局部氣墊雙體船試驗方案設(shè)計

鄒 勁，韓穎駿，施亞光，孫寒冰

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

局部氣墊雙體船是一種以瘦長型雙體船為基礎(chǔ)，輔以局部氣墊作為支撐的雙體船結(jié)構(gòu)。這種船型的側(cè)船體比一般的側(cè)壁式氣墊船的側(cè)船體要寬，氣墊位于側(cè)船體和尾部密封裝置之間，使用時由船上的升力風(fēng)扇充氣。借助這種寬大的側(cè)船體，船只在航行過程中可以擁有較大的浮力和較高的航速，吃水也比較淺，因此該種船型結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)載方面具有很大的應(yīng)用價值［1］。

在設(shè)計上，它以排水型船的剛性結(jié)構(gòu)和“部分墊升”氣墊作為支承，融合了傳統(tǒng)排水型高速船、氣墊船以及滑行型的原理。雖然局部氣墊的氣墊面積較全墊升氣墊船成倍減少，但經(jīng)過精心設(shè)計，運(yùn)用部分墊升氣墊支承技術(shù)，統(tǒng)籌考量排水量與船型結(jié)構(gòu)，局部氣墊雙體船仍然可以依靠高壓空氣，在艇下方形成強(qiáng)有力的氣墊，使它獲得高速機(jī)動航行的升力，航速可不亞于全墊升氣墊船［2］。

鑒于局部氣墊雙體船的巨大發(fā)展?jié)摿σ约皣鴥?nèi)對該船型的理論研究尚未完善，因此本文對其進(jìn)行相關(guān)研究并開展模型拖曳試驗。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 船模情況

本試驗的模型橫剖面圖如圖1所示。

圖1 船模橫剖面圖Fig.1 Model sections

模型主體采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，考慮加工和試驗要求，將船模分成連接橋和左右片體3 個部分。連接橋為一箱型空腔，設(shè)有進(jìn)氣孔和出氣孔，起到穩(wěn)定流場的作用;左右片體與連接橋用角鐵固定連接，并涂上硅膠密封;首尾氣囊采用柔性復(fù)合材料制作，通過熱粘合技術(shù)成形。船模結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要參數(shù)見表1。

圖2 船模Fig.2 Ship model

表1 船模型主要參數(shù)Tab.1 Main dimension of model

1.2 墊升系統(tǒng)

在實際船模拖曳實驗過程中，由于受實驗條件限制，墊升系統(tǒng)在設(shè)計過程中，只能按照墊升性理論估算得到流量和壓強(qiáng)范圍值［3］。然后在風(fēng)機(jī)選型時，依照伯努利方程，考慮沿程管道損失下，風(fēng)機(jī)只要滿足能夠提供氣墊所需的流量和壓強(qiáng)即可。本試驗根據(jù)理論估算和數(shù)值模擬所得的充氣流量和氣墊壓強(qiáng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型。

常見的風(fēng)機(jī)有軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī) 軸流式風(fēng)機(jī)中的流體不受離心力的作用，所以由于離心力作用而升高的靜壓能為0，因而它所產(chǎn)生的能頭遠(yuǎn)低于離心式風(fēng)機(jī)，故一般適用于大流量低揚(yáng)程的地方，屬于高比轉(zhuǎn)數(shù)范圍。觀察2 種風(fēng)機(jī)的特性曲線，發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與流量關(guān)系并非成線性趨勢變化，其存在不穩(wěn)定工作區(qū)，在使用前需進(jìn)行測試試驗以避免工作在不穩(wěn)定區(qū)，相對復(fù)雜;而離心式風(fēng)機(jī)特性曲線則成線性趨勢變化。

經(jīng)綜合考慮，本試驗選取離心式風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)安裝固定在拖車上，通過柔性管道與船模的增壓室連通。柔性管道盡量減少彎曲以減小壓頭損失。在位于拖車上的一段管道安裝數(shù)字顯示渦街流量計，用于時時測量通氣流量大小。圖3和圖4 分別是墊升系統(tǒng)示意圖和模型墊升測試。

圖4 墊升測試Fig.4 Cushion test

經(jīng)過靜水墊升試驗表明，選定的風(fēng)機(jī)能夠滿足試驗所需的流量和壓強(qiáng)，并且運(yùn)行穩(wěn)定。

1.3 氣墊壓強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)

目前，對于非全墊升式氣墊船水壓場的研究相對較少［4］。為了驗證數(shù)值模擬得到的氣墊艙壓強(qiáng)準(zhǔn)確性，以及分析氣墊內(nèi)壓強(qiáng)分布對氣墊興波的影響，需要監(jiān)測氣墊艙壓強(qiáng)沿船長的分布情況。經(jīng)過理論值估算和數(shù)值模擬得到的氣墊壓強(qiáng)均在1 kPa 以內(nèi)，相對于大氣壓是小量，因此壓強(qiáng)傳感器選為微壓差傳感器。

本試驗選用西安交大維納儀器公司生產(chǎn)的微壓差傳感器，量程0 ～2 kPa，配合信號放大器可輸出1 ～5 V 電壓信號。將一側(cè)片體均勻開5 個孔，安裝壓力傳感器探頭。圖5所示為不同工況下測量的氣墊內(nèi)壓強(qiáng)分布。

1.4 氣墊內(nèi)波形攝像系統(tǒng)

