船艇堵漏器材水壓環(huán)境與載荷分析

李敏堂，隋 博，孫 棟，常 健

(軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161)

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)BasicScience&Technology

船艇堵漏器材水壓環(huán)境與載荷分析

李敏堂，隋 博，孫 棟，常 健

(軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161)

為優(yōu)化堵漏器材型譜、改進(jìn)堵漏器材設(shè)計(jì)，針對(duì)陸軍船艇的使用環(huán)境，分析堵漏時(shí)和堵漏后船艇堵漏器材面臨的水壓環(huán)境，探討船艇發(fā)生破損時(shí)船體破口部位由于工作水深、水流速度以及破口形狀和尺寸等因素對(duì)進(jìn)水水壓的影響，建立堵漏時(shí)和堵漏后的水壓試驗(yàn)條件。并針對(duì)不同類型船艇堵漏器材的構(gòu)造特點(diǎn)，推導(dǎo)相應(yīng)的水壓載荷理論計(jì)算公式，繪制典型水壓載荷曲線，為船艇堵漏器材試制試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

船艇堵漏器材；船體破口；水壓載荷；水流沖擊力

陸軍船艇在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下極易遭敵攻擊而產(chǎn)生破損，需要配備必要的堵漏器材，用于在船體發(fā)生破損時(shí)實(shí)施應(yīng)急堵漏。船艇堵漏器材的研制，理論上要經(jīng)過(guò)實(shí)船試驗(yàn)，但通過(guò)實(shí)船人為制造破口來(lái)試驗(yàn)其堵漏性能，可能會(huì)引發(fā)各種意想不到的次生災(zāi)害，當(dāng)超出堵漏器材的堵漏范圍時(shí)，甚至?xí)l(fā)生船沉人亡的災(zāi)難。因此，船艇堵漏器材通常是通過(guò)模擬環(huán)境來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的，其中水壓環(huán)境與載荷分析是建立模擬環(huán)境并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)堵漏器材水壓理論和試驗(yàn)方面的研究近年來(lái)主要集中在海軍艦船方面[1-2]，也有針對(duì)某一種堵漏器材進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)方面的相關(guān)探討[3-4]，但對(duì)陸軍船艇堵漏方面的研究卻很少，且由于海軍艦船和陸軍船艇的使用環(huán)境有所不同，兩者的堵漏器材水壓載荷有較大差別。因此，有必要針對(duì)船艇堵漏器材工作時(shí)所處的水壓環(huán)境，進(jìn)行相應(yīng)的水壓載荷分析，為船艇堵漏器材試制試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 水壓環(huán)境分析

船艇堵漏器材主要用于陸軍沿海和內(nèi)河船艇的船體破損堵漏，其工作水深、適應(yīng)流速、破口形式及尺寸等是影響破口部位進(jìn)水壓力的關(guān)鍵因素。

1.1工作水深

船體破口位于水線以下越深，進(jìn)水水壓越大。因此，船艇堵漏器材的工作水深通常依據(jù)船艇的吃水來(lái)確定。陸軍船艇噸位一般較小，吃水也較淺，大多在3 m以內(nèi)。比如，編配數(shù)量較多的271型系列登陸艇，滿載吃水均在2.4 m以內(nèi)，069型和067型登陸艇，滿載吃水均在1.6 m以內(nèi)，根據(jù)這些船艇的堵漏需要，確定船艇堵漏器材的最大工作水深為3 m。如玻璃鋼邊防巡邏艇等玻璃鋼類船艇，吃水一般在1 m左右，故其配備的堵漏器材最大工作水深可確定為1 m。

1.2適應(yīng)流速

船艇破口部位的水流速度對(duì)破口進(jìn)水水壓也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。由于船艇堵漏作業(yè)時(shí)通常是在船艇停航狀態(tài)下進(jìn)行，此時(shí)船側(cè)的水流速度一般按3 kn來(lái)計(jì)算。完成堵漏后，如果船艇航速過(guò)快，破口處水壓過(guò)大，會(huì)引起堵漏器材脫落或損壞。271型系列登陸艇最高航速為15 kn，069型和067型登陸艇最高航速不超過(guò)12 kn。理論上應(yīng)該按最高航速確定船艇堵漏器材的最大適應(yīng)流速，但實(shí)際中為了安全起見，當(dāng)船艇堵漏后自航或拖航時(shí)，一般要求慢速航行，此時(shí)破損部位的水流速度為船艇航行和水流的共同作用，可確定完成堵漏后堵漏器材的最大適應(yīng)流速為10 kn。

