基于 PIV 的船首氣泡下掃現(xiàn)象試驗(yàn)研究

張福民，張 勇，魏少鵬，郭春雨，趙慶新

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于 PIV 的船首氣泡下掃現(xiàn)象試驗(yàn)研究

張福民1，張 勇1，魏少鵬2，郭春雨2，趙慶新2

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

以某載人潛水器支持母船為研究對(duì)象，通過(guò)氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣泡來(lái)模擬該船在正常航行時(shí)的氣泡條件，氣泡的位置通過(guò) PIV 測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)與拍攝，從而捕捉到氣泡流的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，較為有效的顯現(xiàn)了氣泡下掃以及氣泡流跡的現(xiàn)象，同時(shí)證明了船體鄰近水域內(nèi)氣泡流跡并不是簡(jiǎn)單的水平和垂向速度的合成。

氣泡發(fā)生器；PIV；下掃；氣泡流跡

0 引 言

船舶航行過(guò)程中，破碎波產(chǎn)生的白色泡沫，浪花水滴和氣泡云是海洋中存在的普遍現(xiàn)象[1]。當(dāng)風(fēng)速大于 10 m/s（5 級(jí)及 5 級(jí)以上風(fēng)速）時(shí)，氣泡將加劇海氣相互作用，且在 1～20 kHz 頻帶內(nèi)海洋噪聲的產(chǎn)生與海洋波浪破碎產(chǎn)生的氣泡直接相關(guān)[2]。當(dāng)氣泡濃度過(guò)大時(shí)，會(huì)影響聲波在海洋中的傳播速度[3]，同時(shí)由于水的粘性，及球首自由液面壓力較低，會(huì)造成氣泡沒(méi)入水面，甚至隨流線下洗到船舶底部。這些現(xiàn)象不僅影響了船舶水下設(shè)備的工作性能，更縮減了器材的使用壽命。因此，研究水下氣泡流的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)避免氣泡所產(chǎn)生的危害有著十分重要的意義。

關(guān)于靜水中單一氣泡運(yùn)動(dòng)特性研究，對(duì)較小的氣泡，Ishii 等[4]建立了兩群界面濃度運(yùn)輸方程表征不同尺寸氣泡動(dòng)力特性，較大氣泡運(yùn)動(dòng)特性。李仲春等[5]通過(guò)高速攝像機(jī)捕捉，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到。關(guān)于氣泡群的研究，蔣炎坤等[6]通過(guò)改進(jìn)的 RKF 法獲得水下氣泡群三維運(yùn)動(dòng)特性，得出相鄰氣泡碰撞聚集成大氣泡概率低的結(jié)論。潘華辰[7]通過(guò)對(duì)不同尺度氣泡群的試驗(yàn)研究，得出了氣體流量對(duì)氣泡尺度的上升變化趨勢(shì)影響不大的結(jié)論。而在運(yùn)動(dòng)水域氣泡流軌跡研究上，2001 年 Waniewski 等[8]對(duì)船首破波氣泡流進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，得出氣泡云擾動(dòng)頻率與破波氣泡分布規(guī)律。Matias Perret 等[9]以尺度 6 m 科考船船模為選定模型，通過(guò) Double-tip sapphire 光學(xué)探針技術(shù)對(duì)船模氣泡流進(jìn)行觀測(cè)，得出了不同航速、水體鹽度工況下氣泡流運(yùn)動(dòng)軌跡及分布規(guī)律。數(shù)值模擬上，D.Rolland 等[10]進(jìn)行了夾雜空氣的氣泡流模擬得到了氣泡流的軌跡并對(duì)比多種消泡裝置的消泡效果。

已有的研究工作多從單一氣泡、氣泡云運(yùn)動(dòng)特性和分布規(guī)律上考慮，而船體型線對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性影響的研究較少，也并未對(duì)單一氣泡流沿船體表面流動(dòng)軌跡進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本試驗(yàn)中通過(guò)攝像定點(diǎn)捕捉和圖像處理技術(shù)，得出單一氣泡流運(yùn)動(dòng)軌跡及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。初步證明了船體鄰近流域內(nèi)氣泡流的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是氣泡水平和垂向速度的簡(jiǎn)單合成。這對(duì)研究船體在復(fù)雜水域氣泡流運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著一定的參考作用，對(duì)科考船流域氣泡軌跡的初步預(yù)測(cè)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)工況

