标准化船队浅水槽运原理简述及模型试验研究

2012-01-23

船海工程 2012年1期

(西安电子科技大学，西安 710071)

水路运输具有较其它运输方式更经济的优势，内河航运受河流分布状况及航道的限制，使得这一具有天然优势的运输方式在祖国版图上分布不均。设想像建高速公路那样，建设专用浅水槽，在浅水槽中航行标准化船队，并用计算机调控船队进出“港口”。一条宽20 m的双向槽运通道的运输量可以与目前的长江运输量媲美。实现上述设想的先期工作是研究开发适用于干旱地区、用水量小、节能效果显著的浅水模式槽运[1]。

1 基本原理

1.1 船、水槽、水的关系

船、水槽、水的关系见图1。航行中的船高度上升了；船侧和船底多出了水域B。

图1 船、水槽、水的相互关系示意

1.2 特殊船艏

设计特殊船艏，称之为“犁形船艏”，见图2。以一定速度v前行的船队其犁形船艏提升船前水流灌入船侧与水槽壁面之间的缝隙，使槽中的船队左右两侧水位得以提高，水涨船高，整个船体因而得以抬高，见图3。

图2 特殊船艏示意

图3 船艏、船侧与水槽壁面之间缝隙流动分析示意

1.3 水流的动平衡

船队航行中，具有良好流线型的犁形船艏消除了像普通船艏处那样本应存在的壅水，并使船队由前向后的水线延续提高，即整个船队的水线与初始静止状态船队的水线相比为一条中部高、上下游低的曲线。船队艏部的水线低，表明艏部压力降低，因而减小了整个船队的压差阻力。船队艉部的水线低是由于船侧与水槽壁面之间的缝隙中的水在艉部泄漏损耗所致。如果能进一步抬高船队艉部的水线，则将进一步减少整个船队的压差阻力。

降低船艉缝隙泄漏的关键因素是缝隙宽度与速度的配合。一般来说，速度一定时，缝隙宽度大则泄漏大，因而船艉侧壁缝隙处水位低，反之亦然。理论上，流速(船速)一定时，可找到一个无泄漏缝隙宽度，但工程应用中实际缝隙宽度可能稍大于无泄漏缝隙宽度。若船侧与水槽壁面之间的缝隙宽度和船队航速满足一定的匹配条件，则上述泄漏损耗将趋于某一最小定值，这种相对稳定的动平衡状态有利于船身抬高且船舶阻力进一步减少。

需要指明，缝隙摩擦损耗和船艉缝隙的泄漏损耗越少，为保持高水位动平衡，需要从犁形船头处补充的水越少，船体被抬出水面就越高，行船能耗越少。同时，如果在船体左右两侧壁面采用微气泡减阻等减阻措施，则有助于船体的抬升和船队阻力的下降。

总之，在浅水槽中流动的水流是被限制在有限的水槽空间内，并被船体形态及船速所控制的特殊形态水流(而在水流自由流动的广阔的水面是无法形成和保持这种特殊形态水流的)。特别强调，要保持这种特殊形态水流的稳定动平衡，必须先要保持水槽宽度、船形船宽、速度三者不变，缺一不可。比如，若船速下降则船头补水减少，缝隙高水位下降，船将下沉触底。

1.4 船舶迎阻力减小问题

浅水槽运船体的正面投影是长方形，所以迎流面积可用船体入水的两部分直接表示。

1) 在动平衡时，航行中船身的大部分抬出水面，在船头，船前迎面的是低水位，此入水深度远小于普通船的吃水线。

2) 船队艏艉水线的落差所形成的入水深度也由于采取降低缝隙摩擦损耗和船艉缝隙泄漏损耗措施得以明显减小。因此浅水槽运模式不但省水而且节能效果好。

1.5 浅水槽运模式的节能潜力

浅水槽运模式有三个特点可为节能提供方便：①除船艏外，船体是矩形六面体平底船，即使组成船队，使用密闭弹性通道联接技术后，船队仍然可保持矩形六面体的单船形态；②水槽用水量少，而且自循环利用；③初始情况下，水槽中水静止，没有风浪，同时在船体与槽壁之间采取特殊处理，船的摇摆将受到限制。

