氣墊效應(yīng)對(duì)三體船連接橋砰擊載荷的影響

姜宜辰，孫振東，宗智*,3，孫一方，金國(guó)慶

1 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

2 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240

3 遼寧深海浮動(dòng)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024

0 引 言

三體船具有優(yōu)良的穩(wěn)性、快速性和耐波性，因此被廣泛應(yīng)用于各種高速運(yùn)輸船、海洋資源開發(fā)船和軍事艦艇的概念設(shè)計(jì)中[1]。三體船在惡劣海況下航行時(shí)會(huì)遭遇很大的波浪[2]，發(fā)生劇烈的升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)，船體頻繁地出入水會(huì)造成嚴(yán)重的砰擊現(xiàn)象[3]。對(duì)于三體船而言，由砰擊載荷造成的連接橋疲勞損傷不可忽略。因此，有必要研究連接橋的入水砰擊規(guī)律和優(yōu)化連接橋設(shè)計(jì)以減小砰擊載荷。

Von Karman[4]是最早開始研究楔形體結(jié)構(gòu)入水時(shí)所受砰擊的學(xué)者，在研究水上飛機(jī)降落中的入水砰擊力時(shí)，Von Karman 將其簡(jiǎn)化為一個(gè)二維楔形體模型沖擊自由液面的問題，采用動(dòng)量定理并且考慮水的附加質(zhì)量，推導(dǎo)出了具有一定傾斜角的楔形體入水砰擊時(shí)的載荷計(jì)算公式。Wagner[5]針對(duì)Von Karman 的方法進(jìn)行了修正，考慮了自由液面處水的堆積效應(yīng)和水波影響，將小傾角楔形體模型等效為一個(gè)平板結(jié)構(gòu)，提出近似平板理論，在不考慮空氣墊影響的情況下計(jì)算得到了較為合理的結(jié)果。此后，諸多學(xué)者在Wagner 理論的基礎(chǔ)上，提出了許多種分析理論，例如Dobrovol'skaya[6]，Mackie[7]和Greenhow[8]等學(xué)者基于自相似流分析理論，該理論將流體視為理想流體，不考慮流體表面張力和入水空氣墊等因素，獲得了二維楔形體入水的自相似解。Armand 和Cointe[9]將流場(chǎng)分為遠(yuǎn)噴射區(qū)、噴射根部區(qū)和噴射頂部區(qū)3 個(gè)區(qū)域，使用匹配漸進(jìn)法來求解斜入水和自由液面的變化情況?？墁摰萚10]在前人二維物體入水砰擊問題的理論方法研究基礎(chǔ)上，使用橢圓擬合法得到了不同斜升角的二維楔形體勻速入水時(shí)的濕表面無量綱壓力分布和砰擊力。

張?jiān)狼嗟萚11]進(jìn)行了楔形體垂直入水的沖擊試驗(yàn)，通過濾波消除高頻信號(hào)，得到了合理的加速度響應(yīng)值。洪堯等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了水體含氣率對(duì)砰擊載荷峰值大小和載荷分布的影響。隨著高速攝像技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展，無接觸測(cè)量整個(gè)流場(chǎng)瞬時(shí)速度矢量的粒子圖像測(cè)速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）的測(cè)量能力極大地提高[13]。佘文軒等[14]使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)楔形體入水砰擊流場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量，對(duì)測(cè)量的瞬態(tài)結(jié)果進(jìn)行分解并提取出了流場(chǎng)內(nèi)含能大尺度的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。周廣利等[15]提出一種粒子圖像測(cè)速(TRPIV)技術(shù)的剛性楔形體入水砰擊載荷評(píng)估方法，驗(yàn)證了楔形體入水過程中基于 TR-PIV 技術(shù)進(jìn)行砰擊壓力重構(gòu)的準(zhǔn)確性。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提升，數(shù)值模擬成為研究入水砰擊的主要方法。陳震等[16]對(duì)平底結(jié)構(gòu)的砰擊壓力進(jìn)行模擬，獲得了砰擊壓力在砰擊面上分布和持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式。何廣華等[17]研究了不同剖面入水砰擊規(guī)律，采用顯式有限元方法和任意拉格朗日?歐拉算法，使用已有研究中實(shí)際船舶不同剖面處的下沉速度作為參考速度，對(duì) 3 種剖面分別進(jìn)行了入水砰擊模擬。王加夏等[18]研究了考慮結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)的彈性體砰擊問題，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)板越薄，結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)則越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)所受的砰擊壓力越小。楊強(qiáng)等[19]模擬了某穿浪雙體船艏部三維模型入水砰擊問題，結(jié)果表明砰擊的發(fā)展與分段模型下方殘留氣體溢出有關(guān)。

