噴水船自航試驗(yàn)研究綜述

噴水船自航試驗(yàn)研究綜述

三艘船是為滿足現(xiàn)代海洋的需要而設(shè)計(jì)的獨(dú)特、有效的三艘船。雖然這個(gè)概念的概念已經(jīng)提出，但對大量資金的投資研究尚未超過30年。2000年以來三體船已經(jīng)成為世界船舶領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。所謂三體船就是由三個(gè)船體組成,三個(gè)瘦長的船體共享一個(gè)主甲板及上層結(jié)構(gòu),其中間為主船體,尺度約占排水體積的90%,兩側(cè)并肩各有一個(gè)大小相同的輔助片體,各占總排水體積的5%左右。主體與片體之間由連接橋連接,船型整體上“又長又寬”。見圖1。與單體船相比,三體船甲板面積寬敞,艙室容積增大,全船的隱身性能好,兩側(cè)片體為三體船提供良好的穩(wěn)定性,可以提高船的耐波性能;中體和側(cè)體細(xì)長,艉部來流好,有利于降低推進(jìn)系統(tǒng)噪聲?？偠灾?三體設(shè)計(jì)使船舶具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的適航穩(wěn)定性和更出色的操縱性,戰(zhàn)場生存能力更為出色。從推進(jìn)方式上來講,基于上述三體船的快速性需求、隱身性需求、使用工況需求三方面,常規(guī)的螺旋槳推進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足其設(shè)計(jì)要求,亟需一種特殊的推進(jìn)方式來滿足三體船的設(shè)計(jì)目標(biāo)。1排水系統(tǒng)與三體船性能1)噴水推進(jìn)器的泵殼類似于導(dǎo)管從而具有附加推力,水下附體小利于減小阻力,流道的合理布置能夠改變船舶航行時(shí)的勢流場,推進(jìn)泵葉輪來流均勻,這些都利于噴水推進(jìn)器匹配船體后推進(jìn)效率的提高。2)研究表明,空泡是主要的噪聲源,三體船作為高速艇面臨的主要噪聲問題是推進(jìn)器的空泡。噴水推進(jìn)泵葉輪在均勻流場中工作,能有效利用來流沖壓,使其在高速范圍內(nèi)較螺旋槳有更好的抗空泡性能,也能得到更高的推進(jìn)效率。3)噴水推進(jìn)適應(yīng)變工況能力強(qiáng),主機(jī)不易過載,系泊狀態(tài)主機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)額定值90%以上。已投入使用的噴水推進(jìn)船———?jiǎng)倮吞锍瑴\吃水多用途供應(yīng)船“勝利221”號的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)表明噴水推進(jìn)船在多種工況下獲得令人滿意的使用效果。目前設(shè)計(jì)的三體船使命是多元化的,其推進(jìn)系統(tǒng)必須保證其在多工況下仍具有較好的推進(jìn)效果。4)三體船普遍采用方艉設(shè)計(jì),方形船艉是最能發(fā)揮噴水推進(jìn)器推進(jìn)效率的船舶艉型,基于方形艉部的優(yōu)化設(shè)計(jì)對于提高船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)效率非常有效。2ittc試驗(yàn)研究ITTC組織在第20屆大會上成立了噴水推進(jìn)專家委員會(TheSpecialistCommitteeonWaterjets)致力于噴水推進(jìn)船的試驗(yàn)研究。噴水推進(jìn)的研究開始的很早,但前期研究都是基于裸船體船模阻力試驗(yàn)和孤立泵特性研究,業(yè)內(nèi)已經(jīng)證明該種預(yù)報(bào)方式誤差太大,所以目前ITTC的研究重點(diǎn)是開發(fā)基于自航試驗(yàn)的噴水推進(jìn)船舶預(yù)報(bào)方法。第24屆ITTC噴水推進(jìn)專家委員會安排了噴水推進(jìn)基準(zhǔn)試驗(yàn)任務(wù),有9個(gè)單位參加。專家委員會按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)加工2艘完全一樣的模型,模型母型為美國海軍“雅典娜”號科考船船型,其中一艘在歐洲輪流進(jìn)行試驗(yàn),一艘用于美國和亞洲試驗(yàn),兩艘模型均配有同樣的噴水推進(jìn)系統(tǒng)。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)包括:光體阻力,光體進(jìn)口速度測量,工作段進(jìn)口速度測量,噴流速度測量,動(dòng)量通量計(jì)算,實(shí)尺度預(yù)報(bào)。