圖 1 為某載人潛水器支持母船，選定該船型為氣泡測(cè)量模型。該船實(shí)船與模型具體參數(shù)見(jiàn)表 1，試驗(yàn)工況見(jiàn)表 2。

圖 1 潛水器母船的模型Fig. 1 Submersible mother ship model

表 1 載人潛水器支持母船船體參數(shù)Tab. 1 Parameters of the manned submersible mother ship

表 2 載人潛水器支持母船試驗(yàn)工況Tab. 2 Test conditions of manned submersible vessel

1.2 DANTEC 隨車式水下 PIV 測(cè)量系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)設(shè)備為粒子成像測(cè)速儀（PIV），如圖 2 所示。具體設(shè)備如下：

CCD 分辨率 2 048 × 2 048 pixels；

激光器最大脈沖能量 1 200 mJ；

激光光束持續(xù)時(shí)間 4 ns；

激光波長(zhǎng) 532～1 064 nm；

片光厚度 0.6 mm；

測(cè)量區(qū)域大小 400 mm × 400 mm；

PIV 示蹤粒子見(jiàn)圖 2，聚酰胺示蹤粒子（PSP-50 μm）。

圖 2 粒子成像測(cè)速儀（PIV）與示蹤粒子Fig. 2 Particle image velocimetry and seeding particle

圖 3 氣泵Fig. 3 Air pump

圖 4 通氣孔Fig. 4 Air vents

1.3 氣泡生成裝置

在常壓水池條件下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叨炔划a(chǎn)生或產(chǎn)生較少的氣泡，且水池水體中氣核分布狀況與實(shí)際有所不同，故而采用人工氣泡的方式來(lái)滿足船舶實(shí)際航行的氣泡條件。在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)氣泡由氣泵（見(jiàn)圖 3）產(chǎn)生，經(jīng)由通氣孔（見(jiàn)圖 4）進(jìn)入水體通氣。通氣孔安裝位置為球鼻首頂端，以距基線以上每 40 mm 一個(gè)孔位埋裝，自液面向下分別對(duì)應(yīng)氣水交界面產(chǎn)生的氣泡，破波氣泡，球首下降氣泡。拖曳試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池進(jìn)行。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

用通氣管將氣泵及船首部的通氣孔相連，通過(guò)調(diào)節(jié)氣泵閥門的大小來(lái)控制氣體的流量從而模擬出不同大小的氣泡。船體由拖曳系統(tǒng)帶動(dòng)船模并給定航速航行，Vm = 1.68 m/s（縮尺比為 14，相當(dāng)實(shí)船 12 kn），從而使得氣泡隨船體附近水域流線流動(dòng)。向水池中播撒 PIV 示蹤粒子，通過(guò)隨動(dòng) PIV 雷體發(fā)射與船體行進(jìn)方向垂直的激光片光照亮水中的粒子，通過(guò)攝像系統(tǒng)記錄照亮區(qū)域內(nèi)水域情況，進(jìn)而進(jìn)行單幀照片分析，從一次航向中取若干照片組作為此位置母船的水下氣泡生成預(yù)報(bào)。通過(guò)多次不同位置測(cè)量確定氣泡生成，發(fā)展，瀉出的狀況及流動(dòng)軌跡。本文選取 3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量區(qū)域見(jiàn)示意圖 5，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖 6所示。

圖 5 測(cè)量區(qū)域Fig. 5 Measurement area

圖 6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 6 Monitoring system

2.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)通過(guò)選取 3 點(diǎn)不同位置進(jìn)行單幀照片分析，得出對(duì)應(yīng)位置的氣泡位置，生成云圖。進(jìn)而得出某一通氣孔的連續(xù)氣泡跡線?？紤]到試驗(yàn)結(jié)果的相似性，本文以球首下降氣泡進(jìn)行單獨(dú)分析。分析結(jié)果如圖 7 所示。

在圖（a）中，氣泡區(qū)域相當(dāng)于實(shí)船聲學(xué)測(cè)量裝置后方。氣泡區(qū)域到基線的距離為 15 cm，氣泡中心區(qū)域坐標(biāo)為（45，15），在 3 個(gè)觀測(cè)面中氣泡所占區(qū)域最大。

