船模水池实验中波浪对船模运动的影响

船模水池实验中波浪对船模运动的影响

在船舶模型池实验中，船模型的航行速度较低，由造波机生成，并传播到池的另一侧，返回船模型附近，干扰船模型的运动，影响实验结果的准确性。此外，在船舶模型的快速过程中，由于干扰的水面需要随着时间的推移而平静下来，因此航次间需要“等水”，但池塘里的实验成本很高。“等水”浪费了宝贵的实验时间，增加了实验成本。随着实验技术的提高，所有池塘都积极探索了更有效的消波方案，提高了实验的精度，缩短了实验等水时间，提高了实验效率。为了消除由造波机生成并传播到水池另一端的波浪,不使其返回而影响模型试验结果,或为了消除水池的余波,缩短等水时间,通常在水池的始端、水池一侧或两侧的池壁水面附近加设消波装置,消波装置的种类有很多,大体可分为主动式和被动式,消波效果也不尽相同·本项研究之目的,就是通过在水池实验室自主研发的波流作用水槽中进行不同形式的消波装置消波效果实验,探索更适合于水池中的消波装置方案·1消波装置及其改进的建议根据波浪理论及船舶耐波性的相关内容,并结合船模水池的特点,推导水池消波的理论基础,总结消波装置所具有的特性,参照国内外船模水池所使用的消波装置,基于小型波流实验水槽(模拟水池),自行设计制造消波装置,并进行系统实验,检验不同波型下,该装置的消波效果·实验分别针对消减水波反射和缩短等水时间两个方面,取得实验数据并进行分析·在对实验数据进行处理分析后,发现该消波装置所存在的问题和并提出改进的建议,为进行更深入的研究提供指导性建议·2消波装置的基本原理在实验水池中进行实船环境下波浪的模拟,就是通过对造波机摇板运动的控制,实现水面上某流体质点的受控波动,使该点的波面谱函数满足有关实验要求,或使该点的水面波动过程与所要求的波面相似·目前,在船模耐波性能实验中所进行的波浪模拟主要是制造长峰规则波和不规则波(平面进行波)·所谓平面波是指波形具有相互平行且无限长的波峰与波谷线,也称为长峰波;进行波是指波面的传播不是静止的,而是沿某一方向传播出去的·二者相结合就构成了平面进行波·对平面进行波的研究主要基于以下三点:①流体是无粘性、不可压缩的理想流体;②流体质点的运动是无旋的势流运动;③微幅波假设,即波高相对波场是小量·由于h/λ>0.5,故可将实验水槽中的波看作无限水深进行波,为色散波,即波长或波频与波的传播速度有关,具体关系如下:φ=agωekzsin(kx−ωt)ω2=gk=2πgλc=gk√=gλ2π−−√≈1.25λ√τ=2πω=2πλg−−−√≈0.8λ√⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(1)平面进行波流体质点运动轨迹:x=x0−achk(z0+h)shkhsin(kx0−ωt)z=z0+ashk(z0+h)shkhcos(kx0−ωt)⎫⎭⎬(2)轨迹线方程:(x−x0)2[achk(z0+h)shkh]2+(z−z0)2[ashk(z0+h)shkh]2=1(3)式中,φ为水波运动速度势;ω为圆频率;a为波幅;λ为波长;τ为周期;c为波速;k为波数;h为水深;g为重力加速度·无限水深进行波流体质点以等角速度近似地做圆周运动·单位长度内平面进行波的平均总能量E0=Eλ=12ρga2[JX*4]⋅[JX−*4](4)当流体质点遇到固壁会发生反射,其反射波依然具有大量的动能和势能·根据能量守恒定理,消波装置的原理为可吸收水波质点的能量或主动制造与入射波相位相反的波·本消波网箱内采用多孔塑性填塞物,通过碎波和塑性变形来吸收入射波的能量·多孔的作用就是碎波,由于波浪破碎是个复杂的过程,其机理目前尚未完全清楚,从理论上求出能量损失也不现实,各种估算公式在这里也就不再列举·而塑性变形对能量的吸收原理比较简单,可以通过对网状填塞物做受力变形实验,很容易地估算出其吸收能量的能力,这也可以被作为选择填塞物