噴水推進(jìn)基準(zhǔn)試驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)就是解決試驗(yàn)測量中的不確定度因素和尺度效應(yīng)問題,所以,ITTC第25屆會議進(jìn)行了不確定度分析委員會工作報(bào)告。與此同時(shí),已確認(rèn)的規(guī)程的驗(yàn)證和改進(jìn)是必須隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行不斷地修改,以期解決上述問題。此外,借助于CFD方法了解噴水推進(jìn)器與船體的相互干擾及對入水口處的空化分析和速度測量將是今后十分重要的研究課題。3軸流式墨水推進(jìn)技術(shù)美國海軍“雅典娜”號科考船早在2002年ITTC第23次會議上就被選定為噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)研究母型。2005年ITTC組織第24屆會議上,除去德國SVA和俄羅斯KRSI因?yàn)槲茨芗皶r(shí)接收船模而沒能完成實(shí)驗(yàn)之外,剩余單位提交了其對美國海軍“雅典娜”號科考船船模自航試驗(yàn)研究結(jié)果。計(jì)算結(jié)果被第24屆ITTC噴水推進(jìn)委員會收錄。圖3為“雅典娜”號船模自航試驗(yàn)圖片。2007年Wue562rtsila公司的Bulten和Verbeek研發(fā)了一種新型的軸流式噴水推進(jìn)器。試驗(yàn)表明:推進(jìn)效率相似的情況下,軸流式噴水推進(jìn)器較混流式噴水推進(jìn)器的空穴性能明顯要好很多。在此研究基礎(chǔ)上,Wue562rtsila公司基于大量的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究,研發(fā)了LJX系列和WLD系列兩種商用軸流式噴水推進(jìn)器,并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場化。LJX系列新型高性能噴水推進(jìn)器較市場上提供的其他噴水推進(jìn)器采用的安裝法蘭直徑小25%,整體重量輕10%,空穴余量高35%。LJX系列實(shí)現(xiàn)了不改變船舶船艉寬度的情況下,減少噴水推進(jìn)器數(shù)量來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)動(dòng)力的要求,為高性能船舶的進(jìn)一步發(fā)展提供較大空間。美國海軍一直致力于軸流式噴水推進(jìn)技術(shù)在高速軍艦上面的運(yùn)用。2007年Fung等人通過不同形狀的船艏、船艉配置設(shè)計(jì)了一種“概念單體船”,并分別采用混流式噴水器、軸流式噴水器、吊艙推進(jìn)器、傳統(tǒng)軸承式螺旋槳推進(jìn)的方式進(jìn)行動(dòng)力性能評估。同年,Cusanelly等人進(jìn)行了此方案的阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)。阻力試驗(yàn)結(jié)果表明軸流式噴水推進(jìn)器性能最優(yōu);自航試驗(yàn)結(jié)果表明高航速范圍內(nèi)噴水推進(jìn)方式推進(jìn)性能較好,低航速范圍內(nèi)常規(guī)螺旋槳推進(jìn)性能較好。2008年Jessup等人依照高速船噴水推進(jìn)性能預(yù)報(bào)試驗(yàn)規(guī)程對四軸流式噴水推進(jìn)器的高速救生艦(見圖4)進(jìn)行了動(dòng)力性能細(xì)化研究,采用的模型和Cusanelly等人一致。相對于前人不同的是,Jessup的研究是在船型和動(dòng)力要求確定的情況下,對軸流式噴水推進(jìn)器和混流式噴水推進(jìn)器進(jìn)行差異研究。噴水推進(jìn)船自航試驗(yàn)最困難的部分就是對船模不同截面處的速度數(shù)據(jù)采集,Jessup的試驗(yàn)采用激光多普勒測速儀(LDV)對圖2中對①、②、⑥站號截面進(jìn)行測速。Jessup的試驗(yàn)表明:噴水推進(jìn)器進(jìn)口布置(見圖5)對采用軸流式噴水推進(jìn)器或者混流式噴水推進(jìn)器有影響。4中國進(jìn)步與未來研究4.1模型試驗(yàn)研究中國三體救生船采用的推進(jìn)方式是噴水推進(jìn)方式(見圖6)。