氣墊內(nèi)波形對船體興波阻力有重大影響，研究氣墊內(nèi)波形以及其與氣墊內(nèi)壓強(qiáng)的關(guān)系有很大意義;此外，船模靜水阻力試驗結(jié)束后，需換算得到實船有效馬力曲線，我國習(xí)慣沿用二因次法［5］。二因次法換算過程中，船模濕表面積的準(zhǔn)確與否將直接影響實船有效馬力換算的準(zhǔn)確性。由于局部氣墊支撐雙體船的船形特點，其氣墊內(nèi)外吃水有較大的不同，外吃水可根據(jù)升沉和縱搖數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，而氣墊內(nèi)船體的吃水情況目前還沒有較準(zhǔn)確的經(jīng)驗公式可依，因此最直接的辦法就是通過采集氣墊內(nèi)吃水的波形圖像，經(jīng)測量后得出其濕表面積。這樣，在進(jìn)行實船有效馬力換算時才有可能更精確。

攝像頭需安裝在一側(cè)片體上，其可能工作在水下、湍流界面、震動等惡劣環(huán)境下，因此攝像頭的選擇要考慮圖像清晰度、防震、防抖、防水、寬視角等因素。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車載倒車攝像頭具有體積小、能防水、像素高等特點，滿足試驗要求。

經(jīng)測試，氣墊艙內(nèi)均勻安裝4 個攝像頭即可拍攝到氣墊艙全部，將另一側(cè)片體畫上邊長2 cm 的黑白相間的正方形格子，安裝照明燈后拍攝效果清晰，安裝方式和拍攝效果如圖6和圖7所示。

圖6 攝像頭安裝位置Fig.6 Camera location

圖7 氣墊內(nèi)波形Fig.7 Waveform in the cushion

1.5 拖航試驗

本試驗在中國特種飛行器研究所拖曳水池進(jìn)行。該高速水池長510 m，池寬6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。拖車速度范圍:0.1 ～22 m/s，車速穩(wěn)定精度優(yōu)于0.2%。本試驗采用自由拖曳法進(jìn)行，實驗儀器有拖線式阻力儀、陀螺儀、拉線式線位移傳感器等。某工況下靜水阻力試驗如圖8所示。

圖8 拖航試驗Fig.8 Towing test

2 實船有效功率換算

2.1 二因次法

模型阻力換算采用二因次法，即將總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr［6］。

模型的總阻力系數(shù):

式中:Rtm為船模阻力;Sm為船模浸濕面積;下標(biāo)m 代表模型，s 代表實船，以下同。

剩余阻力系數(shù):

實船總阻力系數(shù):

式中:Cfm和CfS分別為船模與實船的摩擦阻力系數(shù)，按照ITTC-1957 公式計算。

實船在相應(yīng)速度下的總阻力:

實船有效功率:

2.2 船模濕表面積及實船有效功率計算

根據(jù)船模拖航時縱傾角和升沉的變化，通過Catia 三維建模軟件，可測量出船模的外浸濕面積，如圖9所示。

圖9 Catia 測量船模外濕表面積Fig.9 Measure outer wet surface by catia

氣墊內(nèi)濕表面積根據(jù)安裝在片體上的攝像頭拍攝到的圖像經(jīng)處理后得到。處理方法為:將四個攝像頭同時截取圖像，經(jīng)Photoshop 圖像處理軟件消除魚眼效應(yīng)，然后將4 個圖像剪切拼接在一起，以背景格子線為參照，將波形圖像處理成CAD 樣條曲線，然后用CAD 軟件計算出面積。在CAD 軟件中繪出與船體片體上相同的格子線，然后參照拍攝到的氣墊內(nèi)波形情況，用樣條曲線命令繪出濕表面積形狀，生成面域后即可計算出面積，如圖10所示。

圖10 CAD 測量船模內(nèi)濕表面積Fig.10 Measure inner wet surface by CAD

將測得的船模內(nèi)外濕表面積相加即可獲得此工況下船模的總濕表面積，用二因次法即可換算得出實船的有效功率曲線，如圖11所示。

圖11 實船有效功率曲線Fig.11 Effective power curve

4 結(jié) 語

通過試驗結(jié)果表明:本文設(shè)計的局部氣墊雙體船模型拖曳試驗的試驗方案，能夠順利完成靜水阻力試驗。試驗除測量了船模的阻力、縱傾角、重心處升沉外，還監(jiān)測了氣墊內(nèi)壓強(qiáng)的分布以及波形，并根據(jù)船模內(nèi)外吃水情況，計算出濕表面積，采用二因次法換算出實船的有效功率，對局部氣墊雙體船理論研究和船型優(yōu)化有很大意義。

［1］李莉，石玉林.世界海軍新型氣墊登陸艇縱覽［J］.當(dāng)代海軍，2007(4):53-55.

LI Li，SHI Yu-lin.Overview of the world navy new landing craft air cushion［J］.Modern Navy，2007(4):53-55.

［2］李想.幾型創(chuàng)新的兩棲艦船［J］.現(xiàn)代軍事，2008(2):33-36.

LI Xiang.Several types of innovative amphibious ships［J］.Modern Military，2008(2):33-36.

［3］鄆良.氣墊船原理與設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990.

YUN Liang.The principle and design of hovercraft［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1990.

［4］SWAAN W A，WAHAB R.The behaviour of a ground effectmachine over smooth waves［J］.Hovering Craft and Hydrofoil，1965，4(11).

［5］李云波.船舶阻力［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005.

LI Yun-bo.Ship resistance［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，2005.

［6］周廣利，黃德波，鄧銳.600 t 級深V 艇阻力性能試驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2010，31(1):59-63.

ZHOU Guang-li，HUANG De-bo，DENG Rui.Experimental investigation of resistance of a 600 t deep Veevessel［J］.Journal of Harbin Engineering University，2010，31(1):59-63.