在圖 7（b）中，氣泡區(qū)域相當(dāng)于實(shí)船聲學(xué)測(cè)量裝置前方，氣泡區(qū)域到基線的距離為 18 cm，氣泡中心區(qū)域坐標(biāo)為（28，18），在 3 個(gè)觀測(cè)面中氣泡所占區(qū)域適中。

在圖 7（c）中，氣泡區(qū)域相當(dāng)于實(shí)船球鼻首區(qū)域，氣泡區(qū)域到基線的距離為 23 cm，氣泡中心區(qū)域坐標(biāo)為（8，23），在 3 個(gè)觀測(cè)面中氣泡所占區(qū)域最小。

由 3 個(gè)觀測(cè)面氣泡流分布可知，當(dāng)氣泡沿船體隨流線運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡流逐漸向下運(yùn)動(dòng)并向四周發(fā)散，氣泡域逐步擴(kuò)大。并且由于氣泡的脈動(dòng)性不規(guī)律性，氣泡流并非單一氣泡構(gòu)成的軌跡，而是以氣泡團(tuán)的形式振蕩流動(dòng)。

2.3 結(jié)果分析

最終，根據(jù)選定點(diǎn)氣泡流動(dòng)軌跡信息得到氣泡流軌跡云圖 8。圖中船體分界線為自由液面，流線表示為氣泡流的軌跡線，可以明顯看出船舶航行時(shí)，由于氣泡本身的浮力，氣泡流先自球首上升，后可觀測(cè)到明顯的下洗現(xiàn)象，而不是靜水螺旋上升與水平航速的簡(jiǎn)單合成。氣泡流在船舯時(shí)位于船舶舭部，這對(duì)實(shí)船型線優(yōu)化前氣泡團(tuán)流經(jīng)船底有著明顯的改善，可見(jiàn)該船體型線在優(yōu)化過(guò)后，能夠一定程度減緩氣泡流的下洗，減小了對(duì)船底聲吶等可靠設(shè)備的干擾。對(duì)于氣水交界面產(chǎn)生的氣泡，破波氣泡，該船型具有同樣降低氣泡干擾的效果。

圖 7 不同截面對(duì)應(yīng)的氣泡分布Fig. 7 Bubble distribution in different section

圖 8 連續(xù)氣泡跡線Fig. 8 Trail of Continuous bubbles

3 結(jié) 語(yǔ)

本文試驗(yàn)較好驗(yàn)證了科考船在以設(shè)計(jì)航速航行時(shí)氣泡流跡的下洗現(xiàn)象，但氣泡并未下洗到船舶底部。通過(guò)攝像觀察，氣泡最終在船中舭部上浮直至最終潰滅。證實(shí)了氣泡流在船體表面的運(yùn)動(dòng)速度和方向并不是水平和垂向運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單合成，氣泡流運(yùn)動(dòng)是以氣泡團(tuán)的形式振蕩擴(kuò)散向船尾流動(dòng)的。由于試驗(yàn)條件的限制，本文僅是對(duì)單一工況下進(jìn)行基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究。對(duì)風(fēng)浪流相互耦合作用，氣泡尺寸大小及分布的不規(guī)則性，船舶不同航速不同吃水等復(fù)雜工況的后續(xù)研究本試驗(yàn)仍有很大的借鑒意義。

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Research on the test of phenomenon of bow bubbles sweeping down based on PIV

ZHANG Fu-min1, ZHANG Yong1, WEI Shao-peng2, GUO Chun-yu2, ZHAO Qing-xin2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Researching on a manned submersible carrier, producing bubbles by the bubble generator to simulate the ship sailing in the normal condition, the position of bubbles was observed and shot by the PIV measurement system. And the trajectory of the bubble flow was captured. Through analyze the results of the test, showing the phenomena of the bubbles sweeping down and the trail of the bubbles, and proves that the velocity of the bubbles was not a simple synthetic of horizontal and vertical velocity.

the bubble generator；PIV；sweep down；trail of bubble

O427.4

A

1672–7619(2016)12–0026–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.005

2016–04–05；

2016–07–07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209048)

張福民(1956–)，男，研究員，研究方向?yàn)榇翱傮w設(shè)計(jì)。