江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗(yàn)

彭晟，吳衛(wèi)國(guó)，夏子鈺

1中交二航局技術(shù)中心海洋工程技術(shù)研究室，湖北武漢4300402武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗(yàn)

彭晟1，2，吳衛(wèi)國(guó)2，夏子鈺2

1中交二航局技術(shù)中心海洋工程技術(shù)研究室，湖北武漢430040
2武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

新一代江海直達(dá)船主要呈寬扁型且吃水較淺，由江入海航行時(shí)會(huì)發(fā)生船艏底部和外飄砰擊，嚴(yán)重的砰擊會(huì)造成船舶主動(dòng)失速甚至結(jié)構(gòu)損傷，影響船舶與人員安全。傳統(tǒng)的理論和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式很難預(yù)報(bào)寬扁肥大的艏部結(jié)構(gòu)的砰擊載荷。相較于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)方法，本文基于相似理論設(shè)計(jì)了與某新型江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)相似的三維木質(zhì)模型。采用落水試驗(yàn)的方法進(jìn)行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰擊試驗(yàn)。研究江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)所受砰擊載荷特點(diǎn)，得到砰擊壓力峰值及其分布規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了小角度入水情況下（入水攻角α＜5°）的空氣墊效應(yīng)，空氣墊延緩并減小了砰擊壓力峰值。此外還回歸了0°～15°入水攻角下的底部砰擊壓力預(yù)報(bào)公式，可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考砰擊載荷的選取。

江海直達(dá)船；砰擊載荷；入水試驗(yàn)；空氣墊

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.006.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：彭晟，吳衛(wèi)國(guó)，夏子鈺.江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗(yàn)［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（4）：14-21.

PENG Sheng，WU Weiguo，XIA Ziyu.Experimental investigation on the slamming load of the flat bow of a sea-river link container ship［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：14-21.

0　引　言

實(shí)現(xiàn)江海直達(dá)通航可以更好地發(fā)揮長(zhǎng)江黃金水道的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約營(yíng)運(yùn)成本，提高航運(yùn)效率。國(guó)家“十二五”計(jì)劃中迫切需要新一代的江海直達(dá)船來(lái)提高內(nèi)河航運(yùn)效率，然而江海直達(dá)船砰擊問(wèn)題更是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文研究對(duì)象為新一代的江海直達(dá)船，上行運(yùn)輸散貨，下行兼運(yùn)集裝箱，為了滿(mǎn)足載貨要求，新設(shè)計(jì)的江海直達(dá)船結(jié)構(gòu)形式為大開(kāi)口、淺吃水肥大型船，因而其艏部結(jié)構(gòu)也呈肥大扁平型。當(dāng)船舶由江段駛?cè)牒６魏?，寬扁的艏底部和外飄結(jié)構(gòu)容易發(fā)生砰擊。輕者產(chǎn)生顫振，影響船員的工作和生活環(huán)境，重則導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)損傷，影響船舶與人員安全。此外，嚴(yán)重的砰擊還會(huì)造成船舶的主動(dòng)失速。

