喷水船自航试验研究综述

喷水船自航试验研究综述

三艘船是为满足现代海洋的需要而设计的独特、有效的三艘船。虽然这个概念的概念已经提出，但对大量资金的投资研究尚未超过30年。2000年以来三体船已经成为世界船舶领域的一个热点。所谓三体船就是由三个船体组成,三个瘦长的船体共享一个主甲板及上层结构,其中间为主船体,尺度约占排水体积的90%,两侧并肩各有一个大小相同的辅助片体,各占总排水体积的5%左右。主体与片体之间由连接桥连接,船型整体上“又长又宽”。见图1。与单体船相比,三体船甲板面积宽敞,舱室容积增大,全船的隐身性能好,两侧片体为三体船提供良好的稳定性,可以提高船的耐波性能;中体和侧体细长,艉部来流好,有利于降低推进系统噪声。总而言之,三体设计使船舶具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的适航稳定性和更出色的操纵性,战场生存能力更为出色。从推进方式上来讲,基于上述三体船的快速性需求、隐身性需求、使用工况需求三方面,常规的螺旋桨推进优化设计已经不能满足其设计要求,亟需一种特殊的推进方式来满足三体船的设计目标。1排水系统与三体船性能1)喷水推进器的泵壳类似于导管从而具有附加推力,水下附体小利于减小阻力,流道的合理布置能够改变船舶航行时的势流场,推进泵叶轮来流均匀,这些都利于喷水推进器匹配船体后推进效率的提高。2)研究表明,空泡是主要的噪声源,三体船作为高速艇面临的主要噪声问题是推进器的空泡。喷水推进泵叶轮在均匀流场中工作,能有效利用来流冲压,使其在高速范围内较螺旋桨有更好的抗空泡性能,也能得到更高的推进效率。3)喷水推进适应变工况能力强,主机不易过载,系泊状态主机转速可达额定值90%以上。已投入使用的喷水推进船———胜利油田超浅吃水多用途供应船“胜利221”号的实用经验表明喷水推进船在多种工况下获得令人满意的使用效果。目前设计的三体船使命是多元化的,其推进系统必须保证其在多工况下仍具有较好的推进效果。4)三体船普遍采用方艉设计,方形船艉是最能发挥喷水推进器推进效率的船舶艉型,基于方形艉部的优化设计对于提高船体-推进泵联合系统效率非常有效。2ittc试验研究ITTC组织在第20届大会上成立了喷水推进专家委员会(TheSpecialistCommitteeonWaterjets)致力于喷水推进船的试验研究。喷水推进的研究开始的很早,但前期研究都是基于裸船体船模阻力试验和孤立泵特性研究,业内已经证明该种预报方式误差太大,所以目前ITTC的研究重点是开发基于自航试验的喷水推进船舶预报方法。第24届ITTC喷水推进专家委员会安排了喷水推进基准试验任务,有9个单位参加。专家委员会按照统一标准加工2艘完全一样的模型,模型母型为美国海军“雅典娜”号科考船船型,其中一艘在欧洲轮流进行试验,一艘用于美国和亚洲试验,两艘模型均配有同样的喷水推进系统。试验测量数据包括:光体阻力,光体进口速度测量,工作段进口速度测量,喷流速度测量,动量通量计算,实尺度预报。喷水推进基准试验任务的目标就是解决试验测量中的不确定度因素和尺度效应问题,所以,ITTC第25届会议进行了不确定度分析委员会工作报告。与此同时,已确认的规程的验证和改进是必须随着试验数据的分析进行不断地修改,以期解决上述问题。此外,借助于CFD方法了解喷水推进器与船体的相互干扰及对入水口处的空化分析和速度测量将是今后十分重要的研究课题。3轴流式墨水推进技术美国海军“雅典娜”号科考船早在2002年ITTC第23次会议上就被选定为喷水推进器设计研究母型。