1.3破口形式及尺寸

船體破口主要有破洞和裂縫兩種形式。破洞一般分為小型、中型和大型破洞，形狀主要有圓形、長(zhǎng)條形、矩形和其他不規(guī)則形狀。小型破洞通常是由小口徑炮彈爆炸、彈片擊穿和100 mm以下口徑的穿甲彈造成的，直徑通常在250 mm以下；中型破洞通常是由76～100 mm爆破彈和130 mm穿甲彈造成的，直徑在250～500 mm之間；大型破洞主要是由魚雷、導(dǎo)彈、火箭彈等攻擊造成的，面積一般在0.5 m2以上。船體裂縫通常是由于船內(nèi)發(fā)生劇烈爆炸和船體急劇振動(dòng)等引起的，一般呈不規(guī)則長(zhǎng)條狀，大多發(fā)生在船艇內(nèi)部和艙室底部。綜合考慮平戰(zhàn)時(shí)陸軍船艇破口形狀和尺寸的可能性以及堵漏作業(yè)人員對(duì)進(jìn)水水壓的實(shí)際承受能力，確定船艇堵漏器材適應(yīng)破洞直徑不超過(guò)400 mm，裂縫寬度不超過(guò)50 mm。

2 水壓載荷分析

2.1破口處海(河)水壓強(qiáng)

對(duì)船體破口處海(河)水產(chǎn)生的壓強(qiáng)進(jìn)行分析，既可用于水壓載荷計(jì)算，也有利于建立統(tǒng)一的水壓試驗(yàn)條件，為船艇堵漏器材的試驗(yàn)提供考核標(biāo)準(zhǔn)。由于船艇堵漏器材在堵漏時(shí)和完成堵漏后面臨的水壓環(huán)境不同，因此其兩種工況下的水壓試驗(yàn)條件也有所不同，需分別進(jìn)行考慮。船體破口進(jìn)水水流狀態(tài)如圖1所示。

2.1.1堵漏作業(yè)工況

堵漏作業(yè)時(shí)，船艇處于靜止?fàn)顟B(tài)，船體破口處海(河)水產(chǎn)生的壓強(qiáng)大小只與堵漏器材工作水深和船側(cè)水流速度有關(guān)。船體發(fā)生破損后，作用在破口中心處的進(jìn)水壓強(qiáng)P1，既包括由于破口水深產(chǎn)生的靜水壓強(qiáng)Pa1，也包括由于船側(cè)水流速度產(chǎn)生的動(dòng)水壓強(qiáng)Pb1，即

P1=Pa1+Pb1

由于靜水壓強(qiáng)Pa1的大小與破口中心位置在水下的深度成正比，根據(jù)流體靜力學(xué)的基本方程，有

Pa1=ρgH0

式中：Pa1為堵漏時(shí)破口處的靜水壓強(qiáng)，Pa；ρ為海(河)水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H0為破口中心至舷外水面高度，m。

堵漏時(shí)船側(cè)水流速度引起的動(dòng)水壓強(qiáng)Pb1與水流速度的平方成正比，在此考慮極限工況，即破口平面與水流速度垂直，則有

式中：pb1動(dòng)為動(dòng)水壓強(qiáng)，Pa；v0為船側(cè)水流速度，m/s。

則堵漏時(shí)作用在船體破口處總的進(jìn)水壓強(qiáng)為

此外，若流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)為ζ0，按照薄壁小孔恒定出流公式，還可得到進(jìn)水壓強(qiáng)P1產(chǎn)生的進(jìn)水水流速度v1為

若船體破口面積為S0，過(guò)流斷面收縮系數(shù)為ε，則船體破口的過(guò)流斷面面積為εS0，而進(jìn)水壓強(qiáng)P1產(chǎn)生的破口進(jìn)水流量為

2.1.2堵漏后工況

完成堵漏后，堵漏器材便與船殼形成一個(gè)整體，此時(shí)，船艇會(huì)恢復(fù)其巡航速度，堵漏器材堵漏后承受的靜水壓強(qiáng)Pa2和動(dòng)水壓強(qiáng)Pb2同堵漏時(shí)的工況類似，區(qū)別在于船艇航行和水流流動(dòng)共同作用下的船側(cè)水流速度vb會(huì)明顯大于船艇靜止時(shí)的船側(cè)水流速度v0，則有

