船舶三向伴流測量方法與試驗研究*

王 飛 吳小峰 孟 帥

(上海交通大學海洋工程國家重點試驗室1) 上海 200030) (中國船舶科學研究中心2) 無錫 214082)

船舶三向伴流測量方法與試驗研究*

王 飛1)吳小峰2)孟 帥1)

(上海交通大學海洋工程國家重點試驗室1)上海 200030) (中國船舶科學研究中心2)無錫 214082)

通過試驗對一雙槳船進行了伴流測量，以此為基礎對伴流試驗相關問題現(xiàn)象展開分析探討.試驗中采用6管5孔畢托耙，給出了具體的Kv-Kh方法測量原理與方案，提出耙的優(yōu)化結構組成方案以提高可靠性和精度；試驗過程中，根據弗勞德相似的原則確定船模拖曳速度，全面測量槳盤平面上的軸向、徑向、切向流速.通過測量得到了該船全面的三向伴流分布情況，對結果分析發(fā)現(xiàn)，軸支架的存在對伴流場有些較明顯的影響，且影響不太規(guī)律；Kv-Kh方法偏差在槳軸附件時較大，給出了原因及改善的建議.試驗中還發(fā)現(xiàn)了水池中微幅長周期縱向振蕩波的存在，衰減很慢，會對試驗結果造成一定影響.

畢托管；三向伴流測量；Kv-Kh方法；試驗研究

0 引 言

船舶螺旋槳伴流對于提高船舶的快速、振動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，全面詳細地研究船尾伴流分布情況對于船舶設計具有重要的意義.船舶伴流試驗已是新船型設計過程中一項基本的試驗[1-3]，用以設計螺旋槳，研究船舶振動噪聲.

本文針對某一雙槳雙舵型船展開了伴流試驗測量研究，同時借此試驗總結，探討伴流試驗中一些如，測量方法(Kv-Kh)偏差、畢托管探頭大小選擇、試驗注意事項等和伴流試驗測量的相關技術.試驗中采用六管五孔畢托耙作為試驗測量設備，給出了具體的Kv-Kh試驗測量方法[4-6]，提出了改進的畢托耙設計組合方案，以提高效率減小出錯幾率；最后通過試驗測量，進行數(shù)據處理，得到了整個槳盤上軸向、徑向及切向的伴流分布情況，并展開分析與總結.通過該項伴流試驗研究，發(fā)現(xiàn)了一些和船舶伴流相關的現(xiàn)象，同時探討了Kv-Kh測量方法的方法偏差，給出了一些規(guī)律性結論.

1 試驗測量原理

圖1 5孔球形畢托管探頭及畢托耙示意圖

1.1 畢托管測量原理與方法

本文采用ITTC伴流試驗規(guī)程中建議的Kv-Kh方法，利用5孔球形探頭畢托管進行伴流測量[4],見圖1.為描述其流體特性，引入右手坐標系統(tǒng)o-xyz，x軸和中間壓力孔對應；c,p,s,b,t分別對應中、左、右、下、上5個壓力孔，其在水中運動時對應的壓力記作P；V為來流速度;Vh為其水平的投影分量.

對于5孔畢托管，根據理想流體力學相關原理，各孔壓力之間有如下對應關系.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：αh,αv為各孔偏離中心線的角度，是定值；βh,βv為來流的角度；Vh，Vv來流在水平面xoy和垂直面xoz上的投影速度.這6個系數(shù)僅同來流的角度和速度相關，且水平向和垂向系數(shù)互不干擾，這6個系數(shù)即畢托管的標定系數(shù)曲線，利用其根據5個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，以上關系并不嚴格成立.對于每一根畢托管，需要進行標定性測量，以得到準確的各個系數(shù)與角度之間的標定系數(shù)曲線，最終用這些標定曲線進行伴流試驗測量.由式(1)、式(2)確定水平及垂直來流角度，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坐標系下的三向流速為：

(7)

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

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

肌肉的絞痛，韌帶、關節(jié)囊的鈍痛，神經根的放射痛，神經的閃電樣銳痛，交感神經的灼痛，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)疾病與疼痛關系友好。

(8)

式中：V0為船模拖曳速度;Vx,Vr,Vt為槳盤柱坐標系下的三向伴流速度;Vr和式(7)中的Vz對應，Vt和Vy對應，正負號需要根據具體柱坐標定義調整.

1.2 畢托耙的結構拓撲

如圖1所示，每一副畢托耙根據需要可安裝多個畢托管，其中每根管的位置上下可以隨意調整，次序可隨意變更，數(shù)目也可增減，以對應不同的螺旋槳半徑位置.為了減小各個管之間因距離太近產生的干擾，本文沒有將這些畢托管全部布置在一側，而是將其盡量拉開，均勻分布到軸線的兩側；同時為提高可靠性減小出錯的機會，每根管不論其處在轉軸上側還是下側，壓力孔p全部位于耙的左側，孔s,b,t分別位于右側、底側和上側，且每個孔的方位以后不論情況如何，均不做任何調整；由此產生的正負號對應關系見式(8)由測量程序內部處理.耙上的轉軸也可以上下調整，其位置對應于船舶螺旋槳的轉軸，整個耙可以在槳盤平面內360°根據需要轉動.為提高效率降低試驗人員工作量，本文采用舵機驅動器來控制畢托耙的角度，通過串口和伴流采集控制程序相連.