通常，對(duì)于砰擊問(wèn)題采用不可壓縮勢(shì)流理論來(lái)計(jì)算砰擊壓力。物體入水過(guò)程中水的可壓縮性以及結(jié)構(gòu)物表面和自由液面間的空氣墊影響都被忽略。最早Von Karman［1］提出了基于動(dòng)量守恒和附加質(zhì)量影響的砰擊壓力近似求解方法，得到了二維對(duì)稱(chēng)楔形體砰擊壓力沿某半寬方向的分布，并推導(dǎo)出只與入水速度和入水攻角有關(guān)的最大砰擊壓力預(yù)報(bào)公式。后來(lái)Wagner［2］在Von Karman的基礎(chǔ)上引入了包含射流和液面升高影響的近似解方法，還提出了小攻角近似平板理論模型求解砰擊壓力，得到了更為精準(zhǔn)的砰擊壓力預(yù)報(bào)公式。在隨后的幾十年里，眾多學(xué)者在Wagner理論基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展了不少精度更高的2D/3D入水砰擊壓力計(jì)算方法。但是，對(duì)肥大扁平物體發(fā)生的小角度（一般認(rèn)為物面與液面夾角≤5°）砰擊，由于受液面和物面困住而尚未逃逸的空氣墊影響，以上理論都無(wú)法有效預(yù)報(bào)砰擊壓力峰值及其分布。這種流體可壓縮性的影響在小角度入水砰擊中影響非常大，不能被忽略。特別是江海直達(dá)船發(fā)生砰擊時(shí)，寬扁肥大的船底撞擊自由液面會(huì)包含來(lái)不及逃逸的空氣，在船底與自由液面之間形成氣墊，同時(shí)在寬扁的底部邊緣產(chǎn)生高速射流。而現(xiàn)在的研究中很難用準(zhǔn)確的物理或者數(shù)學(xué)模型來(lái)描述自由液面與結(jié)構(gòu)交界處的噴射和空氣墊的形成、潰滅過(guò)程［1］以及其產(chǎn)生的砰擊壓力。

鑒于砰擊過(guò)程的復(fù)雜性和強(qiáng)非線(xiàn)性，對(duì)于入水砰擊的機(jī)理研究和相關(guān)理論模型的驗(yàn)證，試驗(yàn)研究無(wú)疑是目前為止預(yù)報(bào)砰擊載荷最有效可靠的方法。對(duì)于局部砰擊載荷試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用靜水自由落體試驗(yàn)，且大部分將三維砰擊簡(jiǎn)化為二維砰擊來(lái)研究砰擊壓力峰值及其分布特點(diǎn)。Chuang［3-4］進(jìn)行了系列的剛性平板、剛性楔形體、彈性體、圓錐體等不同結(jié)構(gòu)物的入水砰擊實(shí)驗(yàn)，是撞水實(shí)驗(yàn)研究方面做得比較全面的學(xué)者之一。同時(shí)，他結(jié)合了Wagner二維楔形體理論和Chuang的三維圓錐體砰擊理論，擬合得到剛性楔形體的砰擊壓力系數(shù)與斜升角之間關(guān)系的砰擊壓力預(yù)報(bào)公式，得到了在大角度（＞10°）入水砰擊情況下公式預(yù)報(bào)與傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果吻合較好的結(jié)論。

國(guó)內(nèi)學(xué)者黃震球等［5-6］試驗(yàn)研究了平底結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題，討論了減小平板砰擊壓力的結(jié)構(gòu)形式。Zhao等［7］對(duì)斜升角30°的V形楔形體以及典型的船艏外飄剖面，進(jìn)行了落體入水沖擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了砰擊壓力以及砰擊力，驗(yàn)證了其非線(xiàn)性邊界元數(shù)值計(jì)算結(jié)果。Okada和Sumi［8-9］進(jìn)行了一系列不同入水速度、入水攻角的平板入水砰擊理論和試驗(yàn)研究，根據(jù)測(cè)得的砰擊壓力曲線(xiàn)特征和不同入水攻角將砰擊分成了含空氣墊的砰擊、Wagner型砰擊和空氣墊-Wagner混合型砰擊。Tveitnes等［10］設(shè)計(jì)了特殊試驗(yàn)裝置保證楔形體以恒定速度入水，完成了入水攻角為5°～45°的系列砰擊試驗(yàn)，測(cè)試得到了砰擊力、速度、濕面系數(shù)和附加質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于在靜水面滑行的數(shù)值仿真有較大的借鑒意義。Battley等［11］進(jìn)行了平板以近似恒定速度入水砰擊的試驗(yàn)研究，討論了水彈性的影響。Huera-Huarte等［12］設(shè)計(jì)了新的試驗(yàn)裝置，研究了高速平板入水砰擊過(guò)程，測(cè)試得到了砰擊力和速度，并對(duì)小角度砰擊情況下的空氣墊效應(yīng)做了相關(guān)討論。在該試驗(yàn)中，試驗(yàn)速度最高達(dá)到5.0 m/s，入水角度從0.3°～25°，平板近似為剛性平板。試驗(yàn)結(jié)果中，大于5°入水角的結(jié)果與Tveitnes的試驗(yàn)結(jié)果和近似理論解有著較好的一致性。Engle和Lewis［13］對(duì)現(xiàn)有的5種理論、數(shù)值和試驗(yàn)的砰擊壓力預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各種方法之間仍然有很大的偏差，很難歸納出一個(gè)砰擊壓力預(yù)報(bào)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