近些年研究主要集中在高速三體船的片體布局優(yōu)化研究上,三體船耐波性理論研究,三體船的船體阻力研究等方面。其中理論研究一般是從水動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)進(jìn)行研究和CFD方法預(yù)報(bào)研究,同時(shí)在模型試驗(yàn)方面,上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、大連理工大學(xué)、海軍工程大學(xué)、七○二所、七○八所等有試驗(yàn)條件的高校和研究所均進(jìn)行了耐波性、片體布局優(yōu)化、阻力問題等的模型試驗(yàn)研究。七○八所已建成噴水推進(jìn)綜合性能試驗(yàn)臺,該試驗(yàn)臺能夠完成包括模型泵和實(shí)泵在內(nèi)的泵性能試驗(yàn)、內(nèi)特性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn),試驗(yàn)技術(shù)成熟且設(shè)備精良,已經(jīng)達(dá)到國際要求標(biāo)準(zhǔn)。但是,對于船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的研究國內(nèi)還處于起步階段,國內(nèi)開始進(jìn)行船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)自航試驗(yàn)研究的水池很少,而特定的針對噴水推進(jìn)三體船的理論研究和自航試驗(yàn)研究更是寥寥可數(shù),這方面的研究還沒能達(dá)到獨(dú)立泵的試驗(yàn)研究水平,國內(nèi)未能充分利用已有的條件開展針對于噴水推進(jìn)船的自航試驗(yàn)研究。當(dāng)前成熟的船體和噴水推進(jìn)泵的特定匹配技術(shù)還是掌握在國外噴水推進(jìn)器制造商手中,國內(nèi)噴水推進(jìn)器制造商能根據(jù)主機(jī)功率和船舶的阻力曲線提供圖表進(jìn)行噴水推進(jìn)系統(tǒng)的初步選擇,但對于特定船型的針對性匹配仍是空白。因此,在國內(nèi)各高校和研究所加快對噴水推進(jìn)船的自航試驗(yàn)研究迫在眉睫,國內(nèi)在船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的研究還有很大的空間。4.2未來研究4.2.1紡粘的流體噴水推進(jìn)船自航試驗(yàn)中最重要也最困難的部分就是對船模不同站號截面處流體速度數(shù)據(jù)采集。ITTC規(guī)程中提出可以用計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行測量。在試驗(yàn)研究方面,ITTC推薦且界內(nèi)普遍采用的是壓差傳感器(DPTs)對噴嘴處測速和激光多普勒測速儀(LDV)對圖2中各站號截面進(jìn)行測速,測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度對于不確定度分析影響非常大,若能在該方面研究取得進(jìn)展對于推進(jìn)高速船噴水推進(jìn)性能預(yù)報(bào)試驗(yàn)規(guī)程的完善將是巨大貢獻(xiàn)。4.2.2進(jìn)水口處截面處的截面積船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與單獨(dú)進(jìn)行噴水推進(jìn)泵或者裸船體的研究最大的不同就是初始的設(shè)計(jì)推力和裸船體阻力不一樣。從定性來看,進(jìn)水口處截面處在船體表面邊界層內(nèi),會改變船體伴流;從船體底部吸入水流會因?yàn)楫a(chǎn)生管道損失和進(jìn)口處滑行面的損失而改變其原定的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。但是,定量的確定安裝噴水推進(jìn)器后的裸船體阻力的變化和安裝噴水推進(jìn)器后噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)推力變化必須通過船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的試驗(yàn)研究來解釋這些問題,試驗(yàn)具體內(nèi)容包括推力線高度變化、船舶縱傾、進(jìn)口速度分布、浸濕長度及進(jìn)流動(dòng)量變化等。