Pa2=Pa1=ρgH0

此外，船艇很有可能會(huì)頂浪前行，受到波浪沖擊力作用于堵漏面產(chǎn)生的壓強(qiáng)Pc的作用。波浪沖擊力是因波浪作用在堵漏面上產(chǎn)生的水壓力，由于近海岸的波浪沖擊力要較海上大一些，且陸軍船艇通常航行在距海岸比較近的地方，因此，其影響不能忽略。波浪沖擊力數(shù)值范圍較大，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定。綜合考慮陸軍船艇所處的航行環(huán)境，本文按單位破口面積上波浪沖擊力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為5×104Pa進(jìn)行計(jì)算，則有Pc=5×104Pa。

根據(jù)以上分析，得到堵漏后作用于船體破口處總的進(jìn)水壓強(qiáng)為

2.2堵漏器材海(河)水壓力

在相同的海(河)水壓強(qiáng)條件下，不同結(jié)構(gòu)形式和尺寸的船艇堵漏器材，其堵漏作業(yè)時(shí)受到的進(jìn)水水流沖擊力以及完成堵漏后所承受的船外水壓力也不相同。因此，需要根據(jù)船艇堵漏器材的構(gòu)造特點(diǎn)以及破口大小，分析其相應(yīng)的水壓載荷。

2.2.1堵漏作業(yè)工況

堵漏作業(yè)時(shí)，作用于堵漏器材上的水壓載荷表現(xiàn)為水流沖擊力，其在工程上通常借助流體力學(xué)中的動(dòng)量方程來(lái)求解，即利用單位時(shí)間內(nèi)兩個(gè)過(guò)流斷面的動(dòng)量差與流段上所有外力的代數(shù)和相等這一平衡條件列動(dòng)量方程。假設(shè)忽略水流重力、水流與堵漏器材接觸面的摩擦力，若入流斷面為1，出流斷面為2，水流沿x方向垂直于堵漏面沖擊堵漏器材，則其在x方向上的動(dòng)量方程為[5]

β2ρQ2v2-β1ρQ1v1=∑F

(1)

式中：β為過(guò)流斷面的動(dòng)量修正系數(shù)；Q為過(guò)流斷面的總流量，m3/s；v為過(guò)流斷面的平均流速，m/s；∑F為兩個(gè)過(guò)流斷面間流段上所有外力的和，N。

目前，船艇堵漏器材主要有堵漏板、堵漏墊、堵漏箱、堵漏釜、堵漏傘、堵漏袋等，可按其構(gòu)造特點(diǎn)劃分為堵漏板(墊)、堵漏箱(釜)和堵漏傘(袋)3類，分別分析其受到的水流沖擊力情況。

(1)堵漏板(墊)。堵漏板或堵漏墊堵漏作業(yè)時(shí)，其與進(jìn)水水流的接觸面均可視為平面，進(jìn)水水流沖擊到堵漏板(墊)上后，會(huì)沿接觸面向四周分流，其出流流向與進(jìn)流流向呈90°，因此，x方向上的v2為零。若破口面積為S0，取β2=β1，由式(1)得到作用到堵漏板(墊)上的水流沖擊力F′為

F′=-∑F=-(0-β1ρQ1v1)=

(2)

(2)堵漏箱(釜)。堵漏箱或堵漏釜堵漏作業(yè)時(shí)，其與進(jìn)水水流的接觸面均為凹形，水流沖擊到堵漏箱(釜)底面后，會(huì)沿底板面向四周分流，并沿側(cè)壁流向后方，因此，其出流流向與進(jìn)流流向呈180°，有v2=-v1，Q2=Q1。假定破口面積同為S0，取β2=β1，代入式(1)中，可得作用到堵漏箱(釜)上的水流沖擊力F′為

F′=-∑F=-(-β1ρQ1v1-β1ρQ1v1)=

(3)