近年來，入水空氣效應(yīng)被廣泛考慮，且有許多針對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究。曹正林等[20]采用LSDYNA 研究了三體船連接橋壓力分布規(guī)律，考慮了三體船的空氣層、質(zhì)量、連接橋?qū)挾群椭鞔w的舭升高角度等因素對(duì)連接橋砰擊壓力峰值的影響。謝仁杰等[21]使用 MSC.Dytran 軟件對(duì)二維楔形體入水砰擊過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了入水速度與入水角度對(duì)結(jié)構(gòu)砰擊載荷的影響規(guī)律。張健等[22]基于氣墊效應(yīng)研究了二維楔形體入水砰擊載荷，回歸出砰擊載荷預(yù)報(bào)公式。陳震等[23]研究了空氣墊對(duì)二維平板入水的影響，以及自由液面的變化和飛濺對(duì)砰擊壓力峰值的影響。

對(duì)于三體船，由砰擊載荷造成的連接橋疲勞損傷不可忽略。前人對(duì)于該處的研究較少并且?guī)缀鯖]有關(guān)于連接橋載荷優(yōu)化的相關(guān)研究。因此，有必要研究連接橋的入水砰擊規(guī)律并優(yōu)化連接橋設(shè)計(jì)以減小砰擊載荷。對(duì)于三體船而言，在連接橋底板會(huì)產(chǎn)生較為明顯的氣墊效應(yīng)，因此在考慮氣墊效應(yīng)的基礎(chǔ)上研究三體船實(shí)船入水砰擊特性具有重要意義。本文擬首先進(jìn)行數(shù)值模型的可靠性驗(yàn)證，其次研究不同高度三體船分段入水的三維砰擊壓力和加速度分布規(guī)律，最后通過限制流域放大氣墊效應(yīng)研究氣墊對(duì)砰擊現(xiàn)象的影響，并基于氣墊理論研究不同形狀的連接橋底封板型式，以便為進(jìn)一步優(yōu)化三體船連接橋設(shè)計(jì)提供有效方案。

1 研究對(duì)象和計(jì)算模型

1.1 物理模型設(shè)置

本次研究采用基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法的商業(yè)軟件STAR-CCM+對(duì)三體船分段的入水砰擊過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用有限體積法進(jìn)行空間離散。本次模擬使用重疊網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算域分為背景流域和重疊網(wǎng)格域兩部分，總網(wǎng)格數(shù)為230 萬(wàn)。采用可實(shí)現(xiàn)的k-?湍流模型，考慮到自由液面以及射流現(xiàn)象，采用歐拉多相流、VOF 方法和分離流物理模型。三體船的六自由度運(yùn)動(dòng)使用動(dòng)態(tài)流體固體相互作用（DFBI）模型進(jìn)行求解，本次模擬只釋放垂蕩方向自由度。連續(xù)性方程與動(dòng)量方程可簡(jiǎn)化為：