4.2.3船型、水浸推進(jìn)泵模型的匹配噴水推進(jìn)泵提供足夠的推進(jìn)力是可以由噴水推進(jìn)制造商保證的,制造商可根據(jù)主機(jī)功率和船舶的阻力曲線提供圖表進(jìn)行噴水推進(jìn)系統(tǒng)的初步選擇。但是,改變泵的噴口速比、導(dǎo)葉的幾何尺寸等就能改變泵的特性曲線,所以針對不同的船型可以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來使推進(jìn)泵運(yùn)行點(diǎn)能有最高的推進(jìn)效率。三體船是一種特種船舶,本身的船型設(shè)計(jì)還處在一個(gè)摸索中前進(jìn)的階段,并沒有達(dá)到成熟定型的程度。因此,通過船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的試驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)船型和噴水推進(jìn)泵模型的針對性匹配,這樣能夠最大效率地實(shí)現(xiàn)船-泵聯(lián)合效率的最佳優(yōu)化。國內(nèi)已經(jīng)有很多可以生產(chǎn)噴水推進(jìn)器的制造商,制造商有各自進(jìn)行選擇噴水推進(jìn)系統(tǒng)的程序和方法,部分拖曳水池對三體船的理論研究和試驗(yàn)研究已經(jīng)取得一定成果,制造商和科研單位雙方應(yīng)發(fā)揮各自優(yōu)勢共同研發(fā),實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。4.2.4面處流體速度數(shù)據(jù)采集計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法作為一種優(yōu)良的手段能夠幫助我們更好地了解噴水推進(jìn)船流場的流動(dòng)特性,前述對船模不同站號截面處流體速度數(shù)據(jù)采集可以運(yùn)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。同時(shí),CFD方法還可以對流場的湍流模式進(jìn)行模擬,以了解不同湍流模式下流動(dòng)的區(qū)別?，F(xiàn)在的CFD軟件已經(jīng)較為成熟,若能正確地做出計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分、邊界條件處理、模型選擇等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其結(jié)果可以作為自航試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的參考,解決現(xiàn)在存在的爭議性問題,還可以對試驗(yàn)手段無法達(dá)到的試驗(yàn)條件作前瞻性的預(yù)測。5水系自航試驗(yàn)隨著ITTC高速船噴水推進(jìn)性能預(yù)報(bào)試驗(yàn)規(guī)程的頒布和不斷完善,國外噴水推進(jìn)船模試驗(yàn)研究已經(jīng)成型,前述國外實(shí)例也只是國外進(jìn)行的噴水推進(jìn)船試驗(yàn)的一部分。國內(nèi)水池的硬件條件和軟件條件均未達(dá)到對ITTC高速船噴水推進(jìn)性能預(yù)報(bào)試驗(yàn)規(guī)程中的設(shè)定條件,因此國內(nèi)也沒有水池?fù)?dān)任噴水推進(jìn)專家委員會安排的噴水推進(jìn)基準(zhǔn)試驗(yàn)任務(wù),且業(yè)界對船模試驗(yàn)的重視程度還不夠高,這些都是國內(nèi)在此方面研究進(jìn)程緩慢的原因,國內(nèi)在噴水推進(jìn)船的自航試驗(yàn)研究方面還有很長的路要走。國內(nèi)學(xué)者應(yīng)該不斷提升理論和實(shí)踐水平,加強(qiáng)與國外優(yōu)秀水池的交流學(xué)習(xí),引進(jìn)船體-推進(jìn)泵聯(lián)合系統(tǒng)的自航試驗(yàn)設(shè)備,對噴水推進(jìn)船模自航試驗(yàn)進(jìn)行深入研究,進(jìn)而使噴水推進(jìn)三體船的自航試驗(yàn)研究水到渠成。未來國內(nèi)具有完成噴水推進(jìn)三體船的自航試驗(yàn)?zāi)芰?不僅能開拓國內(nèi)噴水推進(jìn)制造商的市場,掌握船-推進(jìn)泵系統(tǒng)的針對性匹配技術(shù),早日擺脫當(dāng)前對國外噴水推進(jìn)泵公司的依賴,還能得到獨(dú)立自主的研究成果,這對于國內(nèi)學(xué)術(shù)水平的提