2005年ITTC组织第24届会议上,除去德国SVA和俄罗斯KRSI因为未能及时接收船模而没能完成实验之外,剩余单位提交了其对美国海军“雅典娜”号科考船船模自航试验研究结果。计算结果被第24届ITTC喷水推进委员会收录。图3为“雅典娜”号船模自航试验图片。2007年Wue562rtsila公司的Bulten和Verbeek研发了一种新型的轴流式喷水推进器。试验表明:推进效率相似的情况下,轴流式喷水推进器较混流式喷水推进器的空穴性能明显要好很多。在此研究基础上,Wue562rtsila公司基于大量的数值计算和试验研究,研发了LJX系列和WLD系列两种商用轴流式喷水推进器,并且已经实现了市场化。LJX系列新型高性能喷水推进器较市场上提供的其他喷水推进器采用的安装法兰直径小25%,整体重量轻10%,空穴余量高35%。LJX系列实现了不改变船舶船艉宽度的情况下,减少喷水推进器数量来实现推进动力的要求,为高性能船舶的进一步发展提供较大空间。美国海军一直致力于轴流式喷水推进技术在高速军舰上面的运用。2007年Fung等人通过不同形状的船艏、船艉配置设计了一种“概念单体船”,并分别采用混流式喷水器、轴流式喷水器、吊舱推进器、传统轴承式螺旋桨推进的方式进行动力性能评估。同年,Cusanelly等人进行了此方案的阻力试验和自航试验。阻力试验结果表明轴流式喷水推进器性能最优;自航试验结果表明高航速范围内喷水推进方式推进性能较好,低航速范围内常规螺旋桨推进性能较好。2008年Jessup等人依照高速船喷水推进性能预报试验规程对四轴流式喷水推进器的高速救生舰(见图4)进行了动力性能细化研究,采用的模型和Cusanelly等人一致。相对于前人不同的是,Jessup的研究是在船型和动力要求确定的情况下,对轴流式喷水推进器和混流式喷水推进器进行差异研究。喷水推进船自航试验最困难的部分就是对船模不同截面处的速度数据采集,Jessup的试验采用激光多普勒测速仪(LDV)对图2中对①、②、⑥站号截面进行测速。Jessup的试验表明:喷水推进器进口布置(见图5)对采用轴流式喷水推进器或者混流式喷水推进器有影响。4中国进步与未来研究4.1模型试验研究中国三体救生船采用的推进方式是喷水推进方式(见图6)。近些年研究主要集中在高速三体船的片体布局优化研究上,三体船耐波性理论研究,三体船的船体阻力研究等方面。其中理论研究一般是从水动力学理论出发进行研究和CFD方法预报研究,同时在模型试验方面,上海交通大学、哈尔滨工程大学、大连理工大学、海军工程大学、七○二所、七○八所等有试验条件的高校和研究所均进行了耐波性、片体布局优化、阻力问题等的模型试验研究。七○八所已建成喷水推进综合性能试验台,该试验台能够完成包括模型泵和实泵在内的泵性能试验、内特性试验、可靠性试验,试验技术成熟且设备精良,已经达到国际要求标准。但是,对于船体-推进泵联合系统的研究国内还处于起步阶段,国内开始进行船体-推进泵联合系统自航试验研究的水池很少,而特定的针对喷水推进三体船的理论研究和自航试验研究更是寥寥可数,这方面的研究还没能达到独立泵的试验研究水平,国内未能充分利用已有的条件开展针对于喷水推进船的自航试验研究。当前成熟的船体和喷水推进泵的特定匹配技术还是掌握在国外喷水推进器制造商手中,国内喷水推进器制造商能根据主机功率和船舶的阻力曲线提供图表进行喷水推进系统的初步选择,但对于特定船型的针对性匹配仍是空白。因此,在国内各高校和研究所加快对喷水推进船的自航试验研究迫在眉睫,国内在船体-推进泵联合系统的研究还有很大的空间。