式中： ρi， μi和cp分別為第i相的密度、分子黏度和比熱量。

追蹤相界面是通過求解一相或者多相的容積比率的連續(xù)方程完成的，對(duì)于第i相，有

邊界條件由5 個(gè)壁面和1 個(gè)壓力出口組成，初始情況如圖1 所示。

圖1 邊界條件設(shè)置Fig. 1 Setup of boundary conditions

1.2 時(shí)間步長(zhǎng)無關(guān)性驗(yàn)證

為了確保數(shù)值結(jié)果的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和高效性，進(jìn)行時(shí)間步無關(guān)性驗(yàn)證非常必要。本文采取3 個(gè)不同時(shí)間步進(jìn)行對(duì)比，分別為0.5，1 和2 ms，結(jié)果如圖2 所示。以三體船總體加速度3 個(gè)時(shí)間步時(shí)歷曲線為參考，可以觀察在時(shí)間步長(zhǎng)為2 ms時(shí)，結(jié)果與其他兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況結(jié)果有著相當(dāng)大的差別，偏差分別為16.7%（2 ms）和15.43%（1 ms）。但在時(shí)間步長(zhǎng)1和0.5 ms 之間幾乎沒有差別，其中0.5 ms 時(shí)間步長(zhǎng)加速度峰值為11.45 m/s2，1 ms 時(shí)間步長(zhǎng)加速度峰值為11.27 m/s2，2 個(gè)時(shí)間步加速度偏差僅為1.57%，在可接受的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為數(shù)值結(jié)果在這個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)已經(jīng)收斂。為了減少計(jì)算量，本文選取時(shí)間步長(zhǎng)為1 ms。

圖2 不同時(shí)間步長(zhǎng)下的加速度時(shí)歷曲線Fig. 2 Time histories of acceleration at different time steps

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

合理的網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算至關(guān)重要，不僅可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也可大量節(jié)省計(jì)算成本。本次計(jì)算對(duì)比了3 種規(guī)格的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為93 萬(wàn)、230 萬(wàn)和320 萬(wàn)，通過對(duì)比加速度進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖3 所示。由圖中可以看出，網(wǎng)格數(shù)230 萬(wàn)和320 萬(wàn)的結(jié)果幾乎一致，兩者的峰值分別為11.69 m/s2（230 萬(wàn)）和11.85 m/s2（320 萬(wàn)），誤差為1.35%，滿足網(wǎng)格尺寸無關(guān)性驗(yàn)證要求。為減少計(jì)算量，本文選取230 萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下的加速度時(shí)歷曲線Fig. 3 Time histories of acceleration obtained from different meshes

1.4 物理模型驗(yàn)證

本次研究計(jì)算3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的砰擊壓力，通過和水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。三體船分段試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4 所示，水槽長(zhǎng)、寬、高的尺寸為1 500 mm×800 mm×1 000 mm，試驗(yàn)時(shí)水深為623 mm。三體船分段尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為598 mm×300 mm×336 mm，船體質(zhì)量為5.52 kg。

圖4 橫剖面實(shí)物圖Fig. 4 Cross section of the physical model

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5 所示，3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于船底中部、船底側(cè)部和連接橋中部。本文定義船底中心入水時(shí)與自由液面夾角為入水角α；結(jié)構(gòu)物水平放置時(shí)船底中心最低點(diǎn)距離自由液面的垂向距離為h。v為結(jié)構(gòu)物釋放時(shí)的垂向初速度。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig. 5 Arrangement of monitoring points

圖6～圖8 所示為計(jì)算得到的3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在入水角α=0°、入水垂向高度h=0 m、入水垂向初速度v=0 m/s 工況下的砰擊壓力，及其與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由于試驗(yàn)測(cè)量有一定的延遲，因此會(huì)存在一定的數(shù)據(jù)滯后。結(jié)果表明，同處于三體船底部位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 和2 的壓力曲線比較相似，在0.22 s 時(shí)由于連接橋接觸到自由液面，三體船下落速度降低導(dǎo)致砰擊壓力急速減小，在壓力時(shí)歷曲線圖上產(chǎn)生一個(gè)最低峰值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 在0.22 s左右觸及自由液面時(shí)在壓力時(shí)歷曲線上產(chǎn)生最大峰值。圖9 所示為加速度時(shí)歷曲線，可以看出連接橋入水時(shí)刻為砰擊加速度峰值。位于連接橋處監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 的壓力時(shí)歷曲線在0.27 s 左右開始出現(xiàn)負(fù)壓，這是由于砰擊產(chǎn)生的高壓使該區(qū)域的流場(chǎng)產(chǎn)生向下速度，如圖10所示，因此該處的壓強(qiáng)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。結(jié)果表明數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，證明了本文數(shù)值方法的可靠性。

