江海直达船艏部结构入水砰击试验

彭晟，吴卫国，夏子钰

1中交二航局技术中心海洋工程技术研究室，湖北武汉4300402武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063

江海直达船艏部结构入水砰击试验

彭晟1，2，吴卫国2，夏子钰2

1中交二航局技术中心海洋工程技术研究室，湖北武汉430040
2武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063

新一代江海直达船主要呈宽扁型且吃水较浅，由江入海航行时会发生船艏底部和外飘砰击，严重的砰击会造成船舶主动失速甚至结构损伤，影响船舶与人员安全。传统的理论和相关经验公式很难预报宽扁肥大的艏部结构的砰击载荷。相较于传统的简化模型试验方法，本文基于相似理论设计了与某新型江海直达船艏部结构相似的三维木质模型。采用落水试验的方法进行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰击试验。研究江海直达船艏部结构所受砰击载荷特点，得到砰击压力峰值及其分布规律，同时发现了小角度入水情况下（入水攻角α＜5°）的空气垫效应，空气垫延缓并减小了砰击压力峰值。此外还回归了0°～15°入水攻角下的底部砰击压力预报公式，可供结构设计时参考砰击载荷的选取。

江海直达船；砰击载荷；入水试验；空气垫

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.006.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：彭晟，吴卫国，夏子钰.江海直达船艏部结构入水砰击试验［J］.中国舰船研究，2016，11（4）：14-21.

PENG Sheng，WU Weiguo，XIA Ziyu.Experimental investigation on the slamming load of the flat bow of a sea-river link container ship［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：14-21.

0　引　言

实现江海直达通航可以更好地发挥长江黄金水道的优势，节约营运成本，提高航运效率。国家“十二五”计划中迫切需要新一代的江海直达船来提高内河航运效率，然而江海直达船砰击问题更是亟待解决的关键问题。本文研究对象为新一代的江海直达船，上行运输散货，下行兼运集装箱，为了满足载货要求，新设计的江海直达船结构形式为大开口、浅吃水肥大型船，因而其艏部结构也呈肥大扁平型。当船舶由江段驶入海段后，宽扁的艏底部和外飘结构容易发生砰击。轻者产生颤振，影响船员的工作和生活环境，重则导致船舶结构损伤，影响船舶与人员安全。此外，严重的砰击还会造成船舶的主动失速。

通常，对于砰击问题采用不可压缩势流理论来计算砰击压力。物体入水过程中水的可压缩性以及结构物表面和自由液面间的空气垫影响都被忽略。最早Von Karman［1］提出了基于动量守恒和附加质量影响的砰击压力近似求解方法，得到了二维对称楔形体砰击压力沿某半宽方向的分布，并推导出只与入水速度和入水攻角有关的最大砰击压力预报公式。后来Wagner［2］在Von Karman的基础上引入了包含射流和液面升高影响的近似解方法，还提出了小攻角近似平板理论模型求解砰击压力，得到了更为精准的砰击压力预报公式。在随后的几十年里，众多学者在Wagner理论基础上改进发展了不少精度更高的2D/3D入水砰击压力计算方法。但是，对肥大扁平物体发生的小角度（一般认为物面与液面夹角≤5°）砰击，由于受液面和物面困住而尚未逃逸的空气垫影响，以上理论都无法有效预报砰击压力峰值及其分布。这种流体可压缩性的影响在小角度入水砰击中影响非常大，不能被忽略。特别是江海直达船发生砰击时，宽扁肥大的船底撞击自由液面会包含来不及逃逸的空气，在船底与自由液面之间形成气垫，同时在宽扁的底部边缘产生高速射流。而现在的研究中很难用准确的物理或者数学模型来描述自由液面与结构交界处的喷射和空气垫的形成、溃灭过程［1］以及其产生的砰击压力。

鉴于砰击过程的复杂性和强非线性，对于入水砰击的机理研究和相关理论模型的验证，试验研究无疑是目前为止预报砰击载荷最有效可靠的方法。对于局部砰击载荷试验研究，国内外众多学者采用静水自由落体试验，且大部分将三维砰击简化为二维砰击来研究砰击压力峰值及其分布特点。Chuang［3-4］进行了系列的刚性平板、刚性楔形体、弹性体、圆锥体等不同结构物的入水砰击实验，是撞水实验研究方面做得比较全面的学者之一。同时，他结合了Wagner二维楔形体理论和Chuang的三维圆锥体砰击理论，拟合得到刚性楔形体的砰击压力系数与斜升角之间关系的砰击压力预报公式，得到了在大角度（＞10°）入水砰击情况下公式预报与传统理论计算结果吻合较好的结论。

