基于百?lài)嵓?jí)自航模的試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

陳少峰，高麗瑾，惲秋琴，徐 杰，周偉新

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200001)

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，科技發(fā)展日新月異，船舶行業(yè)在新形勢(shì)下，面對(duì)節(jié)能減排的目標(biāo)，提出了許多新船型、新技術(shù)，并伴隨著產(chǎn)生了許多新規(guī)范、新測(cè)試手段，從而產(chǎn)生了許多傳統(tǒng)流體力學(xué)無(wú)法解決的新問(wèn)題，如氣體減阻技術(shù)的尺度效應(yīng)問(wèn)題，船舶最小安全功率的模擬問(wèn)題。需要深入研究，建立適合的理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法來(lái)解決這些新問(wèn)題，這對(duì)船舶行業(yè)的理論設(shè)計(jì)及試驗(yàn)水平提出了更高的要求。

在理論設(shè)計(jì)方面，雖然近年來(lái)依托計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算技術(shù)得到大力發(fā)展，理論設(shè)計(jì)水平獲得較大提升，但短期內(nèi)尚無(wú)法突破實(shí)尺度數(shù)值模擬、船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等關(guān)鍵技術(shù)。理論設(shè)計(jì)水平的局限性，在一定程度上限制了船舶行業(yè)新問(wèn)題的解決，從而只能從試驗(yàn)研究的角度尋求突破。在試驗(yàn)研究方面，由于建設(shè)資金的限制及硬件技術(shù)的制約，目前主要的試驗(yàn)研究手段仍然為小尺度模型試驗(yàn)。小尺度模型試驗(yàn)面對(duì)船舶行業(yè)出現(xiàn)的新問(wèn)題，同樣存在著船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等問(wèn)題，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1）小尺度模型試驗(yàn)的試驗(yàn)場(chǎng)所一般為水筒、水槽、水池以及風(fēng)洞，由于試驗(yàn)場(chǎng)所的規(guī)模限制，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷?shí)船縮比幾十倍后所得，由于尺度效應(yīng)的影響，使得模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。傳統(tǒng)船舶力學(xué)的尺度效應(yīng)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，憑借積累的大量模型試驗(yàn)及實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已形成較為完善的預(yù)報(bào)方法，可以通過(guò)水池船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)實(shí)船性能，基本解決了尺度效應(yīng)問(wèn)題。但對(duì)于船舶行業(yè)出現(xiàn)的新型技術(shù)，其尺度效應(yīng)問(wèn)題尚未被透徹了解和徹底解決，制約著新型船舶技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用。2）由于小尺度模型的局限性，使得專(zhuān)有設(shè)備系統(tǒng)無(wú)法在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫侥M和驗(yàn)證。3）由于試驗(yàn)場(chǎng)所的條件限制，只能模擬較為理想的環(huán)境因素，與船舶實(shí)際航行的海洋環(huán)境差異較大。因?yàn)樾〕叨饶Ｐ驮囼?yàn)存在上述局限性，不能為船舶行業(yè)所面臨的新問(wèn)題提供有效的研究手段，所以為了解決上述問(wèn)題，最直接和有效的方法，便是增大模型尺度、在更真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)研究。

增大模型試驗(yàn)尺度，以期更徹底解決尺度效應(yīng)問(wèn)題和判斷船機(jī)槳匹配綜合性能，船模自航試驗(yàn)自20世紀(jì)50年代就已開(kāi)始，但由于資金等各種條件的制約，一直未全面展開(kāi)，隨著船舶行業(yè)新技術(shù)及新問(wèn)題的不斷出現(xiàn)，大尺度船模自航試驗(yàn)的作用日漸突出。最近國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的自航模湖泊試驗(yàn)，便是以上述思路完善試驗(yàn)研究技術(shù)，相對(duì)船模水池試驗(yàn)，自航模試驗(yàn)研究水平得到了提升。但是，現(xiàn)有的自航模湖試相對(duì)實(shí)船海試，仍存在較大差距，一方面是因?yàn)?，自航模尺寸集中?～15 m，雖然相對(duì)水池船模有明顯增加，但是尺度效應(yīng)依然較大；另一方面，自航模采用遙控遙測(cè)、電力推進(jìn)的操控方式，與實(shí)船不一樣，導(dǎo)致實(shí)船海試中關(guān)心的一些參數(shù)，比如主輔機(jī)功率、舵角等數(shù)據(jù)，無(wú)法獲取。因此，有必要建造柴油機(jī)推進(jìn)方式的更大尺度的試驗(yàn)平臺(tái)，以解決尺度效應(yīng)、船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等問(wèn)題[1]。