圖6 1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Verification of time histories of pressure at point 1

圖7 2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 7 Verification of time histories of pressure at point 2

圖8 3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 8 Verification of time histories of pressure at point 3

圖9 加速度時(shí)歷曲線數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 9 Verification of time histories of acceleration

圖10 速度矢量圖Fig. 10 Velocity vector diagram

結(jié)構(gòu)物入水過程中的流體體積分?jǐn)?shù)云圖如圖11 所示，3 張橫剖面圖分別對(duì)應(yīng)入水后0.1 s（底部入水）、0.22 s（連接橋觸水瞬間）和0.27 s（氣體團(tuán)下移）時(shí)刻，上部區(qū)域?yàn)闅怏w，下部區(qū)域?yàn)樗?，白色為三體船模型?？梢杂^察到三體船入水后自由液面變化劇烈，主體興波并伴隨射流現(xiàn)象。0.22 s 左右連接橋開始接觸到自由液面，在加速度時(shí)歷曲線上產(chǎn)生一個(gè)最大峰值，此時(shí)砰擊載荷達(dá)到最大并且可以觀察到連接橋附近有大量氣體聚集并逐漸形成一個(gè)空氣團(tuán)，隨著繼續(xù)入水，空氣團(tuán)逐漸沿著船體表面向下移動(dòng)，最終破碎后開始向船體兩側(cè)逃逸。最后一張?jiān)茍D可以明顯看出氣體團(tuán)下移現(xiàn)象。

圖11 不同時(shí)刻自由液面圖Fig. 11 Free surface at different times

圖12 所示為三體船表面氣量圖，三張仰視圖分別為入水后0.03 s，0.22 s 和0.27 s 時(shí)刻。由圖中可以觀察到氣體的逃逸情況。在船體底部入水后一段時(shí)間內(nèi)，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 周圍氣體由于船體升角很小無法逃逸被壓入水中，在入水0.03 s 后，船底中心區(qū)域依舊充滿氣體，而且船底兩側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)水氣混合物了。這說明當(dāng)船體升角較小時(shí)，氣體在短時(shí)間內(nèi)很難被壓出，會(huì)在船體表面形成一層空氣。在0.22 s 左右連接橋處出現(xiàn)水氣混合物，而此時(shí)正是連接橋壓力峰值時(shí)刻。隨著入水深度增加，可以看出氣體幾乎全部聚集在主體與連接橋拐點(diǎn)處并開始向下移動(dòng)，此時(shí)會(huì)在主體附近產(chǎn)生空氣聚集并逐漸逃逸。

圖12 不同時(shí)刻氣量云圖Fig. 12 Contours of air volume at different times

1.5 入水高度的影響

選取入水角α=0°，入水垂向初速度v=0 m/s，入水高度h=0 mm 和h=20 mm，研究不同高度對(duì)入水的影響，結(jié)果如圖13～圖16 所示，其中圖13～圖15 為3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線對(duì)比，圖16 為加速度時(shí)歷曲線對(duì)比。由圖中可以看出：隨著高度增加，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 的峰值明顯增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 的壓力值變化較小；由于底部砰擊壓力增加導(dǎo)致加速度在t=0.065 s 時(shí)刻出現(xiàn)第一個(gè)小的峰值，而0 mm 入水沒有這個(gè)峰值；相比于入水高度h=0 mm，h=20 mm 在1 和2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)歷曲線上有兩個(gè)加速度峰值。當(dāng)入水高度h=20 mm 時(shí)，船體底部在接觸水面時(shí)有一定的初速度，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的砰擊壓力。h=0 mm 時(shí)，由于入水速度為0，因此在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 和2的壓力時(shí)歷曲線上未出現(xiàn)峰值。由圖中還可以看出，當(dāng)三體船以一定高度入水時(shí)會(huì)產(chǎn)生2 個(gè)砰擊峰值，一次為底部砰擊，另一次為連接橋入水產(chǎn)生的最低峰值，并且砰擊加速度隨著高度增加而增加，入水高度20 mm 時(shí)的入水加速度最高峰值相比0 mm 入水增加了大約25%。

