船舶與海上技術(shù) 螺旋槳空化觀測(cè)和船體壓力測(cè)量的全尺寸試驗(yàn)方法 征求意見(jiàn)稿

GB/T××××—××××/ISO22098:2020船舶與海上技術(shù)螺旋槳空化觀測(cè)和船體壓力測(cè)量的全尺寸試驗(yàn)方法本文件規(guī)定了螺旋槳空化觀測(cè)和船體壓力測(cè)量的全尺寸試驗(yàn)方法。試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯柯菪龢目栈匦约捌鋵?duì)船體振動(dòng)的影響。試驗(yàn)方法包括測(cè)試儀器和設(shè)備、確保結(jié)構(gòu)安全的結(jié)構(gòu)要求、測(cè)試和測(cè)量程序，以及報(bào)告文件。本文件適用于以下階段的船舶：——海試之前或期間，交付階段之前（在建船舶），以及——在交付階段之后。2規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1實(shí)測(cè)船速measuredshipspeed在速度測(cè)量循環(huán)內(nèi)，由起始位置和結(jié)束位置之間的距離和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得到的船舶速度。3.2觀察窗observationwindow用于觀察和調(diào)查船舶螺旋槳?dú)馀莠F(xiàn)象的透明窗口。3.3螺旋槳面propellerplane垂直于軸軸線并包含螺旋槳參考線的平面，即包含根部截面點(diǎn)的參考線。3.4船舶速度shipspeed船舶在規(guī)定條件下實(shí)現(xiàn)的速度。3.5舷窗sidescuttle面積不超過(guò)0.16m2的圓形或橢圓形開(kāi)口。3.6通海閥箱seachest安裝在水線以下的船體中，用于進(jìn)水或排水。2GB/T××××—××××/ISO22098:20204儀器和設(shè)備4.1一般要求對(duì)于所有測(cè)試設(shè)備的船舶安裝，需要檢查被測(cè)試船舶對(duì)象的圖紙，傳感器選擇和設(shè)備安裝位置、工作空間和運(yùn)輸路線在設(shè)計(jì)和建造階段宜進(jìn)行考慮。4.2空化觀測(cè)4.2.1一般要求到目前為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種觀測(cè)全尺寸空化的方法。本文件介紹了各種空化觀測(cè)方法的特點(diǎn)，并規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)空化觀測(cè)試驗(yàn)的必要準(zhǔn)備。4.2.2空化觀測(cè)方法傳統(tǒng)的方法是使用帶有頻閃光源的CCD相機(jī)用于全尺寸空化觀測(cè)。最近，一種在日光條件下使用高速攝像機(jī)的技術(shù)已被使用。與傳統(tǒng)的方法相比，該技術(shù)減少了觀察窗數(shù)量，并能夠觀察空化的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)，以用來(lái)研究氣穴現(xiàn)象。此外，為了減少安裝時(shí)間和成本，已采用孔鏡儀技術(shù)代替現(xiàn)有的觀察窗。對(duì)于內(nèi)窺鏡設(shè)備所需的小型貫穿件，可以在船舶處于漂浮狀態(tài)時(shí)進(jìn)行鉆孔，安裝時(shí)間從幾天縮短到幾個(gè)小時(shí)，并從昂貴的船舶停靠操作中節(jié)省資金。然而，孔鏡儀技術(shù)需要強(qiáng)烈的陽(yáng)光和良好的水質(zhì)。觀察窗對(duì)天氣和海況條件要求并不高。因此，如果有足夠的施工時(shí)間和空間，仍需要觀察窗。應(yīng)根據(jù)安裝的目的、情況和時(shí)間選擇設(shè)備。圖像的頻率很大程度上取決于照明條件，表1顯示了全尺寸螺旋槳空化的各種觀測(cè)方法的幾個(gè)示例。表1空化觀測(cè)方法示例否是是是是是否是是否4.2.3觀察窗口觀察窗的設(shè)計(jì)、制造和安裝應(yīng)符合以下要求3GB/T××××—××××/ISO22098:2020——觀測(cè)能見(jiàn)度；——設(shè)置方便；——結(jié)構(gòu)安全；——防水性能。