1 百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

面對(duì)近來(lái)涌現(xiàn)的各類(lèi)船舶新技術(shù)的試驗(yàn)需求和船模試驗(yàn)發(fā)展瓶頸之間的矛盾，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心（簡(jiǎn)稱(chēng)CSSRC），為提高船舶試驗(yàn)水平，解決各類(lèi)船舶新技術(shù)、新方法在研究過(guò)程中，遇到的尺度效應(yīng)問(wèn)題，決定建造覆蓋快速性、操縱性、耐波性、船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、軸系振動(dòng)、局部應(yīng)變等測(cè)試內(nèi)容，并具有一定擴(kuò)展能力的百?lài)嵓?jí)自航模綜合試驗(yàn)平臺(tái)。該百?lài)嵓?jí)自航模，以90 000噸級(jí)散貨船為母型，縮尺比為1:10，具有主輔機(jī)、槳、舵等動(dòng)力和操縱系統(tǒng)，可大幅提高模型試驗(yàn)?zāi)芰?、擴(kuò)展測(cè)試范圍，降低尺度效應(yīng)的影響。該船在設(shè)計(jì)吃水下，主要參數(shù)如表1所示。

表1 百?lài)嵓?jí)自航模參數(shù)Tab.1 Parameters of hundred tons level self-propelled ship model

百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)，在設(shè)計(jì)建造伊始，便充分考慮各類(lèi)使用需求，留足可變更、可擴(kuò)展的余地。該自航模具有可替換的變速箱，可保證航速覆蓋各類(lèi)試驗(yàn)的需求；針對(duì)性設(shè)計(jì)的舵，保證自航模的操縱性和安全性；發(fā)電機(jī)留有充足的裕量，滿(mǎn)足后續(xù)加裝各類(lèi)新設(shè)備的需求；搭建高精度的軸功率、舵扭矩、對(duì)水和對(duì)地航速、加速度、氣象環(huán)境、應(yīng)力應(yīng)變等測(cè)試系統(tǒng)。利用對(duì)接船廠的便利條件，該自航模可以進(jìn)行各類(lèi)新技術(shù)的改裝，遠(yuǎn)期規(guī)劃圖景如圖1所示，現(xiàn)已完成氣層減阻系統(tǒng)、風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子、舵扭矩測(cè)量系統(tǒng)、流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的改裝和應(yīng)用，當(dāng)前正開(kāi)展無(wú)人船自主航行改裝。

2 基于試驗(yàn)平臺(tái)的新型船舶應(yīng)用技術(shù)研究

該原理樣船試驗(yàn)平臺(tái)自建造完成以來(lái)，在上海淀山湖開(kāi)展了一系列尺度效應(yīng)沒(méi)有定論的新技術(shù)、還無(wú)法在實(shí)船上應(yīng)用的新方法的湖泊試驗(yàn)。作為水池試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)的補(bǔ)充，通過(guò)原理樣船湖泊試驗(yàn)，減小了模型尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，為尺度效應(yīng)的研究提供了有力的支撐數(shù)據(jù)；驗(yàn)證了新技術(shù)、新方法在實(shí)船上應(yīng)用的可行性，其中一些新型船舶技術(shù)，現(xiàn)已成功應(yīng)用至實(shí)船。

圖1 百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)規(guī)劃Fig.1 Planning of test platform for hundred tons level self-propelled ship model

2.1 氣層減阻試驗(yàn)

為應(yīng)對(duì)全球資源、氣候問(wèn)題，國(guó)際海事組織IMO對(duì)船舶航運(yùn)業(yè)，提出了能效設(shè)計(jì)指數(shù)（即EEDI指數(shù)）進(jìn)行約束，自2011年將EEDI作為強(qiáng)制性要求以來(lái)，船舶行業(yè)開(kāi)展了大量工作，通過(guò)船型優(yōu)化、加裝節(jié)能裝置、降低船舶設(shè)計(jì)航速等，在一定程度上降低了EEDI指數(shù)。作為最高要求的EEDI三階段標(biāo)準(zhǔn)，將于2025年執(zhí)行，其指標(biāo)比基線降低了30%以上。從MEPC71次會(huì)議提供的EEDI數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)看，油船和散貨船以現(xiàn)有的技術(shù)水平，較難滿(mǎn)足EEDI三階段標(biāo)準(zhǔn)。因此，新型節(jié)能裝置的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，氣層減阻技術(shù)就是其中重要一項(xiàng)，該技術(shù)以氣層分隔船底和水體，可以顯著降低船舶阻力，減少燃料消耗，具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值。