上述砰擊試驗(yàn)中，多是將艏部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為楔形體或平板結(jié)構(gòu)，直接采用艏部結(jié)構(gòu)相似模型進(jìn)行砰擊載荷的研究較少。這樣近似方法無(wú)法真實(shí)反映船舶的砰擊發(fā)生區(qū)域和峰值的變化規(guī)律，尤其對(duì)于江海直達(dá)船這種寬扁肥大艏部結(jié)構(gòu)，其局部底部和外飄砰擊過(guò)程更為復(fù)雜。為了得到江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)砰擊載荷峰值和分布規(guī)律，本文在相似理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了江海直達(dá)船艏部三維木質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和能進(jìn)行多角度、多高度自由落水砰擊的試驗(yàn)塔架，進(jìn)行了一系列不同入水速度、入水角度（0°～15°）的靜水落體砰擊試驗(yàn)，得到了砰擊壓力峰值及其分布規(guī)律，可為江海直達(dá)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1　試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)對(duì)象為某換代江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)，具有寬扁肥大的底部和外飄結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗(yàn)中需測(cè)量砰擊壓力及入水相對(duì)速度，若要滿(mǎn)足試驗(yàn)中船模入水砰擊過(guò)程與實(shí)船砰擊過(guò)程相似，盡可能真實(shí)反映實(shí)船砰擊載荷的特征，則模型與實(shí)船須滿(mǎn)足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的關(guān)系，其中主要滿(mǎn)足Froude相似條件，主要參數(shù)相似關(guān)系如表1所示?？紤]加工便利性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媚举|(zhì)結(jié)構(gòu)，取全船艏1/10段（150#肋位至船艏）進(jìn)行模型制作，如圖2所示。同時(shí)考慮到砰擊試驗(yàn)水池的尺寸限制，模型與實(shí)船的縮尺比選取為1∶40，使模型入水時(shí)與池壁保持大于模型長(zhǎng)度2倍的距離，盡量避免池壁效應(yīng)的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)船的主尺度如表2所示。

表1　主要相似關(guān)系Tab.1　The main scales of the relative parameters

圖1　型線(xiàn)與艏艉輪廓線(xiàn)Fig.1　Profiles of the shiphull

表2　實(shí)船與船模物理量主要參數(shù)Tab.2　The main dimension of the full-scale and model-scale model

試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)沖擊試驗(yàn)水池中進(jìn)行，試驗(yàn)儀器包括高精度壓力傳感器、加速度傳感器、電子數(shù)顯角度儀、光電開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等。試驗(yàn)水池的外圍尺寸為8.90 m×4.90 m×3.15 m，內(nèi)圍尺寸為8.00 m×4.00 m×3.15 m。為了測(cè)試不同入水角度下艏部結(jié)構(gòu)砰擊載荷規(guī)律，特設(shè)計(jì)了一種新型的可用于水動(dòng)力學(xué)入水沖擊試驗(yàn)的塔架。它由桁架式的滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾輪組、固定架和可調(diào)距離連接件組成。將該塔架固定于試驗(yàn)水池正上方并與水面保持鉛垂，然后將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ趯?dǎo)軌下方，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)軌下方的連接鉸長(zhǎng)度使模型與水面保持一定角度，保證艏部結(jié)構(gòu)入水的姿態(tài)。部分儀器和裝置如圖2所示。