應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)觀察窗的安全性或分類認(rèn)可。應(yīng)符合符合規(guī)定的適宜材料制造，以避免在船舶的安裝中產(chǎn)生問(wèn)題。表2列出了典型觀察窗的組件和材料。圖1顯示了一個(gè)典型觀察窗的示例。表2典型觀察窗的組件和材料樣例圖1典型觀察窗示例觀察窗的數(shù)量取決于所使用的觀察方法。觀察窗的安裝、位置和尺寸宜通過(guò)船舶尾部結(jié)構(gòu)分析并考慮以下因素進(jìn)行選擇：——空化發(fā)生位置和觀測(cè)范圍；——安裝便利性、工作空間安全和移動(dòng)路線；4GB/T××××—××××/ISO22098:2020——船舶操作吃水深度；——船殼結(jié)構(gòu)安全和布置。觀察窗的準(zhǔn)確位置可以通過(guò)使用船體CAD建模3D分析來(lái)選擇，如圖2所示：圖2觀察窗定位的三維建模示例4.2.4高速攝像機(jī)用于觀測(cè)的高速攝像機(jī)應(yīng)能夠在弱光源下拍攝。因?yàn)閹俾屎头直媛食煞幢汝P(guān)系，宜根據(jù)天氣條件和全尺寸螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度選擇適當(dāng)?shù)膸俾?。根?jù)觀察窗口的數(shù)量，可以使用多個(gè)高速攝像機(jī)。在這種情況下，建議使用一種系統(tǒng)配置，在該配置中攝像機(jī)可同步記錄。4.3船體壓力測(cè)量4.3.1一般要求船體壓力測(cè)量點(diǎn)宜選擇在螺旋槳附近的船尾表面，此出由氣化引起的壓力波動(dòng)值最大。壓力傳感器應(yīng)安裝在螺旋槳平面上方的船尾表面，通過(guò)信號(hào)處理器分析測(cè)量的船體壓力。4.3.2壓力傳感器壓力傳感器的安裝、位置和數(shù)量應(yīng)通過(guò)綜合考慮船體結(jié)構(gòu)、測(cè)試目的、測(cè)量范圍和安裝空間確定。如果使用壓力傳感器，應(yīng)根據(jù)制造商推薦進(jìn)行校準(zhǔn)。安裝的壓力傳感器的一個(gè)例子是在最大壓力下額定的應(yīng)變計(jì)傳感器345kPa，適用于水中0Hz至6000Hz的頻率范圍，如圖3所示。圖3給出了安裝壓力傳感器的一個(gè)例子，應(yīng)變計(jì)傳感器最大額定壓力為345kPa，適用于水中0Hz至6000Hz的頻率范圍。GB/T××××—××××/ISO22098:2020圖3壓力傳感器安裝示例實(shí)際情況是，單螺旋槳船的壓力傳感器大致從螺旋槳平面前方0.8D延伸布置到螺旋槳平面后方0.6D，其中D是螺旋槳直徑。左舷和右舷的最大延伸范圍應(yīng)為0.6D至0.8D，具體取決于船體結(jié)構(gòu)上的安裝位置。一般情況下，傳感器之間的距離在0.15D和0.35D之間。如果可能，應(yīng)至少安裝5個(gè)傳感器。壓力傳感器的安裝位置可以通過(guò)使用CAD建模對(duì)船體形狀進(jìn)行3D分析來(lái)選擇。在綜合考慮模型測(cè)試結(jié)果或CFD分析結(jié)果的情況下，仔細(xì)選擇傳感器的安裝位置。圖4給出了壓力傳感器的位置示例。圖4壓力傳感器位置示例4.3.3脈沖控制器脈沖控制器需要將空化的位置與觀測(cè)設(shè)備（如攝像機(jī)、視頻、孔徑儀和高速攝像機(jī)等）以及由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的壓力傳感器同步。旋轉(zhuǎn)編碼器或光學(xué)傳感器通常安裝在螺旋槳軸上，以產(chǎn)生連續(xù)脈沖并通過(guò)控制器控制產(chǎn)生的脈沖。圖5顯示了安裝在螺旋槳軸上的脈沖發(fā)生器的示例。GB/T××××—××××/ISO22098:2020圖5安裝在螺旋槳軸上的脈沖發(fā)生器示例4.3.4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)安裝信號(hào)處理裝置，為可變壓力傳感器供電，以及用于放大和處理輸出信號(hào)。必要時(shí)，由壓力轉(zhuǎn)化器提高采樣率。