圍阱內(nèi)流體振蕩載荷試驗研究

史澤宇 胡景豐

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

圍阱結(jié)構(gòu)在水面艦船及海洋平臺中有很廣闊的應(yīng)用，如在水面艦船中為保證聲吶、潛水系統(tǒng)等設(shè)備的正常工作，設(shè)置了相應(yīng)的圍阱結(jié)構(gòu)［1-2］，自升式平臺的樁靴往往被包圍在圍阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，圍阱結(jié)構(gòu)作為平臺主體與樁腿及升降系統(tǒng)連接的主要受力區(qū)域，是整個平臺最為關(guān)鍵的部位。

因圍阱結(jié)構(gòu)的特殊形式及其對整體結(jié)構(gòu)的重要性，學者們對這類結(jié)構(gòu)開展了大量研究。許維軍等［3］人對一個聲吶圍阱在水下爆炸載荷作用下的變形展開分析，選取圍阱頂部剖面、圍阱平臺剖面等5個剖面作為研究對象，計算求得這些剖面在水下非接觸爆炸載荷作用下的變形量，并對局部變形過大的區(qū)域進行優(yōu)化設(shè)計。胡博生等［4］對自升式鉆井船圍阱區(qū)的建造工藝進行研究，對圍阱區(qū)分段建造的步驟和技術(shù)要求進行了詳細的討論。關(guān)國偉和甘作為［5］針對自升式鉆井平臺圍阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計展開研究，充分考慮建造工藝、節(jié)點優(yōu)化設(shè)計及強度要求，從材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大方面對圍阱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并通過有限元計算驗證其優(yōu)化設(shè)計的可靠性。這些針對圍阱結(jié)構(gòu)研究的主要關(guān)注點都在圍阱結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)的特點上，對圍阱結(jié)構(gòu)所受到的載荷關(guān)注較少。

在艦船圍阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，對圍阱結(jié)構(gòu)載荷一般只考慮圍阱壁面所承受的靜水壓力，然而在船舶航行過程中，圍阱內(nèi)的流體在外部來流及波浪的激勵下將產(chǎn)生劇烈的晃蕩運動，流體的運動對圍阱內(nèi)的壁面將產(chǎn)生較大的砰擊載荷。與之類似的是船舶中的液艙晃蕩問題［6-7］，但相較于液艙晃蕩，圍阱內(nèi)的載荷更加復(fù)雜，圍阱隨邊的壁面還額外受到一個由導(dǎo)邊分離出的自由剪切層沖擊的載荷［8］。

考慮到國內(nèi)外對圍阱壁面載荷特征尚缺乏認知，本文通過模型試驗，對圍阱內(nèi)流體振蕩載荷的規(guī)律進行系統(tǒng)研究，討論了不同開口形式、不同腔型以及不同流速下圍阱內(nèi)流體振蕩載荷的特性，并分析了圍阱內(nèi)載荷分布的空間規(guī)律，可為圍阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗裝置

本次模型試驗在水洞中開展，水洞由2個罐體、各類泵、閥門、試驗段和蓄水池共同構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)。試驗段可根據(jù)不同的試驗要求進行設(shè)計，罐體分布在試驗段的上游和下游，可以起到穩(wěn)定流速和調(diào)節(jié)試驗段水位的作用，通過各類水泵可以對試驗段的流量進行控制，模擬不同流速環(huán)境。水洞試驗段的長度為10 m，最大流量為1.2 m3/s，蓄水池的最大容積3 000 m3，試驗場地參見圖1。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

本次的試驗?zāi)Ｐ鸵娤马搱D2。其主要分為2個部分，下方的流道和上方的圍阱模型，流道主要是為了模擬船底外部來流的環(huán)境，為方便安置圍阱模型，且為方便觀測，流道的截面選擇為長方形。流道的尺寸要合理設(shè)計，保證流道兩側(cè)平板及底部的邊界層不會對流道上方圍阱結(jié)構(gòu)處的流動產(chǎn)生干擾，通過CFD模擬速度場可以確定圍阱處邊界層的范圍，保證流道的其他3個面要遠離圍阱的邊界層，CFD計算的流場如下頁圖3所示。

假設(shè)圍阱內(nèi)吃水為h，流道高度為0.6h時即可保證流道下方平板對圍阱處流場速度不造成影響；圍阱沿流向的長度為L，則流向上導(dǎo)邊向前取L即可保證圍阱處流場速度基本不受影響；圍阱的寬度為B，流道橫向向兩邊分別取0.4B時即可保證圍阱處流場速度基本不受影響。

圍阱模型尺寸由實船1 : 4縮比獲得，圍阱主尺度為0.45 m×0.45 m×0.625 m，根據(jù)以上分析，流道模型橫截面的尺寸為0.9 m×0.405 m。

圖2 試驗?zāi)Ｐ蛨D

圖3 CFD模擬結(jié)果

為考察不同腔型及不同開口形式對圍阱內(nèi)載荷的影響，圍阱和流道設(shè)計為可拆卸的形式，且圍阱模型設(shè)計成底座+腔體的形式。

本試驗共考慮7種不同的腔型或開口形式：第1種為基準形式（下文中稱為5號船原型腔），具體形式見圖4（a）；第2種和第3種分別為在5號船原型腔的基礎(chǔ)上增加1個87.5 cm或75 cm的圓臺，具體形式見圖4（b）；第4種和第5種為在5號船原型腔的基礎(chǔ)上增加87.5 cm圓臺的并設(shè)計不同的倒角，如圖4（c）所示；第6種為在5號船原型腔的基礎(chǔ)上增加異形附體，見圖4（d）；第7種將腔型尺寸改為0.45 m×0.35 m×0.625 m。