在2015年之前，國(guó)內(nèi)氣層減阻技術(shù)的研究，主要集中在理論研究和船模水池試驗(yàn)階段。CSSRC在完成平板模型空泡水筒試驗(yàn)和船模水池試驗(yàn)之后，為了更好研究尺度效應(yīng)對(duì)噴氣量的影響，以便成功完成實(shí)船氣層減阻方案設(shè)計(jì)，決定利用百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展氣層減阻湖泊試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）。為了確定實(shí)船適用的氣層減阻方案，在湖泊試驗(yàn)階段設(shè)計(jì)了多種氣層減阻方案，將百?lài)嵓?jí)自航模底部改造成可變深度的氣穴，設(shè)置各種噴氣形式，增加多種氣層穩(wěn)定裝置。試驗(yàn)期間，測(cè)試內(nèi)容除了航速、軸功率、航行姿態(tài)、環(huán)境參數(shù)等常規(guī)測(cè)試項(xiàng)以外，還組建了包含流量計(jì)、壓力表、電動(dòng)閥等儀器在內(nèi)的氣層減阻控制、調(diào)節(jié)及測(cè)量系統(tǒng)。

試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整氣穴深度，對(duì)比測(cè)試了百?lài)嵓?jí)自航模不同氣穴深度和平底原型之間的主輔機(jī)功率消耗之差，換算成不同氣穴深度相對(duì)平底原型的節(jié)能率，得出最優(yōu)氣穴深度。在最優(yōu)氣穴深度下，考察各種噴氣形式的優(yōu)劣，分析噴氣量、噴氣壓力、船舶姿態(tài)、吃水和航速對(duì)節(jié)能率的影響。最終原理樣船氣層減阻湖泊試驗(yàn)，在適用航速范圍內(nèi)典型凈節(jié)能效果18%，在設(shè)計(jì)吃水、設(shè)計(jì)航速下凈節(jié)能效果在11%以上。

圖2 百?lài)嵓?jí)自航模氣層減阻湖泊試驗(yàn)Fig.2 The air-layer drag reduction experiment with hundred tons self-propelled ship model

為了利用百?lài)嵓?jí)自航模湖泊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)萬(wàn)噸級(jí)實(shí)船的氣層減阻方案設(shè)計(jì)，必須考察尺度效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，建立氣層減阻技術(shù)的相應(yīng)相似律。在傳統(tǒng)船舶阻力相似律中，摩擦阻力相似考察Re數(shù)，剩余阻力相似考察Fr數(shù)。對(duì)應(yīng)用氣層減阻系統(tǒng)的船舶而言，其船舶阻力不能夠僅依據(jù)傳統(tǒng)船舶阻力的相似關(guān)系，噴氣量Q是一個(gè)影響船舶阻力的關(guān)鍵參數(shù)，而關(guān)于噴氣量Q的相似律研究開(kāi)展的較少。CSSRC利用船模水池試驗(yàn)和百?lài)嵓?jí)自航模湖泊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析了Q在不同尺度間的換算關(guān)系，提出了基于Re，F(xiàn)r，Q的氣層減阻技術(shù)相似律[1]。2016年CSSRC利用已建立的相似律，對(duì)上海長(zhǎng)江輪船有限公司的1艘萬(wàn)噸級(jí)敞口集裝箱船“長(zhǎng)航洋山2號(hào)”進(jìn)行了氣層減阻方案設(shè)計(jì)及實(shí)船改裝，經(jīng)實(shí)船實(shí)海驗(yàn)證，獲得了7%以上的凈節(jié)能效果。

2.2 風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子試驗(yàn)

人類(lèi)對(duì)風(fēng)能的利用由來(lái)已久，在蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)以前，風(fēng)帆曾是船舶推進(jìn)的主要方式。隨著全球資源、環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，船舶航運(yùn)業(yè)利用風(fēng)能進(jìn)行輔助推進(jìn)，再次獲得關(guān)注。船用風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子技術(shù)，利用馬格納斯效應(yīng)，依據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，使得轉(zhuǎn)子一側(cè)氣流速度增大，而另外一側(cè)速度減小，從而產(chǎn)生壓力差，形成向前的推力，達(dá)到節(jié)能的目的。船用風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子作為IMO指定的B類(lèi)節(jié)能技術(shù)的代表，具有節(jié)能效果好、適用船型廣的特點(diǎn)，成為相關(guān)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。國(guó)外已有數(shù)艘實(shí)船應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)尚處于理論研究階段。