的重要依据·水波传播流过填塞物的网孔时,由于水粘性的存在,在固壁上形成一个边界层,从而使波浪衰减,这也是转化消减波能的因素之一·以上这些是消波装置能够吸收波能,减小波浪反射的基本原理·当造波停止,水波衰减的过程成为有阻尼的自由衰减,而上述吸收波能的因素都可以考虑成阻尼作用,该阻尼力越大,则等水的时间越短·消波网箱的存在即相当于在等水消波的过程中增加了波阻·得到衰减曲线见图2·由于是模拟水池实验,必须满足相应的相似条件·消波装置的消波能力基本方程与相似条件的推导如下·相对于单位长度平面波能量的无量纲数:RUE0=f(ρ,g,U,L,γ,a,t)=f(Re,Fr,aL,tL)其中,Fr=Uga√=1.25λ√ga√,需满足λ/a,由于流体粘性不变,Re相似条件无法满足,暂不考虑·R为单位面积网状物对二维流体的阻力,包括粘性阻力,碎波阻力,塑性阻力,由于材料相同,塑性阻力只与网状填塞物网格密度有关·t为网箱厚度;a为波幅;U为波速;L/1为网格密度(单位面积网状物内网格线的总长);ρ为体积质量·对单位长度平面波消波功率=RU对单位长度平面波消波功=RU·t/U=Rt=(ρ,g,U,L,γ,t)另有aL和tL需要满足,这就要求模型实验和大水池的波高比,网格密度比,网箱厚度比分别相等·而模拟水池一般产生的波高更高,所以模型实验中的网箱厚度和网格密度须相应减小·3材料选择的影响(1)设计原则·宽度以刚好适合模拟实验水槽为标准;较深处流体质点运动很小,所以高度取到一定深度即可;厚度是影响消波效果的重要因素,由于是试验性项目,暂时取值不大·(2)材料选择:外框选择铝合金材料;内填充塞物为柔性塑料网,网孔多密,且塑性较好;另有橡胶作的螺丝垫片·4开发新型波能处理器(1)波流作用实验水槽(长4.0m,宽0.6m,水深0.5m);(2)水槽造波机PARKER;(3)水槽控制器(可按需要对水槽造波机摇板动作进行调节和控制);(4)波高仪(型号WG-50-NI,量程:1m,精度:0.5%);(5)数据采集与分析处理器(采集卡型号:PCI8319,12Bit,32通道);(6)自制消波网箱;(7)水温15℃·5记录和处理实验数据实验数据与处理见表1～表3·6消波网箱的消波能力通过对设计的消波网箱进行消反射波和缩短等水时间两方面的实验,发现消波网箱在消减反射波方面并没有明显的效果,而在缩短等水时间方面效果显著·在消减反射波的实验中,由于波长不同,而池壁的距离是固定的,因而叠加情况不尽相同·对于有些波长的波可成为有利叠加,对于有些波长的波则成为不利叠加·消波网箱的存在对于减小波的叠加没有明显差异,其规律也比较混乱·主要原因是该多孔塑性填塞物的质量过轻,而且没有特别的固定,造成填塞物随波漂动,塑性吸收能量的作用没有完全发挥,相对于造波机产生的具大能量来说,其量级过小·在等水时间的实验中,发现消波网箱的效果非常显著,可大幅缩短等水时间·在按照指数函数拟合的方程式中发现,代表阻尼力的指数项,由0.05提高到1.11,这也验证了本文前面关于网箱相当于增大自由波衰减阻尼的推断·由于在等水实验中,波是自由衰减,不再继续产生新能量,所以网箱的消波能力有了相对的显著性,这是等水实验效果较好的主要原因·7改进网箱结构的初步致长板t(1)小型消波网箱对于减小波浪的反射效果不明显·国内外水池利用网状填塞物消反射波的装置长度足够,即t足够大,而且网状物固定良好·如,大连理工大学的池端消波装置具有横杆状固定装置,而且层叠安装;以色列特拉维夫大学采用岸式网格,极大地增加了t值·根据分析结果和国内外的经验,为改进网箱结构,减小入射波的反射,应该做好网格的固定和增加网箱厚度·(2)网箱对于缩短等水时间效果良好·建议在今后的实验中继续改进网箱的固定方式,增加池壁处加设网箱的效果实验·(3)由于网箱对入射波的消减效果不明显,建议进一步研究其他装置,如砂石岸、主动式消波装置、幕墙式消波方法