基于阻力性能最優(yōu)的新型救生裝置總體設計

曹稼秀， 李永正， 張瑞瑞

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

當發(fā)生海難時，救生裝置是主要的救援設備[1]，救生裝置能夠及時高效、快速展開營救關系著遇險人員的生命安全[2]。現(xiàn)有用于海上救援的設備較少，主要為救生圈、救生衣和救生艇等，在救援時其施救效果并不太理想[3]。救生圈和救生衣主要用于遇險人員落水時的營救，而不是發(fā)生海難后的逃生設備，救生艇則因其體積大、重量重，不便于攜帶。

徐峻楠等[4]在傳統(tǒng)救生圈的基礎上設計出一種新型救生圈急救拋投裝置。此款裝置對救生圈加以改造，能夠在夜間滿足救援要求。別凱文[5]設計的新型救生圈包括3個內(nèi)部可充氣并可浮于水面上的充氣體，充氣體上均設有充氣嘴，便于攜帶，使用方便。陳啟祥等[6]針對現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶和不夠智能等缺點自主研制一種可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置。劉燕等[7]研制一款新型爆脹式氣囊裝置，此款救生裝置與傳統(tǒng)潛航器應急救援手段相比，具有操作簡單、可靠性高及發(fā)揮作用快等優(yōu)點。

所設計的新型三體式救生裝置(簡稱“救生裝置”)是一種能夠快速到達落水人員身邊的救生設備，包括裝置前體、裝置側體和連接橋。救生裝置由于體積較小，便于攜帶和使用，能夠?qū)崿F(xiàn)快速救援。通過對救生裝置的總體位置布局設計介紹，以阻力性能最優(yōu)為研究指標，為后期新型救生裝置的設計提供思路和數(shù)據(jù)支撐。

1 計算模型

救生裝置的設計需滿足《國際救生設備規(guī)則》的具體要求，如尺度、技術與功能要求等。根據(jù)這些要求確定救生裝置的總體設計方案，在滿足這些要求的同時以阻力性能最優(yōu)為主要指標。

救生裝置內(nèi)部布置有電機、電池、噴水推進器、套管、電機轉(zhuǎn)軸和控制板；裝置外部布置有攝像頭、指示燈、控制面板和自拉式自鎖把手。救生裝置總布置如圖1所示。

救生裝置有2個側體，每個側體上均裝有噴水推進器，噴水推進器與電池連接，電池容量為1 W，電機功率為1 500 W，選用大功率的電機可實現(xiàn)快速有效的救援。配套的電機、電池和噴水推進器等部件布置于救生裝置內(nèi)部，通過調(diào)整其布置位置，可組合生成總布置方案，如表1所示。

圖1 救生裝置總布置

表1 新型三體式救生裝置內(nèi)部部件排布方案

方案1：救生裝置艉部吃水為-0.095 m，噴水推進器導管中心軸線距裝置下邊緣為0.041 m，初始浮態(tài)為艏傾，艉部推進器沒有浸沒在水中。方案2：救生裝置艉部吃水為0.061 m，初始浮態(tài)為艉傾，艉部推進器吃水達到95%的浸沒。對比2種方案救生裝置艉部吃水浸沒情況，考慮方案2。在方案2的基礎上增加1～7 kg的配重，增加間隔為1 kg。根據(jù)救生裝置部件初排布后剩余的位置來看，配重排布位置在距救生裝置艏部0.44～0.46 m內(nèi)，間隔為0.05 m。根據(jù)配重的不同重量和不同排布位置組合出35種方案，以噴水推進器全部浸沒和救生裝置適度的艉傾作為選取方案指標進行選擇。當噴水推進器全浸沒、艉吃水為0.063 m時，有2種方案滿足方案選取的指標。救生裝置增加配重后的排布方案如表2所示。