国内学者黄震球等［5-6］试验研究了平底结构入水砰击问题，讨论了减小平板砰击压力的结构形式。Zhao等［7］对斜升角30°的V形楔形体以及典型的船艏外飘剖面，进行了落体入水冲击实验，测量了砰击压力以及砰击力，验证了其非线性边界元数值计算结果。Okada和Sumi［8-9］进行了一系列不同入水速度、入水攻角的平板入水砰击理论和试验研究，根据测得的砰击压力曲线特征和不同入水攻角将砰击分成了含空气垫的砰击、Wagner型砰击和空气垫-Wagner混合型砰击。Tveitnes等［10］设计了特殊试验装置保证楔形体以恒定速度入水，完成了入水攻角为5°～45°的系列砰击试验，测试得到了砰击力、速度、湿面系数和附加质量，试验结果对于在静水面滑行的数值仿真有较大的借鉴意义。Battley等［11］进行了平板以近似恒定速度入水砰击的试验研究，讨论了水弹性的影响。Huera-Huarte等［12］设计了新的试验装置，研究了高速平板入水砰击过程，测试得到了砰击力和速度，并对小角度砰击情况下的空气垫效应做了相关讨论。在该试验中，试验速度最高达到5.0 m/s，入水角度从0.3°～25°，平板近似为刚性平板。试验结果中，大于5°入水角的结果与Tveitnes的试验结果和近似理论解有着较好的一致性。Engle和Lewis［13］对现有的5种理论、数值和试验的砰击压力预报方法进行了对比，发现各种方法之间仍然有很大的偏差，很难归纳出一个砰击压力预报的统一标准。

上述砰击试验中，多是将艏部结构简化为楔形体或平板结构，直接采用艏部结构相似模型进行砰击载荷的研究较少。这样近似方法无法真实反映船舶的砰击发生区域和峰值的变化规律，尤其对于江海直达船这种宽扁肥大艏部结构，其局部底部和外飘砰击过程更为复杂。为了得到江海直达船艏部结构砰击载荷峰值和分布规律，本文在相似理论的基础上，设计了江海直达船艏部三维木质结构模型和能进行多角度、多高度自由落水砰击的试验塔架，进行了一系列不同入水速度、入水角度（0°～15°）的静水落体砰击试验，得到了砰击压力峰值及其分布规律，可为江海直达船结构设计提供可靠依据。

1　试验过程

模型试验对象为某换代江海直达船艏部结构，具有宽扁肥大的底部和外飘结构，如图1所示。试验中需测量砰击压力及入水相对速度，若要满足试验中船模入水砰击过程与实船砰击过程相似，尽可能真实反映实船砰击载荷的特征，则模型与实船须满足几何相似、运动相似和动力相似的关系，其中主要满足Froude相似条件，主要参数相似关系如表1所示。考虑加工便利性，试验模型采用木质结构，取全船艏1/10段（150#肋位至船艏）进行模型制作，如图2所示。同时考虑到砰击试验水池的尺寸限制，模型与实船的缩尺比选取为1∶40，使模型入水时与池壁保持大于模型长度2倍的距离，尽量避免池壁效应的影响。试验模型和实船的主尺度如表2所示。

表1　主要相似关系Tab.1　The main scales of the relative parameters

图1　型线与艏艉轮廓线Fig.1　Profiles of the shiphull

表2　实船与船模物理量主要参数Tab.2　The main dimension of the full-scale and model-scale model

试验在武汉理工大学冲击试验水池中进行，试验仪器包括高精度压力传感器、加速度传感器、电子数显角度仪、光电开关、数据采集分析系统等。试验水池的外围尺寸为8.90 m×4.90 m×3.15 m，内围尺寸为8.00 m×4.00 m×3.15 m。为了测试不同入水角度下艏部结构砰击载荷规律，特设计了一种新型的可用于水动力学入水冲击试验的塔架。它由桁架式的滑动导轨、滚轮组、固定架和可调距离连接件组成。将该塔架固定于试验水池正上方并与水面保持铅垂，然后将试验模型固定在导轨下方，通过调整导轨下方的连接铰长度使模型与水面保持一定角度，保证艏部结构入水的姿态。部分仪器和装置如图2所示。

图2　模型试验示意图Fig.2　Model test setup

在模型底部布置了8个压力传感器和1个加速度传感器，如表3和图3所示。为了保证压力传感器的外部结构不影响砰击压力的测量，通过在船底测量点贯通孔预埋螺纹基座来连接压力传感器，使压力传感器测量面与船体外表面平齐，保证模型表面光滑且型线与实船一致。