圖2　模型試驗(yàn)示意圖Fig.2　Model test setup

在模型底部布置了8個(gè)壓力傳感器和1個(gè)加速度傳感器，如表3和圖3所示。為了保證壓力傳感器的外部結(jié)構(gòu)不影響砰擊壓力的測(cè)量，通過(guò)在船底測(cè)量點(diǎn)貫通孔預(yù)埋螺紋基座來(lái)連接壓力傳感器，使壓力傳感器測(cè)量面與船體外表面平齊，保證模型表面光滑且型線(xiàn)與實(shí)船一致。

表3　模型測(cè)點(diǎn)位置Tab.3　The distribution of the pressure sensors

圖3　模型底部壓力測(cè)點(diǎn)分布Fig.3　The arrangement of the pressure sensors on the bottom

由于砰擊過(guò)程具有高瞬時(shí)性和局部性，測(cè)量信號(hào)的采樣頻率設(shè)為10 kHz。在測(cè)量中，首先將艏部模型裝于導(dǎo)軌下，并調(diào)節(jié)好模型與水面的攻角（α），分別使模型在距水面不同的高度以固定姿態(tài)入水發(fā)生砰擊。用布置在水面附近的光電開(kāi)關(guān)測(cè)試艏部模型入水砰擊速度，同時(shí)可以將加速度信號(hào)積分得到模型入水過(guò)程速度變化曲線(xiàn)，用壓力傳感器測(cè)試艏部模型所受的砰擊壓力?？紤]到砰擊過(guò)程的離散性，待水面完全恢復(fù)平靜后各個(gè)工況均重復(fù)5次。艏部模型試驗(yàn)的具體測(cè)試工況如表4所示。圖4所示為江海直達(dá)船艏部模型砰擊試驗(yàn)過(guò)程，艏部結(jié)構(gòu)在設(shè)定高度下自由落體以一定的速度撞擊水面發(fā)生砰擊，共完成了各種工況下至少160次入水砰擊試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在較大入水角度情況下，測(cè)試結(jié)果具有較好的可重復(fù)性；在小角度情況下時(shí)，測(cè)得結(jié)果則具有一定的離散性。同時(shí)，試驗(yàn)也得到了2種較為典型的砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，與Okada和Sumi［9］定義的3種典型砰擊壓力類(lèi)型特征大致相符。艏部結(jié)構(gòu)發(fā)生有角度砰擊（α≥5°）時(shí)，砰擊壓力呈Wagner型；當(dāng)艏部結(jié)構(gòu)垂直入水（α=0°）時(shí)，砰擊壓力呈含空氣墊效應(yīng)型，但與Okada和Sumi定義的略有區(qū)別，砰擊壓力并未出現(xiàn)平緩狀，而是在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)震蕩的正、負(fù)峰值（負(fù)壓），如圖5～圖7所示。圖5和圖6中左、右縱坐標(biāo)分別表示砰擊壓力和速度，實(shí)線(xiàn)表示P4測(cè)點(diǎn)的砰擊壓力變化，虛線(xiàn)表示模型下落速度Vi變化，橫坐標(biāo)為時(shí)間t。模型入水后，從艏至艉的測(cè)點(diǎn)先后達(dá)到砰擊壓力峰值，沿縱向方向上同一位置的測(cè)點(diǎn)幾乎在同一時(shí)刻達(dá)到峰值，如圖7所示。

表4　試驗(yàn)工況Tab.4　The summary of experimental sets

圖4　船艏部模型入水砰擊過(guò)程Fig.4　The process of the water entry of the bow model

圖5　模型在入水角為0°時(shí)P4測(cè)點(diǎn)砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，入水速度v0=2.5 m/sFig.5　The time histories of the slamming pressure and velocity （impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=0°）