圖13 不同下落高度1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 13 Time histories of pressure at point 1 at different drop heights

圖14 不同下落高度2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 14 Time histories of pressure at point 2 at different drop heights

圖15 不同下落高度3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 15 Time histories of pressure at point 3 at different drop heights

圖16 不同下落高度加速度時(shí)歷曲線Fig. 16 Time histories of acceleration at different drop heights

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 入水過程中的氣墊效應(yīng)

為了研究氣墊對(duì)入水砰擊的影響，通過減小三體船到流域壁面的縱向距離來限制氣體的逃逸速度。定義減小流域（三體船兩側(cè)的流域縮小至5 mm）的工況為氣墊工況，原始流域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)工況。2 種工況的三維示意圖如圖17 所示，深黑色為三體船，淡色為背景網(wǎng)格，可以看出氣墊工況的流域?qū)挾让黠@縮小。圖18 是氣墊工況局部網(wǎng)格放大剖面圖，紅色區(qū)域最右側(cè)為三體船壁面，向外延伸4 層邊界層，然后是兩層重疊區(qū)域網(wǎng)格，外側(cè)是流域網(wǎng)格。

圖17 兩種工況三維圖Fig. 17 Three-dimensional diagram of two conditions

圖18 氣墊工況網(wǎng)格圖Fig. 18 Grid diagram of air cushion condition

選擇入水高度h=0 mm，入水初速度v=0 m/s的工況來研究入水過程中氣墊的作用。對(duì)氣墊工況和標(biāo)準(zhǔn)工況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖19～圖20 所示，其中圖19 為連接橋處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線。由圖中可以看出：由于限制了氣體的逃逸，壓力時(shí)歷曲線產(chǎn)生了很大變化；相比標(biāo)準(zhǔn)工況，連接橋處氣體幾乎無法逃逸，顯著地增強(qiáng)了此處的氣墊效應(yīng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 處的壓力降低了78%，并且整體壓力時(shí)歷曲線變得十分平坦。圖20 所示為兩種工況的加速度時(shí)歷曲線。由圖中可以看出，氣墊工況下不僅加速度峰值變小，而且整個(gè)砰擊過程的加速度曲線變得平緩。

圖19 3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 19 Time histories of pressure at point 3

圖20 加速度時(shí)歷曲線Fig. 20 Time histories of acceleration under different conditions

2.2 降載封板外形研究

氣墊效應(yīng)在入水砰擊中至關(guān)重要，通過加強(qiáng)氣墊效應(yīng)可有效降低砰擊載荷。本次研究簡(jiǎn)化三體船為立方體結(jié)構(gòu)并引入三種連接橋底封板外形來強(qiáng)化氣墊作用，包括兩種矩形和一種梯形結(jié)構(gòu)物。圖21 所示為矩形封板網(wǎng)格示意圖，另一個(gè)矩形封板的邊長(zhǎng)縮小一倍，梯形封板則為矩形形狀換成等腰梯形。

圖21 矩形封板結(jié)構(gòu)Fig. 21 Rectangular bottom plate structure

選擇入水高度h=0 mm，入水初速度v=0 m/s工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖22～圖23 和表1 所示，其中圖22 為總體加速度時(shí)歷曲線，圖23 為連接橋某一點(diǎn)處的砰擊壓力時(shí)歷曲線。由圖和表中可以看出：矩形結(jié)構(gòu)相比于平板和其他外形底封板的性能更加優(yōu)秀，相比平板，增加矩形封板后結(jié)構(gòu)物加速度峰值減小了6.81%；底封板對(duì)局部砰擊壓力也有重要影響，對(duì)于矩形封板，相對(duì)于平板情況的砰擊壓力峰值減小了9.46%；邊長(zhǎng)減少一半的第2 類矩形封板的性能差于大尺寸的矩形封板，說明封板外形尺寸對(duì)增強(qiáng)氣墊效應(yīng)有重要影響，在這方面還存在一定的優(yōu)化空間。

圖22 不同封板外形時(shí)的加速度時(shí)歷曲線Fig. 22 Time histories of acceleration for different bottom plates