CSSRC在百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子試驗(yàn)（見(jiàn)圖3），測(cè)試內(nèi)容包括航速、航向、主機(jī)功率、轉(zhuǎn)子電機(jī)功率、風(fēng)速、風(fēng)向等。通過(guò)調(diào)整航向，考察不同風(fēng)速、風(fēng)向角度下，主機(jī)和轉(zhuǎn)子電機(jī)功率的變化，即可得到轉(zhuǎn)子的節(jié)能效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在橫風(fēng)和尾斜風(fēng)角度下，均可取得較好的節(jié)能效果，典型節(jié)能率達(dá)到6%～10%。目前，正在設(shè)計(jì)建造實(shí)尺度轉(zhuǎn)子，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、優(yōu)化測(cè)試方案，期望得到更好的節(jié)能效果和更詳盡的測(cè)試數(shù)據(jù)，成功將風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子應(yīng)用于實(shí)船。

圖3 百?lài)嵓?jí)自航模風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子湖泊試驗(yàn)Fig.3 The wind booster rotor experiment with hundred tons self-propelled ship model

2.3 最小推進(jìn)功率試驗(yàn)

為滿(mǎn)足EEDI指數(shù)相關(guān)要求，除采用上述新型節(jié)能技術(shù)之外，船東面對(duì)國(guó)際航運(yùn)業(yè)的衰弱，往往傾向于低航速運(yùn)輸，既滿(mǎn)足了EEDI要求，又能保障貨運(yùn)的需求。但是，當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)，如果船舶航速過(guò)低，則無(wú)法保持航向穩(wěn)定性，甚至無(wú)法逃離危險(xiǎn)區(qū)域。因此，為保障船舶航行安全，IMO制定了船舶最小推進(jìn)功率相關(guān)規(guī)定，對(duì)船舶行業(yè)進(jìn)行引導(dǎo)和規(guī)范。

通過(guò)數(shù)次國(guó)際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)的會(huì)議討論，最小推進(jìn)功率的概念和評(píng)估方法逐步明確[3–4]，其評(píng)價(jià)方法主要分為兩種：

1）根據(jù)現(xiàn)有船舶數(shù)據(jù)，制定了各類(lèi)不同船型的最小推進(jìn)功率關(guān)于排水量的曲線，若船舶的額定功率在該曲線之上，則符合最小推進(jìn)功率要求；

2）求解船舶在惡劣海況下，為保持航向所必須的最小航速，以及在此航速下螺旋槳收到的功率和扭矩。若船舶安裝主機(jī)能提供此扭矩，則該船符合最小推進(jìn)功率要求。

最小推進(jìn)功率，第1種評(píng)估方法，一經(jīng)確認(rèn)功率曲線的系數(shù)后，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。第2種評(píng)估方法，需要重點(diǎn)考察船舶在惡劣海況中運(yùn)行時(shí)所受的空氣、波浪和附體阻力，而這些數(shù)據(jù)的獲取，現(xiàn)階段主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式或者CFD計(jì)算。因?yàn)橐环矫?，造波水池現(xiàn)階段還無(wú)法完全模擬惡劣海況，另一方面，實(shí)船在惡劣海況下低速航行時(shí)，安全性無(wú)法得到保障，不敢開(kāi)展相關(guān)實(shí)船海試。從而導(dǎo)致最小推進(jìn)功率評(píng)估研究中，模型和實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)均較為缺乏，無(wú)法對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式和CFD計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)。

為彌補(bǔ)最小推進(jìn)功率研究在試驗(yàn)方面的不足，CSSRC利用百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展大風(fēng)浪下最小推進(jìn)功率湖泊試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?、船舶性能和試?yàn)場(chǎng)地環(huán)境的具體情況，試驗(yàn)工況安排為無(wú)風(fēng)浪、0.2 m浪、0.5 m浪下的快速性、Z形、回轉(zhuǎn)、航向穩(wěn)定性試驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容包括航速、航向、功率、舵扭矩、縱搖角、橫搖角等（見(jiàn)圖4）。通過(guò)CSSRC開(kāi)展的最小推進(jìn)功率湖泊試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了最小推進(jìn)功率的評(píng)估方法，對(duì)推動(dòng)船舶最小推進(jìn)功率的研究有重要意義。