圖6　模型在入水角為5°時(shí)P4測(cè)點(diǎn)砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，入水速度v0=2.5 m/sFig.6　The time histories of the slamming pressure and velocity （impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=5°）

圖7　模型在入水角為5°時(shí)底部各測(cè)點(diǎn)砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，入水速度v0=2.5 m/sFig.7　The time histories of the slamming pressures（impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=5°）

圖5和圖6分別給出了試驗(yàn)過(guò)程中艏部模型在落高為0.5 m，攻角分別為0°和5°入水發(fā)生砰擊所測(cè)得的最大砰擊壓力和速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)。該角度下的砰擊壓力時(shí)間歷程是典型的Wagner型的砰擊。模型自由下落后加速撞向水面，模型速度達(dá)到最大值時(shí)底部剛好碰到水面發(fā)生砰擊，隨即砰擊壓力迅速增大到峰值，這一過(guò)程的持續(xù)時(shí)間很短，隨后在水動(dòng)力和浮力共同作用下，艏部結(jié)構(gòu)底部壓力逐漸減小到0并趨于穩(wěn)定。圖7所示為模型入水砰擊過(guò)程中，不同測(cè)點(diǎn)砰擊壓力隨時(shí)間的變化，其中縱坐標(biāo)為砰擊壓力P，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，不同顏色實(shí)線(xiàn)表示了不同位置測(cè)點(diǎn)所測(cè)的砰擊壓力。圖7所示的入水過(guò)程中模型底部各測(cè)點(diǎn)砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，隨著模型的逐步入水，自艏向船舯處先后出現(xiàn)脈沖壓力峰值；由于模型寬扁的底部保證了流動(dòng)的二維性，沿寬度方向的測(cè)點(diǎn)砰擊壓力峰值幾乎是同時(shí)發(fā)生的。

圖8分別給出模型以v0=2.5 m/s入水速度在0°，5°，10°和15°入水攻角沖擊靜水面時(shí)的船底中心P4壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，其中縱坐標(biāo)為無(wú)因次化后的砰擊壓力系數(shù)，橫坐標(biāo)為時(shí)間。從圖8中可以明顯看出，當(dāng)艏部模型垂直入水時(shí)（α=0°），其砰擊壓力時(shí)程曲線(xiàn)與其他入水角度的砰擊壓力時(shí)程曲線(xiàn)完全不同。這是因?yàn)轸疾磕Ｐ驮谌胨^(guò)程中發(fā)生了明顯空氣墊效應(yīng)和空化現(xiàn)象。由圖8可知，模型速度達(dá)到最大值前底部砰擊壓力已經(jīng)形成了第一個(gè)峰值，隨著速度減小到0 m/s模型反向加速，底部又形成第二個(gè)峰值。這是由于江海直達(dá)船艏部模型具有較為寬扁肥大的底部結(jié)構(gòu)，在其入水過(guò)程中，模型底部和水面之間極易包裹住一部分來(lái)不及逃逸的空氣形成空氣墊，空氣墊中的空氣被壓縮后導(dǎo)致模型底部表面壓力迅速升高，形成了第一個(gè)壓力峰值?？諝鈮|形成的沖擊波到達(dá)水面后，使得水面快速上升，并在模型底部水域產(chǎn)生很多空泡層（與Chung［14］等試驗(yàn)中拍攝到的平板入水產(chǎn)生的氣泡類(lèi)似）。隨著模型進(jìn)一步浸入水中，氣泡隨其周?chē)后w進(jìn)入壓力較高區(qū)域時(shí)，原空泡周?chē)囊后w向著氣泡的中心沖去形成的水動(dòng)力使氣泡破裂，高速液體的互相沖撞會(huì)造成局部壓力驟升并引起噪音（試驗(yàn)中只有0°角入水時(shí)伴有較大的拍擊聲），氣泡在沖擊狀態(tài)下反復(fù)地被破壞和產(chǎn)生，造成了模型底部震蕩的壓力分布，如圖8所示。隨后在水動(dòng)力和浮力共同作用下，艏部結(jié)構(gòu)底部壓力逐漸減小到0 kPa并趨于穩(wěn)定。當(dāng)入水角度增大時(shí)（α=10°，15°），其砰擊壓力特性和5°入水角時(shí)保持一致，具有較強(qiáng)的瞬時(shí)性，只是砰擊壓力峰值變小而砰擊壓力持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。