表3　模型测点位置Tab.3　The distribution of the pressure sensors

图3　模型底部压力测点分布Fig.3　The arrangement of the pressure sensors on the bottom

由于砰击过程具有高瞬时性和局部性，测量信号的采样频率设为10 kHz。在测量中，首先将艏部模型装于导轨下，并调节好模型与水面的攻角（α），分别使模型在距水面不同的高度以固定姿态入水发生砰击。用布置在水面附近的光电开关测试艏部模型入水砰击速度，同时可以将加速度信号积分得到模型入水过程速度变化曲线，用压力传感器测试艏部模型所受的砰击压力。考虑到砰击过程的离散性，待水面完全恢复平静后各个工况均重复5次。艏部模型试验的具体测试工况如表4所示。图4所示为江海直达船艏部模型砰击试验过程，艏部结构在设定高度下自由落体以一定的速度撞击水面发生砰击，共完成了各种工况下至少160次入水砰击试验。

2　试验分析

试验结果表明，在较大入水角度情况下，测试结果具有较好的可重复性；在小角度情况下时，测得结果则具有一定的离散性。同时，试验也得到了2种较为典型的砰击压力时间历程曲线，与Okada和Sumi［9］定义的3种典型砰击压力类型特征大致相符。艏部结构发生有角度砰击（α≥5°）时，砰击压力呈Wagner型；当艏部结构垂直入水（α=0°）时，砰击压力呈含空气垫效应型，但与Okada和Sumi定义的略有区别，砰击压力并未出现平缓状，而是在短时间内出现多个震荡的正、负峰值（负压），如图5～图7所示。图5和图6中左、右纵坐标分别表示砰击压力和速度，实线表示P4测点的砰击压力变化，虚线表示模型下落速度Vi变化，横坐标为时间t。模型入水后，从艏至艉的测点先后达到砰击压力峰值，沿纵向方向上同一位置的测点几乎在同一时刻达到峰值，如图7所示。

表4　试验工况Tab.4　The summary of experimental sets

图4　船艏部模型入水砰击过程Fig.4　The process of the water entry of the bow model

图5　模型在入水角为0°时P4测点砰击压力时间历程曲线，入水速度v0=2.5 m/sFig.5　The time histories of the slamming pressure and velocity （impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=0°）

图6　模型在入水角为5°时P4测点砰击压力时间历程曲线，入水速度v0=2.5 m/sFig.6　The time histories of the slamming pressure and velocity （impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=5°）

图7　模型在入水角为5°时底部各测点砰击压力时间历程曲线，入水速度v0=2.5 m/sFig.7　The time histories of the slamming pressures（impact velocityv0=2.5 m/s，water entry angleα=5°）

图5和图6分别给出了试验过程中艏部模型在落高为0.5 m，攻角分别为0°和5°入水发生砰击所测得的最大砰击压力和速度时间历程曲线。该角度下的砰击压力时间历程是典型的Wagner型的砰击。模型自由下落后加速撞向水面，模型速度达到最大值时底部刚好碰到水面发生砰击，随即砰击压力迅速增大到峰值，这一过程的持续时间很短，随后在水动力和浮力共同作用下，艏部结构底部压力逐渐减小到0并趋于稳定。图7所示为模型入水砰击过程中，不同测点砰击压力随时间的变化，其中纵坐标为砰击压力P，横坐标为时间t，不同颜色实线表示了不同位置测点所测的砰击压力。图7所示的入水过程中模型底部各测点砰击压力时间历程曲线，随着模型的逐步入水，自艏向船舯处先后出现脉冲压力峰值；由于模型宽扁的底部保证了流动的二维性，沿宽度方向的测点砰击压力峰值几乎是同时发生的。

图8分别给出模型以v0=2.5 m/s入水速度在0°，5°，10°和15°入水攻角冲击静水面时的船底中心P4压力时间历程曲线，其中纵坐标为无因次化后的砰击压力系数，横坐标为时间。从图8中可以明显看出，当艏部模型垂直入水时（α=0°），其砰击压力时程曲线与其他入水角度的砰击压力时程曲线完全不同。这是因为艏部模型在入水过程中发生了明显空气垫效应和空化现象。由图8可知，模型速度达到最大值前底部砰击压力已经形成了第一个峰值，随着速度减小到0 m/s模型反向加速，底部又形成第二个峰值。这是由于江海直达船艏部模型具有较为宽扁肥大的底部结构，在其入水过程中，模型底部和水面之间极易包裹住一部分来不及逃逸的空气形成空气垫，空气垫中的空气被压缩后导致模型底部表面压力迅速升高，形成了第一个压力峰值。空气垫形成的冲击波到达水面后，使得水面快速上升，并在模型底部水域产生很多空泡层（与Chung［14］等试验中拍摄到的平板入水产生的气泡类似）。随着模型进一步浸入水中，气泡随其周围液体进入压力较高区域时，原空泡周围的液体向着气泡的中心冲去形成的水动力使气泡破裂，高速液体的互相冲撞会造成局部压力骤升并引起噪音（试验中只有0°角入水时伴有较大的拍击声），气泡在冲击状态下反复地被破坏和产生，造成了模型底部震荡的压力分布，如图8所示。随后在水动力和浮力共同作用下，艏部结构底部压力逐渐减小到0 kPa并趋于稳定。当入水角度增大时（α=10°，15°），其砰击压力特性和5°入水角时保持一致，具有较强的瞬时性，只是砰击压力峰值变小而砰击压力持续时间变长。