2.4 新型智能船舶自主航行試驗(yàn)

無(wú)人船是指以有動(dòng)力的船舶為基礎(chǔ)，通過(guò)搭載通訊設(shè)備和控制設(shè)備，從而能夠完成自主航行、自動(dòng)避障的高技術(shù)、智能化船舶。其研制，涉及船舶設(shè)計(jì)、環(huán)境感知、無(wú)線通信、信息處理和運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)專(zhuān)業(yè)。無(wú)人船除了應(yīng)用于軍事領(lǐng)域外，還越來(lái)越多應(yīng)用在水體環(huán)境監(jiān)測(cè)、水上搜救、聲學(xué)通信中繼等民用領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外研制的無(wú)人船，從安全性和應(yīng)用需求的角度考慮，普遍采用硬殼充氣艇的形式，而對(duì)運(yùn)輸船的研究應(yīng)用則較少。CSSRC為將無(wú)人船的研究領(lǐng)域擴(kuò)展至運(yùn)輸船，決定在百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展無(wú)人船自主航行試驗(yàn)。

百?lài)嵓?jí)自航模將被改造成為基于視頻、雷達(dá)、紅外信號(hào)的自主航行無(wú)人船，并保留手動(dòng)操控方式。該試驗(yàn)按控制形式可分為4個(gè)階段，1）基于手持遙控器的試驗(yàn)；2）基于岸基遙控試驗(yàn)；3）基于視頻信號(hào)的自主航行試驗(yàn)；4）基于雷達(dá)、紅外信號(hào)的自主航行試驗(yàn)。通過(guò)湖泊試驗(yàn)，測(cè)試各類(lèi)控制手段的避障能力和適用性，尋找適合于運(yùn)輸船的自主航行手段。目前，試驗(yàn)正處于百?lài)嵓?jí)自航模的機(jī)械控制系統(tǒng)電氣化改造，以及基于手持遙控器的遙控改裝階段。

圖4 原理樣船在大風(fēng)浪下的航行穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)試驗(yàn)Fig.4 Sailing stability and rotation experiment of self-propelled ship model under large wave

3 基于試驗(yàn)平臺(tái)的新型實(shí)船測(cè)試技術(shù)研究

船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)船測(cè)試技術(shù)集成了水動(dòng)力、結(jié)構(gòu)安全、振動(dòng)噪聲等多方面的內(nèi)容，是船舶設(shè)計(jì)、建造和驗(yàn)收等多個(gè)方面發(fā)展的關(guān)鍵。然而，當(dāng)今船舶行業(yè)急需的測(cè)量技術(shù)，如流場(chǎng)測(cè)量、邊界層測(cè)量、螺旋槳觀測(cè)、輻射噪聲測(cè)量、推力測(cè)量等，往往不具備直接在實(shí)船上應(yīng)用的基礎(chǔ)。CSSRC利用百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展新型實(shí)船測(cè)試技術(shù)的研究，是將這些技術(shù)應(yīng)用于實(shí)船的重要準(zhǔn)備工作。

3.1 船舶流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究

船舶周?chē)牧鲌?chǎng)狀態(tài)，關(guān)系到船舶各項(xiàng)水動(dòng)力性能，對(duì)船型優(yōu)化和高效螺旋槳設(shè)計(jì)，有著直接的影響?，F(xiàn)階段船舶流場(chǎng)的研究，主要依靠船模水池試驗(yàn)時(shí)的畢托耙、PIV、LDV測(cè)量，以及模型尺度的數(shù)值計(jì)算。船模和實(shí)船之間雷諾數(shù)的差別達(dá)到2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，由于尺度效應(yīng)的影響，當(dāng)利用船模測(cè)量或計(jì)算的流場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)實(shí)船流場(chǎng)時(shí)，其差異較為明顯[5]。為解決上述弊端，相關(guān)從業(yè)者正著力提高數(shù)值計(jì)算水平，開(kāi)展船舶實(shí)尺度數(shù)值計(jì)算的研究。然而，由于實(shí)船流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)水平進(jìn)步緩慢，導(dǎo)致船舶實(shí)尺度數(shù)值計(jì)算的結(jié)果無(wú)法得到驗(yàn)證，實(shí)船預(yù)報(bào)的能力仍無(wú)法滿(mǎn)足要求。可見(jiàn)，發(fā)展實(shí)船流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，是提高船舶設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵。

