船舶涡旋流堵漏桨叶位置与涡旋流形成效果的关系研究

韩云东，金良安，侯建军，王 涌，迟 卫

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

0 引 言

船舶堵漏是利用各种器材、工具堵塞船舶破洞，阻止海水进入，保持船舶浮性的重要方法，对船舶生命力保障起着至关重要的作用，也是船舶损管研究的一项重要内容［1］。为此，船舶堵漏研究一直受到国内外的高度重视，并推广应用了多种堵漏方法，大量事实表明它们对船舶安全航行起着重要的保障作用。

现有的堵漏方法大都单纯以“堵”为主，存在着以下固有不足［2］：①堵漏效率不高。由于面临巨大的海水压力，难以做到完全水密，特别是对面积大于0.05m2的中大型破洞一直没有较好的办法，而这往往是船舶浮性快速丧失、进而沉没的最主要原因。②堵漏器材发展滞后。大部分器材都是上世纪八、九十年代以前研发的产品，已无法满足现代化新型船舶对高效堵漏的需要。③人员依赖性强。由于堵漏器材机械化程度较低，因此对损管人员专用技术依赖性大。④心理负担大。堵漏时巨大的海水压力和危险的工作环境，都使操作人员面临着很大的心理负担。⑤堵漏条件有限。对于舷较高、舰身较长的大型船舶或者全封闭船舶难以实施现有的舷外堵漏方法。由于这些不足一直未能找到合适的办法加以解决，因而被看成是船舶堵漏技术发展的“瓶颈”，严重影响现代船舶生命力的保障。

针对上述固有问题，研究了船舶涡旋流堵漏新方法，对其堵漏思想、基本原理以及柔性、刚性桨叶生成的涡旋流对破口进水量的影响规律等进行了初步研究［3］。对柔性和刚性桨叶位置与涡旋流形成效果的关系进行了实验研究，旨在为船舶涡旋流堵漏新方法的完善提供理论和实验基础。

1 实验设计与实现

1.1 实验原理

文献［3］介绍了涡旋流堵漏方法（参见图1）的原理，即一旦船舶发生破损，迅速在破损处附近海面适当位置投放涡旋流生成装置，使船舶破口外侧的海水高速旋转，形成局部高速涡旋流场［4－7］。根据伯努利原理，破口处海水沿船外板水平切线方向的速度越大，则其作用于破口的侧压力越小，从而降低堵漏难度，延长可用于堵漏的时间，进而更方便地实施传统堵漏方法，达到高效堵漏抗沉的目的。

图1 船舶涡旋流堵漏方法的示意图Fig.1 Leaking stoppage technology by vortical flows

实验原理是：保持驱动桨叶旋转的电机转速不变，使桨叶与破口水平方向上的距离固定，通过改变桨叶与破口垂直方向上的距离，即在破口附近不同高度上形成相同转速的高速涡旋流场，测量不同位置涡旋流作用下模拟破损舱室液位达到指定高度所用的时间，通过比较所用时间的变化，进而得出桨叶工作位置与涡旋流堵漏效果之间的关系。

1.2 实验装置

如图2所示，实验装置包括实验水池、模拟船舶破损舱室、液位自动测量计时装置、自动排水装置和涡旋流生成装置等。

实验水池采用200cm×120cm×80cm（长×宽×高）的立方体容器；模拟船舶破损舱室容积5L，破口以下容积2.9L，破口为直径0.9cm的平口；液位自动测量计时装置由浮子、固定杆和报警计时电路组成，通过监测水位变化，自动进行计时，精确测量进水时间，测量精度为1s；自动排水装置采用S15GZ－15型不锈钢自吸增压泵，能够在20s内将模拟船舶破损舱室内的水抽干，保证模拟船舶破损舱室与实验水池的相对位置不变，进而确保每次实验不因位置变化而导致实验数据产生误差。