(3)堵漏傘(袋)。堵漏傘或堵漏袋堵漏作業(yè)時(shí)，傘面或袋體均處于收縮狀態(tài)，其端部的迎水面面積S′均小于破口面積，即傘面或袋體端部承受部分進(jìn)水水流的水流沖擊力。此時(shí)，進(jìn)水水流一部分(其斷面面積等于迎水面面積S′)受到堵漏傘(袋)端部的阻擋改變水流方向，另一部分(其斷面面積等于破口面積S0減去迎水面面積S′)水流方向不變。由于進(jìn)水水流發(fā)生動(dòng)量改變的僅是迎水面面積部分，因此，若將端部與進(jìn)水水流的接觸面視為平面，則迎水面處的出流方向與進(jìn)流方向呈90°，則在端部迎水面上，x方向上的v2為零，其他進(jìn)水水流方向不變。實(shí)際堵漏中，端部與進(jìn)水水流的接觸面通常為凸形，且端部迎面截面的面積越小、形狀越順滑，其承受的水流沖擊力越小。假設(shè)堵漏傘傘面或堵漏袋袋體收縮狀態(tài)時(shí)迎水面對(duì)進(jìn)水水流沖擊力的形狀影響系數(shù)為α(α≤1)，則作用到堵漏傘(袋)上的水流沖擊力F′為

F′=-∑F=-α(-ρβ1Q1v1)=αβ1ρQ1v1=

(4)

2.2.2堵漏后工況

完成堵漏后，堵漏器材將承受由于工作水深產(chǎn)生的靜水壓力和船艇航行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力以及波浪沖擊力。對(duì)于堵漏板(墊)來(lái)說(shuō)，此時(shí)水壓作用于堵漏面的面積即等于船體破口面積S0，則堵漏板(墊)承受的水壓載荷為

(5)

堵漏箱(釜)完成堵漏后，由于堵漏面為凹形，水會(huì)充滿凹部空間，其側(cè)面承受的水壓載荷相互抵消，而底面承壓面的面積即等于堵漏箱(釜)的底部面積或敞口面積S，則堵漏箱(釜)承受的水壓載荷為

(6)

堵漏傘打開后，傘面依托傘骨壓緊船體外側(cè)，其承壓面的面積即等于船體破口面積S0；堵漏袋充氣膨脹后，袋體壓緊在船體外側(cè)，其承壓面的面積也等于S0，則堵漏傘(墊)承受的水壓載荷與堵漏板(墊)相同，其水壓載荷公式同式(5)。

3 載荷曲線實(shí)例分析

通過(guò)給定水壓環(huán)境條件，利用水壓載荷公式，可計(jì)算得到各型船艇堵漏器材在堵漏時(shí)和完成堵漏后的水壓載荷曲線，用于對(duì)不同類型船艇堵漏器材在不同工況下的水壓載荷情況有更清晰的認(rèn)識(shí)。假設(shè)船體破口為圓形，破口直徑最大為400 mm，最大工作水深為3 m，堵漏時(shí)船側(cè)水流速度為3 kn，堵漏后船側(cè)水流速度為10 kn，堵漏板(墊)、堵漏箱(釜)底板內(nèi)表面面積為0.2 m2，堵漏傘(袋)傘面和氣囊展開直徑均為500 mm(收縮后直徑均為150 mm)，堵漏傘(袋)形狀影響系數(shù)α為0.6，堵漏器材所處的水壓環(huán)境參數(shù)取值見表1。

表1 水壓環(huán)境參數(shù)取值

根據(jù)式(2)，可得到堵漏板(墊)堵漏作業(yè)時(shí)所承受的水流沖擊力隨工作水深和船體破口尺寸變化的載荷曲線(如圖2所示)。隨著破口尺寸的加大，堵漏板(墊)承受的水流沖擊力隨著工作水深的增加而快速增大。

圖2 堵漏板(墊)堵漏時(shí)載荷曲線

根據(jù)式(3)和(4)，可得到堵漏箱(釜)、堵漏傘(袋)堵漏作業(yè)時(shí)所承受的水流沖擊力隨工作水深和船體破口尺寸變化的載荷曲線(如圖3所示)?？梢钥闯觯瑘D3中的堵漏箱(釜)的載荷曲線變化趨勢(shì)與圖2類似，但量值上相差很大，而堵漏傘(袋)的載荷曲線只與其收縮后直徑大小有關(guān)，不受破口尺寸變化影響，量值較小，變化也很平緩。

圖3 堵漏箱(釜)、堵漏傘(袋)堵漏時(shí)載荷曲線

根據(jù)式(5)和(6)，可得到堵漏板(墊)、堵漏箱(釜)、堵漏傘(袋)完成堵漏后所承受的船外水壓力隨工作水深和船體破口尺寸變化的載荷曲線(如圖4所示)。圖4中，堵漏板(墊)和堵漏傘(袋)有相同的載荷曲線，但載荷曲線變化趨勢(shì)均較堵漏時(shí)的平緩，而堵漏箱(釜)的載荷曲線只與其底板面積大小有關(guān)，不受破口尺寸變化影響，始終保持在最大值。