實(shí)船流場(chǎng)測(cè)量手段與船模流場(chǎng)測(cè)量一致，包括畢托管、PIV、LDV等，但是對(duì)測(cè)試儀器加工和安裝的水平、數(shù)據(jù)采集和分析的能力，提出了更高的要求。實(shí)船流場(chǎng)測(cè)量，可分為伴流場(chǎng)、尾流場(chǎng)和邊界層測(cè)量等多個(gè)方面，不同的測(cè)量對(duì)象，對(duì)測(cè)量能力的要求也不盡相同。5孔畢托管作為接觸式測(cè)量?jī)x器，通過(guò)分析測(cè)孔間的壓差，可計(jì)算得到測(cè)量點(diǎn)的三維流速，具有測(cè)量精度高，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于伴流場(chǎng)和尾流場(chǎng)等流場(chǎng)測(cè)量。CSSRC決定在百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)上，開(kāi)展5孔畢托管流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，突破流場(chǎng)測(cè)量?jī)H限于船模試驗(yàn)的限制，形成能推廣至實(shí)船的流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)方案。

本試驗(yàn)將5孔畢托管以在船壁上開(kāi)孔的方式進(jìn)行安裝，測(cè)試點(diǎn)位置的選取，根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的流場(chǎng)分布和百?lài)嵓?jí)自航?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定（見(jiàn)圖5），最終形成了由32個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的測(cè)試網(wǎng)。通過(guò)分析測(cè)試網(wǎng)所得三維流速數(shù)據(jù)，可得各個(gè)剖面的流場(chǎng)分布，以及不同剖面間的流線發(fā)展情況。將測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，可指導(dǎo)船舶實(shí)尺度數(shù)值計(jì)算的發(fā)展。

基于百?lài)嵓?jí)自航模開(kāi)展的5孔畢托管流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，必須解決的難題有：1）5孔畢托管含有5根毫米級(jí)的管道，容易被雜質(zhì)堵塞，因此試驗(yàn)必須在清澈的水域開(kāi)展。CSSRC擬針對(duì)各個(gè)可能開(kāi)展試驗(yàn)的水域，取水樣送檢分析，選擇水質(zhì)最好的水域進(jìn)行試驗(yàn)，并盡量避免船舶行駛過(guò)程中對(duì)水體的攪動(dòng)。2）5孔畢托管在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處，直接采集到的是5組壓力數(shù)據(jù)，在分析流場(chǎng)特性的過(guò)程中，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理。這就對(duì)測(cè)量原始數(shù)據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)分析方法的科學(xué)性提出了很高的要求。CSSRC利用自身作為水動(dòng)力試驗(yàn)基地的條件，在空泡水筒內(nèi)對(duì)5孔畢托管進(jìn)行了詳盡的標(biāo)檢，確保原始數(shù)據(jù)的可靠性，并應(yīng)用掌握的水動(dòng)力學(xué)知識(shí)，透過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的表象，分析船舶流場(chǎng)的本質(zhì)，確保數(shù)據(jù)分析方法的科學(xué)性。

目前，百?lài)嵓?jí)自航模5孔畢托管流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，已經(jīng)完成了船舶開(kāi)孔、畢托管標(biāo)定與安裝、測(cè)量系統(tǒng)搭建等工作。現(xiàn)階段，正在取樣分析對(duì)應(yīng)水域水質(zhì)，待試驗(yàn)場(chǎng)地挑選完成即可開(kāi)展試驗(yàn)。

圖5 五孔畢托管安裝位置選擇Fig.5 Installation location selections of five-hole pitot-tube

4 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)船舶行業(yè)日新月異的科技發(fā)展，常規(guī)船模試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)往往無(wú)法滿(mǎn)足新技術(shù)、新方法的試驗(yàn)需求。CSSRC自主設(shè)計(jì)建造的百?lài)嵓?jí)自航模試驗(yàn)平臺(tái)，搭建完整的測(cè)試系統(tǒng)，留有各類(lèi)設(shè)備的擴(kuò)展接口，作為從船模到實(shí)船之間的中間環(huán)節(jié)，減小了模型尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，為尺度效應(yīng)的研究提供了有力的支撐，為船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬提供了試驗(yàn)平臺(tái)，已在船舶行業(yè)新技術(shù)及新問(wèn)題的試驗(yàn)研究中成功應(yīng)用，提高了自航模試驗(yàn)的綜合測(cè)試及研究能力。