圖8　P4測(cè)點(diǎn)在不同入水角度下砰擊壓力時(shí)間歷程曲線(xiàn)，入水速度v0=2.5 m/sFig.8　The time histories of the P4 with different water entry angles（impact velocityv0=2.5 m/s）

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)后，得到了艏部結(jié)構(gòu)以0°，5°，10°和15°入水角度在不同入水速度下的底部砰擊壓力峰值。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用無(wú)量綱化分析，假設(shè)艏部模型是剛性的（由于木質(zhì)結(jié)構(gòu)局部較大的剛性而忽略水彈性影響），也不考慮入水過(guò)程中水的可壓縮性，認(rèn)為入水砰擊載荷只與水的密度ρ、入水物的重量m、入水速度v0、入水物體的特征尺度L、入水角度α和砰擊持續(xù)時(shí)間Δt有關(guān)。其中砰擊持續(xù)時(shí)間定義為從結(jié)構(gòu)物觸水開(kāi)始到結(jié)構(gòu)物速度為0（或者砰擊載荷為0）的時(shí)刻。因此，可以將砰擊壓力P表達(dá)成這些變量組成的函數(shù)：

根據(jù)Von Karman［1］和Wagner［2］的砰擊壓力預(yù)報(bào)公式可知，

圖9　艏部模型底部（左舷）砰擊壓力分布（入水速度v0=3.0 m/s，入水角度α=0°）Fig.9　The arrangement of slamming pressure on the bottom of the bow section（impact velocityv0=3.0 m/s，water entry angleα=0°）

則砰擊壓力系數(shù)可以表示為

圖10　艏部模型底部P4測(cè)點(diǎn)砰擊壓力峰在不同入水角度和速度下的砰擊壓力系數(shù)Fig.10　The slamming pressure coefficients of the P4 with different water entry velocities and angles

圖9所示為船艏結(jié)構(gòu)底部砰擊壓力沿船長(zhǎng)和半寬b方向的分布圖，即從0.86Lpp處（Lpp為垂線(xiàn)間長(zhǎng)）自艉向艏（x方向）砰擊壓力系數(shù)逐漸減小，自船舯縱線(xiàn)向船寬方向（y方向）砰擊壓力系數(shù)也是逐漸減小的，這樣單反向的壓力分布規(guī)律與傳統(tǒng)平板入水理論中砰擊壓力分布規(guī)律是一致的［9］。而整個(gè)艏部結(jié)構(gòu)底部砰擊壓力呈現(xiàn)類(lèi)似于“熱島效應(yīng)”的分布規(guī)律，即船底中心處壓力峰值最大，沿長(zhǎng)度方向和寬度方向逐漸減小。圖10所示為砰擊系數(shù)入水速度和角度間的關(guān)系圖，隨著入水速度和入水角度的增大，砰擊壓力系數(shù)隨之減小。但是，由于空氣墊和空化效應(yīng)的影響，在入水角度為0°時(shí)的砰擊壓力系數(shù)并不是最大的。圖11所示為在入水速度為2.5 m/s時(shí)不同入水攻角下的砰擊壓力系數(shù)。實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別表示砰擊壓力系數(shù)沿船寬和船長(zhǎng)方向的變化規(guī)律。由圖可看出，在小角度砰擊時(shí)（α=0°或5°）砰擊壓力沿船長(zhǎng)和船寬遞減幅度較大，隨著入水角度的增大（α≥10°），壓力沿船長(zhǎng)和船寬方向變化變緩而趨于均布。這是由艏部模型寬扁肥大的底部結(jié)構(gòu)形式所致，在小角度砰擊時(shí)，底部中心更容易發(fā)生空氣墊和空化效應(yīng)，受到較大的瞬態(tài)沖擊力作用，遠(yuǎn)離中心處流動(dòng)速度小，因而邊緣處壓力較??；在大角度砰擊時(shí)，艏部結(jié)構(gòu)沿船長(zhǎng)方向的入水砰擊特性與傳統(tǒng)楔形體類(lèi)似，較長(zhǎng)的寬度保證了流動(dòng)的二維性，使砰擊壓力沿寬度方向分布較均勻。