微气泡可在近壁面处形成一薄层气膜，能够有效地减小固体壁面与其它介质之间的摩擦阻力[2-5]。首先在平底两侧加装硬质裙边，气体在浮力的作用下，使整船船底变成自封闭气垫舱，因船速以及船舶姿态稳定，被封闭气体的泄漏不大，只要在行船中适当补充就行，补充能耗不大，但气垫减阻效果显著。利用微气泡减阻的理论和实验研究表明，平板表面的减阻效果最佳，而槽运船两侧都是大平板，在整个船队左右两侧壁面上生成微气泡，其减阻效果不容置疑。此外，大平板也为涂覆其它减阻材料带来方便。水气混合也是一类减阻方法，由于水槽用水量少且自循环利用，因此使用特殊高分子水气混合减阻熔液的成本会下降。

2 浅水模式槽运原理验证性模型实验

2.1 实验场地及实验设施

1)场地。武汉理工大学流体力学研究所循环水槽，实验段尺寸：长6 m、宽2 m、水深0.9 m、水流速0～1.8 m/s，可调。

2)船模。木制犁形船头、犁形船艉及长方形铁皮船体(高0.11 m、宽0.14 m、长0.8 m，共三节)，用标准砝码压舱，使吃水为0.09 m；

3)模型水槽。用1 m×2 m 铁皮做成槽宽0.18 m、槽边高0.16 m、长4 m的直角水槽,水槽入水深度可调，也可调成斜坡水槽。

4)船模牵引动力。利用循环水槽上方的天车电动机作动力，经加速绞盘牵引船模，用改变加速绞盘的大小直径比来调速(不能无级变速)。

5)便携式摄像机。从不同角度记录试验影像，方便事后分析。

实验装置与模型示意于图4。

图4 实验安装示意

2.2 实验方案

方案一。水槽、船模不动，让水流变速。但由于船与槽之间没有相对移动，缝隙的水流不能跟随明渠流，实验失败。

方案二。水池静水，水槽不动，水槽入水深度(即水槽中水位)可调，船在水槽中被天车牵引，牵引速度在1～2 m/s，船在4 m水槽中只能牵引2～3 s，因此船模仅组合了犁形船头、船艉及一节0.8 m铁皮船体，总长1.5 m。

2.3 实验内容

1) 缝隙宽度与速度的配合。初始铁皮船模侧壁与水槽壁面之间的缝隙宽度两边各2 cm。采用在船模侧壁加贴多层1 mm厚的防水油毡调节缝隙宽度；采用逐步减小加速绞盘中的小盘直径来提速。试验时水槽水深调至0.12 m(0.16 m高的槽沿露出水面0.04 m,吃水0.09 m的船沿露出水面0.02 m，静止时从侧面看，槽沿挡住视野看不见船，船动起来后，船体上升，从侧面才可看见船)。

2) 犁形船艉形状对尾部缝隙泄漏的影响。改变犁形船艉形状的两种方案，以改变船艉流动。

3) 试验由深水区向浅水区过渡。把水槽起始端和末端水深调至0.16 m和0.02 m，使水槽末端的一段水域为浅水区，其水深比吃水0.09 m小。

3 实验结果分析

1) 多次重复实验结果显示，船侧与水槽壁面之间缝隙宽度较大时，缝隙泄漏流量大，此时仅有船头抬升；当船速(牵引速度)一定、缝隙宽度逐步减小时，也见船艉抬高；当缝隙宽度减小到某一定值之后，整船抬升；当牵引速度接近1.8 m/s、缝隙宽度为0.016 m时，船头和船艉整体抬升。

当缝隙宽度和船舶牵引速度匹配时，船队整体能抬升，主要是因为船侧与水槽壁面之间缝隙流量达最大值，正是这一最大值使得船舶两侧水位提高，水涨船高，船队得以抬升。

2) 反复多次重复的模型实验显示，船模瞬间起动牵引力巨大，一旦达到船身抬起的牵引速度并稳定后，牵引力大幅降低。若船在深水区起动，再转入浅水区正常运行，当船突然被牵引，沉埋在吃水线以下的犁形船头立即向前推水，瞬间形成淹没船头的巨大涌浪(孤立波)，犁形船头一面承受涌浪的作用力，另一面引导涌浪灌入缝隙和船底，使船体逐渐上升并冲出涌浪。只要在“港口”(装卸货站、临时停泊点)增添额外起动动装置便可达到要求。

3) 航行稳定后，船艏前方涌浪很快消失，大大减小船队阻力。多次重复实验观察显示，船头的巨大起动涌浪会形成向前传播的波，实验观察显示，当航行稳定，船队抬升，船艏前方涌浪立即消失。这与船舶航行稳定后阻力大幅减小不无关系，可能与船队前方孤立波的力学问题有关，对这一现象的合理解释需要进一步研究。