圖4 圍阱下方底座示意圖

1.3 測試設(shè)備

為獲得圍阱內(nèi)流體的載荷，本試驗主要測試設(shè)備為壓力傳感器，考慮圍阱腔口處剪切層附近流場變化較大，因此在圍阱腔口處布置了更多的測點。雖然結(jié)構(gòu)、邊界條件、初始條件具備對稱性，但是圍阱底部的非定常運動具備不穩(wěn)定性，因此在兩側(cè)均布置測點。圍井內(nèi)測點位置參見圖5，壓力傳感器見圖6。

圖5 測點布置圖

圖6 壓力傳感器

2 結(jié)果分析

2.1 圍阱腔口周向壓力分布規(guī)律

首先，對圍阱腔口周向的壓力分布進行分析，在圍阱腔口處傳感器布置的原則是每隔30°布置一個傳感器，為兼顧其他試驗的需求，在導(dǎo)邊和隨邊中點使用動壓傳感器，而由于空間上的沖突，取消一個靠近隨邊中點的傳感器；因此在腔口底部共布置9個傳感器，布置的示意圖見圖7。測試過程中采用測量多次取平均的方法，無量綱后的測試結(jié)果見下頁圖8。共考慮5種不同流速，對7個不同腔型的圍阱進行試驗。

圖7 圍阱腔口傳感器布置示意圖

從試驗結(jié)果可知，不同航速下，圍阱底部壓力分布的規(guī)律基本相同，在150°（6號傳感器所在位置）處達到峰值，考慮到180°和210°沒有進行測量，因此可以認為在隨邊位置壓力將達到最大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是剪切層的沖擊作用。此外可以發(fā)現(xiàn)壓力在導(dǎo)邊與側(cè)壁連接的角隅處最小，說明該區(qū)域的局部流速較快。

圖8 圍阱底部壓力分布規(guī)律

通過對比不同腔型或腔口形狀的圍阱數(shù)據(jù)，可以看出：圍阱開口形式和腔型的變化雖未改變圍阱底部載荷空間分布規(guī)律，但在載荷的數(shù)值上卻展現(xiàn)較大差異；載荷最小的開口形式是在圍阱底部增加1個75 cm圓臺，將圍阱底部開口形式變?yōu)閳A形。雖然下沉倒角型圓臺在流速較高時的載荷更小，但是該形式圍阱在低流速下的載荷較高，且其加工難度較大，因此設(shè)置75 cm圓臺的工程意義更大。

2.2 導(dǎo)邊壁面壓力分布規(guī)律

在導(dǎo)邊的壁面上共布置2個測點，2個測點均布置在導(dǎo)邊壁面的中心線上，1個布置在自由液面附近，1個布置在導(dǎo)邊壁面的中點。由測試結(jié)果可見：不同航速下，導(dǎo)邊壁面上壓力分布規(guī)律非常類似，自由液面附近的壁面的壓力要顯著低于壁面中間位置的壓力。造成這種現(xiàn)象的原因是圍阱內(nèi)的渦運動對導(dǎo)邊壁面中點位置的沖擊作用。同樣通過對比不同開口形式及不同腔型的圍阱結(jié)果，可以看出在圍阱底部增加75 cm圓臺仍然是降低圍阱內(nèi)載荷的最優(yōu)措施，在所有流速下均能保證圍阱內(nèi)的載荷處于較低水平。

圖9 導(dǎo)邊壁面壓力分布規(guī)律

2.3 隨邊壁面壓力分布規(guī)律

與導(dǎo)邊類似，在隨邊壁面上也設(shè)置2個測點，分別在自由液面附近和隨邊中點，從隨邊的壓力結(jié)果中可以看出，導(dǎo)邊和隨邊展現(xiàn)出截然相反的規(guī)律，在不同流速下，隨邊壁面上靠近自由液面附近的載荷要遠大于隨邊中點位置的載荷。造成這種現(xiàn)象的原因是剪切層沖擊隨邊下緣后一部分繼續(xù)向下游流動，另一部分貼著隨邊壁面向上運動，其流速遠高于圍阱內(nèi)的渦運動，因此在隨邊中點附近的壓力較低。通過對比不同開口形式及腔型的圍阱載荷數(shù)值，可以得到與上文相同的結(jié)論，即在圍阱下方增加75 cm圓臺可以顯著降低圍阱內(nèi)的載荷。

圖10 隨邊壁面壓力分布規(guī)律

2.4 圍阱后方流向壓力分布規(guī)律

最后，對圍阱后方壓力的分布規(guī)律進行簡要分析，在圍阱后方設(shè)置4個壓力傳感器；圍阱后方沿流向壓力的分布規(guī)律是先顯著增大后逐漸減?。ㄒ妶D11），這些測點處于同一水平面上，因此壓力的差異主要是源自流速上的差別。

圖11 圍阱后方壓力分布規(guī)律

3 結(jié) 論

通過模型試驗，對圍阱內(nèi)載荷分布規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，得到以下結(jié)論：

（1）不同航速下，圍阱底部以及隨邊、導(dǎo)邊壁面等區(qū)域壓力分布的規(guī)律基本相同；

（2）圍阱開口形式和腔型的變化沒有改變圍載荷的空間分布規(guī)律，但會改變載荷的數(shù)值；

（3）綜合分析圍阱不同位置處的載荷規(guī)律和不同航速下的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在圍阱下方增加75 cm圓臺可以顯著降低圍阱內(nèi)的載荷。