2 試驗測量方案

該船舶模型為雙槳雙舵船，軸支架結構形式，其上段和船底板相連，下段由槳軸線開始垂直向下伸出；因左右對稱關系，本文僅測量右槳的伴流情況，其中畢托耙的轉軸和螺旋槳的轉軸完全對應.

試驗測量時，船舶模型拖曳速度V，其大小根據弗勞德相似原理確定；調整畢托管探頭前后位置，使其位于螺旋槳盤面平面上；畢托耙由角度驅動器控制，可以繞軸在(0°～360°)范圍內轉動.每一根畢托管上的壓力孔在其后通過一個軟管和上面的壓力腔(傳感器)相連，見圖2，總共6個(5個軟管和傳感器)，壓力傳感器的信號由數(shù)據采集卡讀入計算機進行實時采集.測試前利用負壓方式，將連接軟管和壓力腔中完全注滿水，以確保探頭上壓力孔的壓力能夠順利傳遞至壓力腔，并關閉上端閥門打開下端閥門；隨后即可以一定的速度拖動船模，測量流體動壓力，通過標定系數(shù)曲線插值計算得到船尾的三向伴流速度大小.

圖2 伴流試驗測量設備和采集程序

為了減小誤差保證試驗精度，試驗中注意以下事項：(1) 每次試驗測試前，將壓力腔下方閥門關閉，進行傳感器壓力系數(shù)的標定，以得到當時溫度氣壓條件下準確的傳感器系數(shù);(2) 整個過程中，需要防止軟管中溶解的空氣析出形成氣泡；此時壓力難以順利傳遞，需要排除氣泡后再進行測量;(3) 及時進行壓力零點檢測，如壓力零點漂移需要重新在測量程序中設定.

3 伴流試驗測量與分析

伴流試驗測試中，測量軟件通過采集卡讀取壓力傳感器的原型數(shù)據，進行實時數(shù)據處理，即可得到當前周向角時的6個位置處的三向伴流速度，如果發(fā)現(xiàn)速度超出常規(guī)值則表示測量設備可能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，需要即刻排除誤差后重新測量.

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

3.1 試驗測量結果

經試驗測量，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%時的三向伴流值，表中軸向伴流系數(shù)計算時采用的速度是式(7)第一式2個公式的均值.

表1 三向伴流系數(shù)測量值

軸向伴流wx的等值線和曲面高程圖如圖3所示，該圖清楚地顯示了伴流在空間上的分布情況，其坐標是測量點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，圖中箭頭長度代表伴流系數(shù)大小，其值和極坐標單位1∶1對應.

根據這些結果，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)在槳軸上方內側一小塊扇形區(qū)域內，且變化梯度很大；而在其余區(qū)域，因離船體表明較遠，伴流值較小且平坦.另外從圖3高程曲面圖中可見，軸向伴流值曲面有些微幅的起伏，這可能為數(shù)據測量誤差，同時也可能因本文為保證原始數(shù)據真實性，而沒進行光順處理，以致有些起伏.

圖3 軸向伴流等值線和三維曲面圖

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；本文作為對比研究，圖5給出了周向角為0°～40°不同半徑處時，由式(7)第一式水平和垂直方向速度分量計算出的的軸向伴流速度大小，圖中Vx1為水平方向計算結果，Vx2為垂直方向計算結果.

圖5 水平垂直向軸向伴流速度比較 (周向角0°,10°,20°,30°)

3.2 試驗現(xiàn)象總結

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

2) 軸支架的存在對伴流場有一些較明顯影響(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，形成了多個伴流峰值點，并生成了一些渦流；其影響一般不可忽略.

3) 測量過程中發(fā)現(xiàn)，水池中有微幅長周期縱向振蕩波的存在，可能為船模拖帶水的運動引起，其周期可長達20多秒，大于數(shù)據采集時間；它的存在可能會對測量結果造成一定的負面影響.

4 結束語

本文采用6管5孔畢托耙對一雙槳雙舵船的三向伴流展開了試驗測量研究，給出了具體的伴流測量原理，試驗測量方案，提出了改進的畢托耙拓撲組成方案，根據以往經驗還總結了試驗中的注意事項，最后在水池中展開試驗得到了預期的三向伴流測量結果.同時本文結合該試驗，對伴流試驗相關問題現(xiàn)象展開了較為細致的分析探討；通過測量分析發(fā)現(xiàn)，軸支架的存在對伴流場有一些較明顯的影響，其影響并不規(guī)律，其后形成了多個伴流峰值點；另外定量分析了Kv-Kh方法偏差，給出了偏差變化規(guī)律，并探討了產生的可能原因，據此本文給出了提高測量精度的一個設想方案，即槳軸附近盡量采用小直徑畢托管；同時試驗中還發(fā)現(xiàn)了長周期微幅縱向振蕩波的存在，其影響有待進一步的測量分析.

[1]郝亞平.船舶性能試驗技術[M].北京:國防工業(yè)出版社.1991.

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

[3]初紹偉，鄒早建，曲寧寧.船后伴流場影響因素的數(shù)值研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,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.船舶三向伴流測量試驗與測量程序[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

*海洋工程國家重點實驗室青年創(chuàng)新基金項目資助(批準號：GKZD010059-16)

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.018

王 飛(1979- )：男，博士，工程師，主要研究領域為船舶操縱性研究