圖23 不同封板外形下連接橋處砰擊壓力時(shí)歷曲線Fig. 23 Time histories of pressure at trimaran cross-deck for different bottom plates

表1 不同封板外形下的計(jì)算結(jié)果Table 1 The result of different bottom plates

根據(jù)以上結(jié)論，選擇矩形封板進(jìn)行三體船入水砰擊降載結(jié)構(gòu)研究，結(jié)果如圖24 所示。平板工況下加速度峰值為14.51 m/s2，增加矩形封板工況下加速度峰值為13.214 m/s2，后者比前者減小了8.93%，并且矩形封板工況延遲了砰擊峰值。此外還發(fā)現(xiàn)矩形封板僅對(duì)加速度峰值有影響，對(duì)加速度時(shí)歷曲線的其他部分幾乎無影響。

圖24 兩種工況的加速度時(shí)歷曲線Fig. 24 Time histories of acceleration under two conditions

值得注意的是，總體加速度減小并不意味著整個(gè)分段在砰擊作用下更加安全，還要觀察局部砰擊壓力情況。本文分別選取連接橋附近某個(gè)矩形封板凸臺(tái)處和凹槽處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來分析局部壓力情況，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖25 所示，均位于中橫剖面上，且都被安放在凹槽和凸臺(tái)的中心處。數(shù)值結(jié)果如圖26～圖27 所示。由圖中可以看出，采用矩形封板之后，無論在矩形凸臺(tái)還是凹槽內(nèi)砰擊壓力都得到緩解。其中凹槽內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況為，平板工況壓力峰值1 799.3 Pa，矩形封板壓力峰值1 470.2 Pa，后者比前者減少了18.29%；凸臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況為，平板工況壓力峰值1 824.91 Pa，矩形封板壓力峰值1 545.4 Pa，后者比前者減少了15.32%。因?yàn)榫匦涡螤羁梢杂行Ъ訌?qiáng)氣墊效應(yīng)，當(dāng)氣體被下落的船體壓縮時(shí)，矩形封板工況中氣體會(huì)流向矩形之間的凹槽內(nèi)，這樣一來矩形表面上的壓力由于氣體的流動(dòng)會(huì)明顯降低，而流入凹槽內(nèi)的氣體會(huì)困于凹槽內(nèi)從而形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的氣墊，這使得船體砰擊壓力進(jìn)一步降低，并且砰擊峰值出現(xiàn)延遲的特性。

圖25 凹槽與凸臺(tái)分布圖Fig. 25 Distribution of grooves and lug boss

圖26 封板凹槽點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 26 The time history of pressure at the groove point

圖27 封板凸點(diǎn)壓力時(shí)歷曲線Fig. 27 The time history of pressure at the lug boss point

3 結(jié) 論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)方法研究了三體船入水砰擊過程中的氣墊效應(yīng)，首先通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本次計(jì)算物理模型的可靠性，其次通過增加擋板來限制氣體逃逸以研究增強(qiáng)氣墊效應(yīng)后的砰擊特性，最后研究了不同形狀的底部封板對(duì)砰擊載荷和入水加速度的影響。主要結(jié)論如下：

1) 三體船分段隨著入水高度的增加砰擊壓力峰值會(huì)增加。在主船體小底升角附近，以一定高度入水過程中會(huì)產(chǎn)生兩次砰擊峰值。第一次為主船體入水產(chǎn)生，第二次為連接橋入水產(chǎn)生。此外，發(fā)現(xiàn)在連接橋入水瞬間，船體底部的砰擊壓力會(huì)瞬間降低。

2) 氣墊對(duì)于三體船入水砰擊具有重要影響，不僅可以顯著降低砰擊壓力峰值，還可以使整個(gè)砰擊過程變得相對(duì)平緩。

3) 三體船連接橋使用矩形間隔排列的封板具有較好的降載效果，它不僅可以減小總體砰擊加速度峰值，而且可以對(duì)局部砰擊壓力進(jìn)行優(yōu)化。值得注意的是，凹槽處的減壓效果要略微優(yōu)于凸臺(tái)處，矩形封板對(duì)砰擊峰值上有優(yōu)化效果，對(duì)入水其他時(shí)間段效果不明顯。