图2 实验方法示意图Fig.2 Sketch of examination equipments

涡旋流生成装置是通过特定的桨叶在水中生成所需的涡旋流的装置，由驱动电机和桨叶组成，可以驱动桨叶以400、800和1600r／min的转速旋转；桨叶分为柔性桨叶和刚性桨叶。柔性桨叶是指形状可变的桨叶，其转动时依靠与水的摩擦力带动周围液体转动，产生涡旋流，其轴杆为一直径为1cm，长度为72cm的圆形实心钢轴，底端均匀排列长约为7cm、宽约为1.5cm的布条，如图3（a）所示；刚性桨叶是指形状不可变的桨叶，其转动时依靠桨叶与水的相互作用力生成涡旋流，由轴杆、叶片固定器和刚性桨叶组成，轴杆为一直径1cm、长度76cm的圆形实心钢轴，底端为叶片固定器，在直径为1.5cm、长度为8cm的钢管圆周均匀排列着四片8cm×3cm钢制叶片，如图3（b）所示。

图3 桨叶图片Fig.3 Pictures of propellers

1.3 实验方法

1.3.1 实验步骤

（1）将各装置固定好，保持模拟船舶破损舱室在水池中的位置不变。

（2）测定实验水池水深53cm、破口距水面高度17cm，将桨叶入水的深度（记为“入水深度”，用H表示）先设为9cm（后依次调整为11、13、15和17cm，其中H为13cm时，桨叶中心与破口中心平齐，如图4所示），调整破口与桨叶轴心距离，记为“破口距离”，用L表示，单位cm。

图4 桨叶入水深度示意图Fig.4 Chart of depth under water of propeller

（3）将模拟船舶破损舱室上的破口用橡皮塞塞紧，其作用是在实验开始前，阻止池中的水进入模拟船舶破损舱室内。

（4）开启电机，驱动涡旋流生成器以800r／min的速度旋转，待形成稳定的涡旋流后（大约30s后），拔掉橡皮塞，同时打开液位自动测量计时装置开关，开始计时。

（5）当液位达到指定高度时，液位自动测量计时装置报警，同时停止计时。

（6）关掉液位自动测量计时装置开关，关闭电机开关，记录实验数据。

（7）用自动排水装置将模拟船舶破损舱室内的水抽出，排出的水循环放回实验水池，确保模拟船舶破损舱室与实验水池的相对位置不变，且使每次实验的水位一致。

（8）每组实验完成3次后，调整破口距离L，进行下一组实验。

1.3.2 进水时间T

对于船舶堵漏而言，可用于堵漏的时间是保证堵漏效果的一个重要因素：可用于堵漏的时间越长，则堵漏可达到的效果往往就越好，反之亦然。而对于具体的船舶破损舱室，破口的单位时间进水量越小，则可用于堵漏的时间就越长。为此，特将船舶破损舱室被水完全淹没所用的时间，称为“进水时间”，记作T。

显然，进水时间T主要受破口处海水侧压力的影响，压力减小，进水速度随之降低，进而使T增大，反之亦然。T的改变直接反映了破口处海水侧压力的变化情况，T值越大，说明涡旋流对破口处海水侧压力的衰减效果越明显，即生成的涡旋流效果越好。

鉴于具体实验装置，特将模拟船舶破损舱室中的液位达到指定高度时，液位自动测量计时装置所记录的时间记为进水时间T，单位为s。实验中以T为指标，进行柔性桨叶与刚性桨叶入水深度对涡旋流堵漏效果的实验研究。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

实验测得静水下的T为40s，用T静表示。该实验分别测定柔性桨叶和刚性桨叶入水9～17cm情况下在不同破口距离L下的进水时间T值。

2.1.1 柔性叶片的测量结果

选择柔性桨叶，改变破口距离L，分别测量进水时间T，每组实验进行3次，取其平均值，测量结果如表1所示。横向、纵向分别表示破口距离L值和入水深度H值，单位cm，中间数据是进水时间T值，单位s。