還可以根據(jù)壓力傳感器的數(shù)量配置測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)通道的數(shù)量進(jìn)行采樣。壓力傳感器的采樣頻率應(yīng)滿足Nyquist-Shannon采樣定理，例如，它應(yīng)至少是測(cè)試中最高頻率的兩倍。如果可能，建議為最高頻率的四倍。5安裝要求5.1一般要求當(dāng)進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)的船舶處于“交付后階段”時(shí)，船殼上的測(cè)量部分（觀察窗應(yīng)位于此處）的設(shè)計(jì)和安裝不應(yīng)作為船殼部分，可作為通海閥箱。應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)殼板的厚度。按照IACSUILL62和/或IMO決議MSC.143(77)的適用要求，作為一種切實(shí)可行的安裝，觀察窗應(yīng)被視為“舷窗”。觀察窗及其玻璃、百葉窗和防風(fēng)罩（如已安裝）應(yīng)采用經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，并具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，水密性符合或相當(dāng)于國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。不允許采用非金屬框架?？栈^測(cè)配置示例見(jiàn)附錄A。當(dāng)安裝有底塞時(shí)，還應(yīng)按上述要求處理內(nèi)窺鏡孔和/或壓力傳感器孔。觀察窗應(yīng)按照規(guī)范要求使用適宜的材料，并按規(guī)范要求安裝，不應(yīng)在船舶安裝中產(chǎn)生任何問(wèn)題。觀察窗的尺寸和形狀、壓力傳感器和窗戶攝像頭配置可以根據(jù)具體情況確定。5.2安全間隙和水密性當(dāng)觀察窗被螺栓蓋覆蓋時(shí)，應(yīng)確認(rèn)泄漏檢測(cè)的安全間隙（見(jiàn)ISO5894）。當(dāng)電纜貫穿艙壁或甲板等水密部分時(shí)，電纜孔的水密性應(yīng)經(jīng)相關(guān)船級(jí)社和相關(guān)船旗國(guó)批準(zhǔn)認(rèn)可。6試驗(yàn)和測(cè)量程序空化觀測(cè)試驗(yàn)和船體壓力測(cè)量宜考慮以下內(nèi)容：7GB/T××××—××××/ISO22098:2020——螺旋槳葉片的試驗(yàn)準(zhǔn)備（必要時(shí)清潔和/或葉片上的徑向標(biāo)記）；——安裝和檢查觀測(cè)設(shè)備（攝像機(jī)、視頻、孔鏡儀、高速攝像機(jī)和閃光燈等）和/或壓力測(cè)量設(shè)備；——確定試驗(yàn)條件（船舶速度和/或軸功率）；——在進(jìn)行空化觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)天氣環(huán)境、空化觀測(cè)范圍和軸轉(zhuǎn)速確定觀測(cè)設(shè)備（相機(jī)、視頻、孔鏡儀、高速相機(jī)和頻閃燈等）的分辨率設(shè)置；——考慮到觀測(cè)設(shè)備分辨率和軸轉(zhuǎn)速，設(shè)置足夠的測(cè)量時(shí)間；——考慮到不確定性，在相同的操作條件下進(jìn)行了兩次以上的測(cè)試和測(cè)量記錄。在試航試驗(yàn)期間，第7章所列的環(huán)境數(shù)據(jù)和船舶運(yùn)行條件宜按照ISO15016規(guī)定的程序進(jìn)行測(cè)量。特別是，船速和實(shí)測(cè)船速應(yīng)符合ISO15016規(guī)定的船速。壓力波動(dòng)測(cè)量和使用高速相機(jī)觀察氣化模式同時(shí)進(jìn)行時(shí)，建議同步進(jìn)行，以便測(cè)量的壓力信號(hào)可以直接與觀察到的氣化模式關(guān)聯(lián)。關(guān)于船體壓力測(cè)量，數(shù)據(jù)應(yīng)記錄在時(shí)域和分析頻譜中。最常用的數(shù)據(jù)處理是對(duì)測(cè)量值進(jìn)行平均后的諧波分析。