圖11　砰擊壓力沿艏部模型長(zhǎng)度方向和寬度方向分布規(guī)律入水速度v0=2.5 m/sFig.11　The longitudinal and transverse arrangements of slamming pressure on the bottom of the bow section（impact velocityv0=2.5 m/s）

圖12所示為試驗(yàn)中測(cè)得的模型底部中最大砰擊壓力和傳統(tǒng)的Wagner［2］理論、Chuang［3-4］的試驗(yàn)結(jié)果（對(duì)應(yīng)圖中右邊坐標(biāo)值）以及Okada［8-9］等的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果（對(duì)應(yīng)圖中左邊坐標(biāo)值）。由圖可知，試驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)的Wagner理論、Chuang試驗(yàn)回歸的砰擊壓力預(yù)報(bào)公式計(jì)算得到的結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)，但數(shù)值上兩者相差較大。相比于Okada預(yù)報(bào)得到的砰擊壓力系數(shù)，兩者在大于5°入水角時(shí)的趨勢(shì)保持一致，本試驗(yàn)結(jié)果略大。但在0°入水角時(shí)，本試驗(yàn)測(cè)得數(shù)值又遠(yuǎn)小于其結(jié)果。而與Tveitnes［10］的試驗(yàn)結(jié)果相比（α=5°～15°范圍內(nèi)），本文試驗(yàn)結(jié)果偏小。產(chǎn)生這種結(jié)果可能是由砰擊壓力較強(qiáng)的非線(xiàn)性和局部性造成的，試驗(yàn)采用的壓力傳感器測(cè)試面尺寸直徑12 mm，試驗(yàn)中測(cè)得的壓力可能并不一定是船體表面真實(shí)壓力的最大值。特別是在小角度入水砰擊中，空氣墊和空化效應(yīng)的影響使得底部壓力在分布和幅值上具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和離散型。同時(shí)，由于模型底部型線(xiàn)并非絕對(duì)的平板結(jié)構(gòu)，底舭部略為上升的型線(xiàn)使得入水后射流的流速和模型入水產(chǎn)生的附加質(zhì)量都比平板結(jié)構(gòu)入水的情況小，砰擊壓力系數(shù)隨之減小。對(duì)于大角度入水砰擊（≥5°），本試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿胨畬?shí)際上可以等效為傳統(tǒng)楔形體中沿寬度方向的一半入水的過(guò)程，因而在采用傳統(tǒng)理論和試驗(yàn)的預(yù)報(bào)公式計(jì)算砰擊壓力系數(shù)時(shí)，由于交界處流場(chǎng)流速和附加質(zhì)量的減小以及濕表面寬度的變化而產(chǎn)生偏差。如圖12所示，目前主要的砰擊壓力計(jì)算公式都無(wú)法有效預(yù)報(bào)此類(lèi)寬扁肥大船型底部砰擊壓力，本文對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸得出了各入水角度下底部最大砰擊壓力的預(yù)報(bào)公式，如圖13和表5所示。

圖12　底部最大砰擊壓力（v0=3.0 m/s）Fig.12　The max slamming pressure with different water entry angles（impact velocityv0=3.0 m/s）