表2 救生裝置增加配重后排布方案

根據(jù)增重方案更新方案1與方案2。對這2種方案以阻力性能最優(yōu)為指標進行阻力性能驗證，同時還需考慮救生裝置在航行時是否會出現(xiàn)艏部抬升或埋艏現(xiàn)象。

根據(jù)上述電機、電池等相關參數(shù)和位置布局設計出救生裝置的型線，救生裝置的主要參數(shù)如表3所示。

表3 救生裝置主要參數(shù) m

2 阻力性能驗證

2.1 數(shù)值計算方法

選用STAR-CCM+軟件對救生裝置進行計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值模擬，裝置航行速度選取0.5～2.0 m/s。經(jīng)計算，救生裝置的雷諾數(shù)Re為3.990×105～1.595×106。

計算的控制方程[8]為

(1)

(2)

重正化群(Renomalization Group, RNG)k-ε湍流模型能夠捕捉多個尺度的湍流擴散，可提高計算的準確度，因此采用RNGk-ε湍流模型描述救生裝置周圍流體動力性質(zhì)。具體方程[9]為

(3)

(4)

2.2 阻力性能計算結果分析

救生裝置受到的阻力記為R，則阻力系數(shù)為

(5)

式中：S為救生裝置的濕表面積；u為救生裝置的航行速度。

圖2給出2種方案下不同速度時救生裝置阻力系數(shù)隨速度的變化曲線。

圖2 2種方案救生裝置阻力系數(shù)隨速度變化曲線

由圖2可知：2種方案的阻力系數(shù)隨速度的增大而減小。由計算的對比結果可以看出：方案1的阻力系數(shù)大；方案2的阻力系數(shù)小。當救生裝置航行速度在0.5 ～1.5 m/s時，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值明顯；當救生裝置航行速度在1.5 ～2.0 m/s時，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值變??；當救生裝置速度變大時，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值變小。當救生裝置航行速度在0.5～1.0 m/s時，2種方案的阻力系數(shù)下降趨勢較陡；當救生裝置航行速度在1.0 ～2.0 m/s時，2種方案的阻力系數(shù)下降趨勢較緩。從2個方案的阻力系數(shù)來看，方案2最優(yōu)，證明方案2部件排布和配重重量及位置相對合理。

2.3 裝置表面壓力分布

選取方案2對救生裝置周圍的流場壓力分布進行分析。圖3為方案2在不同速度下救生裝置表面壓力分布。

由圖3可知：救生裝置處于艉傾狀態(tài)，高壓區(qū)域出現(xiàn)在艉部，高壓區(qū)域范圍隨救生裝置航行速度增加而變大且向前擴大。當救生裝置航速為低速時，其高壓區(qū)域集中在艉部，當速度增加時，高壓區(qū)域范圍往前移動，其艏部也出現(xiàn)高壓區(qū)域；低壓區(qū)域出現(xiàn)在救生裝置的艏部，當速度增加時，低壓區(qū)域范圍往后移。從救生裝置的表面壓力看，其出現(xiàn)抬艏現(xiàn)象，艏部布置有電子零部件，從安全角度考慮，方案2的部件排布和配重重量及位置是合理的。

圖3 不同速度下方案2救生裝置表面壓力分布

3 結 論

從新型救生裝置使用要求出發(fā)，采用三體船理念，對救生裝置開展總體設計，獲得其總體設計方案，且采用數(shù)值方法對其進行性能分析，掌握部件的不同排布位置和不同重量配重及位置對裝置阻力的性能影響情況，并研究救生裝置的阻力性能。從計算結果看，方案2為最優(yōu)選擇。在方案2中，救生裝置的總長為1.108 78 m，型寬為0.815 29 m，型深為0.147 20 m，重心坐標位置為(0.493 80，0，0.083 10)，增加的配重重量為7 kg，配重的坐標位置為(0.46，0，0.90)，初始浮態(tài)為艉傾9.20°。上述成果可為后續(xù)開展船機槳匹配等研究提供重要數(shù)據(jù)支撐。