PIV技術對客滾船的風阻流場進行研究后得出,PIV技術可以形象準確地描述船舶的風阻流場分布,使用流線表示流場的流動分離現(xiàn)象,將背風面復雜的分離區(qū)準確地顯示出來,從而對后期的CFD計算驗證以及風阻優(yōu)化提供參考依據(jù)。