通過(guò)頻域分析，可以確定葉片頻率諧波的信號(hào)幅度。信號(hào)的振幅和相應(yīng)的相位角，如最大、最小、平均和最高振幅百分比可由此確定。為了分析螺旋槳引起的脈動(dòng)壓力信號(hào)，對(duì)每個(gè)葉片頻率分量進(jìn)行頻率分析。由于脈沖傳感器安裝在螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸上，脈沖信號(hào)中的一個(gè)脈沖恰好對(duì)應(yīng)螺旋槳的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。使用每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的信息，可以將測(cè)量信號(hào)的整個(gè)間隔劃分為每轉(zhuǎn)一圈的m個(gè)旋轉(zhuǎn)間隔。脈動(dòng)壓力信號(hào)的頻率分析方法如附錄B所示。模型尺度船體壓力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)適當(dāng)?shù)某绦蛲ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。7試驗(yàn)報(bào)告全尺寸空化觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和脈沖壓力測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合以下船舶操作條件進(jìn)行報(bào)告：——船舶數(shù)據(jù)（在垂線前后測(cè)得的吃水深度、觀察窗布置和傳感器、軸中線位置）；——螺旋槳數(shù)據(jù)（螺旋槳直徑和葉片數(shù)量）；——試驗(yàn)條件（船速、實(shí)測(cè)船速、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速和/或扭矩和/或推力——環(huán)境數(shù)據(jù)（風(fēng)、海況、水深）。GB/T××××—××××/ISO22098:2020（資料性）空化觀測(cè)結(jié)構(gòu)示例圖A.1給出了安裝在殼體上的通海閥箱結(jié)構(gòu)示例。圖A.1通海閥箱結(jié)構(gòu)示例GB/T××××—××××/ISO22098:2020（資料性）壓力波動(dòng)信號(hào)分析對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)動(dòng)一圈得m個(gè)間隔的波動(dòng)壓力信號(hào)f（t）可由以下公式表示：式中：t——時(shí)間；n——諧波次序；Z——螺旋槳葉片數(shù)量；P——螺旋槳一轉(zhuǎn)的周期；An——第n個(gè)諧波的波幅，βn——相位角（度），由于整個(gè)測(cè)量間隔被劃分為m轉(zhuǎn)間隔，m轉(zhuǎn)間隔的壓力波動(dòng)幅度和相位角平均值計(jì)算如下：GB/T××××—××××/ISO22098:2020參考文獻(xiàn)[1]ISO5894,Shipsandmarinetechnology—Manholeswithboltedcovers[2]ISO15016,Shipsandmarinetechnology—Guidelinesfortheassessmentofspeedandpowerperformancebyanalysisofspeedtrialdata[3]IACSUILL62,SideScuttles,WindowsandSkylights(Regulation23)[4]IMOResolutionMSC.143(77)(adoptedon5June2003),AmendmentstotheProtocolof1988RelatingtotheInternationalConventiononLoadLines,1966,asreferredtoas“ICLL1988”hereafter[5]HoshinoT.,JungJ.,KimJ.-H.,LeeJ.-H.,HanJ.-M.,ParkH.-G.2010,Fullscalecavitationobservationandpressurefluct