圖4 三類器材堵漏后載荷曲線

由圖2～圖4還可以看出，在相同的工作水深、適應(yīng)流速和船體破口尺寸情況下，堵漏板(墊)、堵漏箱(釜)、堵漏傘(袋)3類器材在堵漏時(shí)和完成堵漏后所承受的水壓載荷均有較大不同。為便于直觀對(duì)比，將3類器材在工作水深3 m、破口直徑為300 mm時(shí)的水壓載荷單獨(dú)列出進(jìn)行量值比較(如圖5所示)。

圖5 3類器材同水壓條件下載荷量值比較

通過(guò)水壓載荷曲線分析，可得到以下結(jié)論：

(1) 船艇堵漏器材堵漏時(shí)和堵漏后的載荷曲線變化趨勢(shì)類似，但由于不同類型堵漏器材結(jié)構(gòu)形式的不同，其堵漏時(shí)所受水流沖擊力和堵漏后的水壓載荷在量值上相差很大。

(2) 堵漏箱(釜)由于存在凹形空間，雖然能夠封堵翻邊向內(nèi)或向外的船體破口，但其堵漏作業(yè)時(shí)的水流沖擊力約為堵漏板(墊)的2倍，且堵漏后的海(河)水壓力也始終保持在最大值。因此，在船體破口翻邊向外的情況下，應(yīng)盡量采用堵漏板或堵漏墊實(shí)施堵漏。

(3) 堵漏傘(袋)屬于可在艙內(nèi)操作的舷外堵漏器材，借助船外水壓實(shí)施堵漏，堵漏作業(yè)時(shí)的水流沖擊力和堵漏后的海(河)水壓力均小于堵漏板(墊)，更遠(yuǎn)小于堵漏箱(釜)，適宜大型破口堵漏。

(4) 堵漏傘(袋)堵漏時(shí)所受的水流沖擊力不受破口尺寸大小影響，但端部形狀對(duì)堵漏作業(yè)時(shí)的水流沖擊力影響很大，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成流線型，減小形狀影響系數(shù)，提高大型破口堵漏效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)推導(dǎo)水壓載荷理論公式并繪制載荷曲線，對(duì)船艇堵漏器材堵漏時(shí)和堵漏后所承受的水壓載荷進(jìn)行研究分析。分析結(jié)果可用于掌握船艇堵漏器材在不同工作水深和破口尺寸條件下的水壓載荷情況，又可對(duì)不同類型船艇堵漏器材進(jìn)行相同水壓條件下的載荷比較，為優(yōu)化堵漏器材型譜、改進(jìn)堵漏器材設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 韓云東，黃若波，石侃，等.艦船堵漏技術(shù)現(xiàn)狀與對(duì)策[J].海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,34(2)：81-84.

[2] 謝田華，遲衛(wèi)，王科，等.艦船堵漏器材配置方法研究[J].海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,34(3)：79-82.

[3] 劉超，溫納新，賈緒智. 堵漏箱堵漏時(shí)的水動(dòng)力學(xué)分析[J].航海技術(shù)，1999(2)：44-46.

[4] 趙兵，陳思達(dá)，王朝星，等.專用損管器材封堵船體大型浸水破口的研究[J].中國(guó)修船，2010, 23(6)：39-41.

[5] 貢力，楊華中，葉琰.工程流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：31-58.

(編輯：史海英)

HydraulicPressureEnvironmentandLoadofLeakStopperforBoats

LI Mintang，SUI Bo，SUN Dong，CHANG Jian

(Institute of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

To optimize spectrum and design of leak stopper, considering the operating environment of boats in the army, the paper firstly analyzes the hydraulic pressure environment of leak stopper before and after leaking stopping. Then, it discusses the influencing factors which affect feed-water pressure, such as water depth, flow velocity, and crevasse shape and size, and it also builds the test conditions of hydraulic pressure before and after leaking stopping. Finally, according to the structure features of different leak stoppers, it deduces corresponding theoretical formula and draws typical curves of hydraulic load, which can provide theoretical basis for the test of trial-producing leak stopper for boats.

leak stopper for boats; crevasse of boats; hydraulic load; water flow impact

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.021

U661.2+3

A

1674-2192(2017)10- 0091-05

2017-02-24；

2017-03-10.

原總后軍交運(yùn)輸部科研計(jì)劃項(xiàng)目(BJJ09C013).

李敏堂(1975—)，男，博士，高級(jí)工程師.