圖13　各入水角度下底部最大砰擊壓力Fig.13　The regression analysis of the max slamming pressure

表5　3D船艏部結(jié)構(gòu)砰擊試驗(yàn)得到的壓力峰值預(yù)報(bào)公式Tab.5　Regression equations of the slamming pressure from the present experiments

3　結(jié)　論

本文介紹了一種針對(duì)典型江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)的新型三維結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了不同角度、不同速度等工況下的砰擊載荷試驗(yàn)。得到了艏部底部砰擊壓力峰值和分布特性，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論：

1）江海直達(dá)船底部較為肥大，砰擊壓力和傳統(tǒng)平板結(jié)構(gòu)入水特性相似，隨入水速度的增大砰擊壓力增大；在入水角度為5°時(shí)，砰擊壓力峰值最大；由于底部寬扁肥大，在入水過(guò)程中可能會(huì)夾雜部分空氣在船底和水面之間形成氣墊，并在入水過(guò)程中發(fā)生空化效應(yīng)，造成底部結(jié)構(gòu)壓力在入水角度為0°時(shí)要小于入水角度為5°的情況；隨著角度增大，底部最大砰擊壓力又逐步減小，且其壓力分布符合傳統(tǒng)的Wagner型砰擊的壓力分布特點(diǎn)。

2）此類(lèi)寬扁肥大型船艏底部結(jié)構(gòu)砰擊壓力呈現(xiàn)類(lèi)似于“熱島效應(yīng)”的分布規(guī)律，即船底中心處壓力峰值最大，沿長(zhǎng)度方向和寬度方向逐漸減小。隨著入水角度的增大，這一現(xiàn)象略有減小，特別是入水角度＞10°后，整個(gè)底部結(jié)構(gòu)的壓力峰值分布較為均勻，不再沿長(zhǎng)度和寬度方向衰減。

3）通過(guò)試驗(yàn)得到了此類(lèi)寬扁肥大船型艏部結(jié)構(gòu)底部砰擊壓力分布特點(diǎn)，并回歸了0°～15°入水攻角下的砰擊壓力預(yù)報(bào)公式，可供局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考砰擊載荷的選取。

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Experimental investigation on the slamming load of the flat bow of a sea-river link container ship

PENG Sheng1，2，WU Weiguo2，XIA Ziyu2

1 Technology Center，CCCC Second Harbour Engineering Co.Ltd.，Wuhan 430040，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

Slamming phenomenon is a transient process，generating a large impact pressure within a very short duration，which could cause fatigue or deformation of the local structure，even severe structural failure or collapse.Due to the limitation and restrictions on the inland waterway，the new designed sea-river linked ship has a more flat and little draught ship type，which would rise more serious slamming problems when the ship sails from the river into the sea.The slamming load conventionally are investigated within the simplified water entry theories and experiments of wedges and plates.Respect to the flat blunt bow，these theories and experimental methods could not predict the slamming pressure well.In the present paper，a three dimensional wooden model of the bow was adopted，and a series of free-fall water entry experiments with different heights and impact angles were carried out.The slamming pressure and its distributions of the bow of a new sea-river linked ship were obtained，as well as the slamming pressure regression formulas based on the experimental results.In the meanwhile，the air cushion was found between the bottom and the water surface in the case of impact angleα＜5°，and could postpone and reduce the slamming peak pressure.

sea-river linked ship；slamming load；free fall water entry experiment；air cushion

U661.73

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.003

2015-05-29網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-7-29 9:45

工信部高技術(shù)船舶項(xiàng)目

彭晟（通信作者），男，1985年生，博士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程流固耦合問(wèn)題。

E-mail：pengsheng919@163.com

吳衛(wèi)國(guó)，男，1960年生，碩士，教授。研究方向：船舶振動(dòng)與噪聲控制，結(jié)構(gòu)安全性與可靠性，

結(jié)構(gòu)動(dòng)力與穩(wěn)定性研究。E-mail:mailjt@163.com