表1 柔性桨叶不同入水深度的测量值Table 1 Measured data of flexible propeller at different depth

2.1.2 刚性叶片的测量结果

选择刚性桨叶，改变L，分别测量T，每组实验进行3次，取其平均值，测量结果如表2所示，表中单位同表1。其中，为了防止因叶片直接接触模拟船舶破损舱室而造成设备损坏，将L的最小值设为5cm。

2.2 柔性桨叶位置与涡旋流生成效果的关系

2.2.1 不同H时T与L的关系

为直观起见，特将表1数据绘制成图5，其中横坐标为破口距离L，单位cm，纵坐标为进水时间T，单位s，图例表示不同H下的L－T曲线图。

表2 刚性桨叶不同入水深度的测量值Table 2 Measured data of rigid propeller at different depth

图5 不同H时T－L的关系曲线图Fig.5 Chart of relationship between T－L with different H

根据图5所示，当L为15cm时，在5种入水深度条件下，T均为40s，与T静相等，此时涡旋流对T几乎没有影响；随着L减小至10cm，H为9和17cm下的T分别为41和42s，显然影响很小，而在此距离上，H为11、13和15cm下的T分别为44、46和44s，有一定的影响；当L进一步缩短至5cm时，H为9和17cm下的T分别为45和50s，有一定影响，而在此距离上，H为11、13和15cm下的T分别达到70、82和85s，延长至T静的175%、205%和212.5%，此时生成的涡旋流对T具有非常明显的影响；当L再缩短到极限值3cm时，9、11、13、15和17cm下的T值也达到极限值，分别是56、135、159、151和67s，延长至T静的140%、337.5%、397.5%、377.5%和167.5%，可见H在11、13和15cm处生成的涡旋流对T具有极为显著的影响，可延长T至T静的300%以上。

2.2.2 不同L时T与H的关系

为了进一步揭示柔性桨叶入水深度对T的影响规律，将图5中的横坐标更换为桨叶入水深度H，图例数据更换为不同破口距离L，得到图6。

图6 不同L时T－H的关系曲线图Fig.6 Chart of relationship between T－Hwith different L

从图6中可以明显的看出：不同破口距离的HT曲线中突起的区域（即延长可用于堵漏的时间最为明显的区域）集中在13～15cm范围内，即桨叶中心与破口平齐或略低时的影响效果最为明显；在不同的桨叶入水深度上，破口距离L越小，则其对T的影响效果也越明显，L为3、4cm时的曲线明显高于其他曲线。

综上，当柔性桨叶与破口处于同一高度且距离破口越近时，生成的涡旋流对延长堵漏时间T、降低破口进水量的效果越明显。

2.3 刚性桨叶位置与涡旋流生成效果的关系

2.3.1 不同H时T与L的关系

据表2数据绘制成图7，其中横坐标为破口距离L，单位cm，纵坐标为进水时间T，单位s。

图7 不同H时T－L的关系曲线图Fig.7 Chart of relationship between T－L with different H

图7与图5的曲线非常相似，当L为16cm时，T与T静基本相等，此时涡旋流对T几乎没有影响；随着L的减小，生成的涡旋流逐渐影响进水时间T，曲线也逐渐陡峭；当L减至极限值5cm时，T值也达到极限值，H为9和17cm下的T分别为63和72s，延长至T静的157.5%和180%，而在此距离上，H为11、13和15cm下的T分别达到146、157和161s，延长至T静的365%、392.5%和402.5%，此时生成的涡旋流对T具有非常明显的影响。