4.2未来研究4.2.1纺粘的流体喷水推进船自航试验中最重要也最困难的部分就是对船模不同站号截面处流体速度数据采集。ITTC规程中提出可以用计算流体力学的方法进行测量。在试验研究方面,ITTC推荐且界内普遍采用的是压差传感器(DPTs)对喷嘴处测速和激光多普勒测速仪(LDV)对图2中各站号截面进行测速,测量数据的精准度对于不确定度分析影响非常大,若能在该方面研究取得进展对于推进高速船喷水推进性能预报试验规程的完善将是巨大贡献。4.2.2进水口处截面处的截面积船体-推进泵联合系统的试验研究与单独进行喷水推进泵或者裸船体的研究最大的不同就是初始的设计推力和裸船体阻力不一样。从定性来看,进水口处截面处在船体表面边界层内,会改变船体伴流;从船体底部吸入水流会因为产生管道损失和进口处滑行面的损失而改变其原定的设计扬程。但是,定量的确定安装喷水推进器后的裸船体阻力的变化和安装喷水推进器后喷水推进器设计推力变化必须通过船体-推进泵联合系统的试验研究来解释这些问题,试验具体内容包括推力线高度变化、船舶纵倾、进口速度分布、浸湿长度及进流动量变化等。4.2.3船型、水浸推进泵模型的匹配喷水推进泵提供足够的推进力是可以由喷水推进制造商保证的,制造商可根据主机功率和船舶的阻力曲线提供图表进行喷水推进系统的初步选择。但是,改变泵的喷口速比、导叶的几何尺寸等就能改变泵的特性曲线,所以针对不同的船型可以做出适当的调整来使推进泵运行点能有最高的推进效率。三体船是一种特种船舶,本身的船型设计还处在一个摸索中前进的阶段,并没有达到成熟定型的程度。因此,通过船体-推进泵联合系统的试验研究实现船型和喷水推进泵模型的针对性匹配,这样能够最大效率地实现船-泵联合效率的最佳优化。国内已经有很多可以生产喷水推进器的制造商,制造商有各自进行选择喷水推进系统的程序和方法,部分拖曳水池对三体船的理论研究和试验研究已经取得一定成果,制造商和科研单位双方应发挥各自优势共同研发,实现功能互补。4.2.4面处流体速度数据采集计算流体力学(CFD)方法作为一种优良的手段能够帮助我们更好地了解喷水推进船流场的流动特性,前述对船模不同站号截面处流体速度数据采集可以运用CFD方法进行数值计算。同时,CFD方法还可以对流场的湍流模式进行模拟,以了解不同湍流模式下流动的区别。现在的CFD软件已经较为成熟,若能正确地做出计算模型的网格划分、边界条件处理、模型选择等进行数值计算,其结果可以作为自航试验方案设计的参考,解决现在存在的争议性问题,还可以对试验手段无法达到的试验条件作前瞻性的预测。5水系自航试验随着ITTC高速船喷水推进性能预报试验规程的颁布和不断完善,国外喷水推进船模试验研究已经成型,前述国外实例也只是国外进行的喷水推进船试验的一部分。国内水池的硬件条件和软件条件均未达到对ITTC高速船喷水推进性能预报试验规程中的设定条件,因此国内也没有水池担任喷水推进专家委员会安排的喷水推进基准试验任务,且业界对船模试验的重视程度还不够高,这些都是国内在此方面研究进程缓慢的原因,国内在喷水推进船的自航试验研究方面还有很长的路要走。国内学者应该不断提升理论和实践水平,加强与国外优秀水池的交流学习,引进船体-推进泵联合系统的自航试验设备,对喷水推进船模自航试验进行深入研究,进而使喷水推进三体船的自航试验研究水到渠成。未来国内具有完成喷水推进三体船的自航试验能力,不仅能开拓国内喷水推进制造商的市场,掌握船-推进泵系统的针对性匹配技术,早日摆脱当前对国外喷水推进泵公司的依赖,还能得到独立自主的研究成果,这对于国内学术水平的提