2.3.2 不同L时T与H的关系

同样，将图7中的横坐标更换为桨叶入水深度H，图例数据更换为不同破口距离L，得到图8。

图8 不同L时T－H的关系曲线图Fig.8 Chart of relationship between T－Hwith different L

图8与6的曲线比较相似，延长可用于堵漏的时间最为明显的区域也集中在13～15cm范围内，且破口距离L越小，则其对T的影响效果也越明显。

综上所述，当刚性桨叶与破口处于同一高度附近，距离破口越近时，生成的涡旋流对延长堵漏时间T、降低破口进水量的效果越明显。

2.4 桨叶位置影响涡旋流形成效果的理论简析

由伯努利方程可知：理想流体稳定流动时，同一流管不同截面处，单位体积流体的动能、势能与该处压强之和都是相等的［8－9］。因此只要能设法使破口处海水沿船外板水平切线方向的速度增大，就能使作用于破口的侧压力越小，破口进水速度也随之减小，从而降低堵漏难度，延长可用于堵漏的时间。

当桨叶在电机的驱动下以800r／min的转速旋转时，由于高速旋转的桨叶驱动其周围的水体转动，形成涡旋流，图9给出了桨叶静止时、旋转时的照片，以及生成涡旋流的俯视示意图。

图9 桨叶生成的涡旋流Fig.9 Vortical flows created by propeller

从图9（b）、（e）可以较清楚地看到，高速旋转的桨叶驱动周围的水体旋转，形成一个以转轴为中心的涡旋流，且其中心及上部分的涡旋流较为明显，即桨叶中心位置形成涡旋流的速度相对较快，图9（c）、（f）给出了涡旋流的边界情况。若桨叶中心正好靠近破口中心，则使破口处海水高速转动，形成高速涡旋流场，其运动速度越大，船舶破口外侧局部水体的动能越大，势能保持不变，则破口处压强越小，海水侧压力随之减小，而该压力正是导致破口进水速度的主要原因，进而降低破口进水速度，减小破口进水流量，从而降低堵漏难度，延长可用于堵漏的时间，到达高效堵漏抗沉的目的。因此，证明了实验中得出的“桨叶与破口处于同一高度且距离破口越近，则生成的涡旋流堵漏效果越明显”结论。

3 结束语

应用柔性和刚性桨叶进行了桨叶工作位置与涡旋流生成效果关系的实验研究，认为无论柔性还是刚性桨叶，只要使桨叶的工作位置与破口中心为同一高度，并尽可能地接近破口，则生成的涡旋流对降低破口处水的侧压力的效果更为明显。因此，在实际使用过程中，只要将涡旋流生成装置的桨叶与破口高度平齐，并在距离破口尽可能近的位置高速旋转，形成一定强度的涡旋流，便可达到有效减小破口处水的侧压力，明显抑制破口进水量的目的，从而克服现有方法单纯以“堵”为主的固有不足，更利于船舶堵漏的高效实施。

［1］ 浦金云，金涛，邱金水，等.舰船生命力［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］ 韩云东，黄若波，石侃，等.舰船堵漏技术现状与对策研究［J］.海军大连舰艇学院学报，2011，34（2）：134－138.

［3］ 金良安，韩云东，石侃，等.基于人工涡旋流的船舶堵漏新方法［J］.中国航海，2011，34（3）：40－43.

［4］ 张占峰，汤荣铭，许宏庆.旋流器内流场的研究［J］.流体力学实验与测量，2004，18（4）：88－92.

［5］ 杨晟，余建祖，高红霞，等.过载加速度下涡旋微槽内单相流动特性实验［J］.实验流体力学，2010，24（3）：67－72.

［6］ MOUSAVI S M，ZAMANKHAN P，JAFARI A.Computer simulations of sodium formate solution in a mixing tank［J］.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2008，（13）：380－399.

［7］ JAHODA M，MOSTEK M，KUKUKOVA A，et al.CFD modeling of liquid homogenization in stirred tanks with one and two impellers using large eddy simulation［J］.Trans IChemE，Part A，Chemical Engineering Research and Design，2007，85（A5）：616－625.

［8］ 童秉纲，尹协振，朱克勤.涡运动理论［M］.北京：中国科学技术大学出版社，2009.

［9］ JOHN E F，JOSEPH B F.Fluid mechanics with engineering applications［M］.New York：McGraw－Hill Education，2002.