图8　P4测点在不同入水角度下砰击压力时间历程曲线，入水速度v0=2.5 m/sFig.8　The time histories of the P4 with different water entry angles（impact velocityv0=2.5 m/s）

经过多次重复试验后，得到了艏部结构以0°，5°，10°和15°入水角度在不同入水速度下的底部砰击压力峰值。对试验数据采用无量纲化分析，假设艏部模型是刚性的（由于木质结构局部较大的刚性而忽略水弹性影响），也不考虑入水过程中水的可压缩性，认为入水砰击载荷只与水的密度ρ、入水物的重量m、入水速度v0、入水物体的特征尺度L、入水角度α和砰击持续时间Δt有关。其中砰击持续时间定义为从结构物触水开始到结构物速度为0（或者砰击载荷为0）的时刻。因此，可以将砰击压力P表达成这些变量组成的函数：

根据Von Karman［1］和Wagner［2］的砰击压力预报公式可知，

图9　艏部模型底部（左舷）砰击压力分布（入水速度v0=3.0 m/s，入水角度α=0°）Fig.9　The arrangement of slamming pressure on the bottom of the bow section（impact velocityv0=3.0 m/s，water entry angleα=0°）

则砰击压力系数可以表示为

图10　艏部模型底部P4测点砰击压力峰在不同入水角度和速度下的砰击压力系数Fig.10　The slamming pressure coefficients of the P4 with different water entry velocities and angles

图9所示为船艏结构底部砰击压力沿船长和半宽b方向的分布图，即从0.86Lpp处（Lpp为垂线间长）自艉向艏（x方向）砰击压力系数逐渐减小，自船舯纵线向船宽方向（y方向）砰击压力系数也是逐渐减小的，这样单反向的压力分布规律与传统平板入水理论中砰击压力分布规律是一致的［9］。而整个艏部结构底部砰击压力呈现类似于“热岛效应”的分布规律，即船底中心处压力峰值最大，沿长度方向和宽度方向逐渐减小。图10所示为砰击系数入水速度和角度间的关系图，随着入水速度和入水角度的增大，砰击压力系数随之减小。但是，由于空气垫和空化效应的影响，在入水角度为0°时的砰击压力系数并不是最大的。图11所示为在入水速度为2.5 m/s时不同入水攻角下的砰击压力系数。实线和虚线分别表示砰击压力系数沿船宽和船长方向的变化规律。由图可看出，在小角度砰击时（α=0°或5°）砰击压力沿船长和船宽递减幅度较大，随着入水角度的增大（α≥10°），压力沿船长和船宽方向变化变缓而趋于均布。这是由艏部模型宽扁肥大的底部结构形式所致，在小角度砰击时，底部中心更容易发生空气垫和空化效应，受到较大的瞬态冲击力作用，远离中心处流动速度小，因而边缘处压力较小；在大角度砰击时，艏部结构沿船长方向的入水砰击特性与传统楔形体类似，较长的宽度保证了流动的二维性，使砰击压力沿宽度方向分布较均匀。

图11　砰击压力沿艏部模型长度方向和宽度方向分布规律入水速度v0=2.5 m/sFig.11　The longitudinal and transverse arrangements of slamming pressure on the bottom of the bow section（impact velocityv0=2.5 m/s）

图12所示为试验中测得的模型底部中最大砰击压力和传统的Wagner［2］理论、Chuang［3-4］的试验结果（对应图中右边坐标值）以及Okada［8-9］等的试验和计算结果（对应图中左边坐标值）。由图可知，试验结果和传统的Wagner理论、Chuang试验回归的砰击压力预报公式计算得到的结果具有相同的变化趋势，但数值上两者相差较大。相比于Okada预报得到的砰击压力系数，两者在大于5°入水角时的趋势保持一致，本试验结果略大。但在0°入水角时，本试验测得数值又远小于其结果。而与Tveitnes［10］的试验结果相比（α=5°～15°范围内），本文试验结果偏小。产生这种结果可能是由砰击压力较强的非线性和局部性造成的，试验采用的压力传感器测试面尺寸直径12 mm，试验中测得的压力可能并不一定是船体表面真实压力的最大值。特别是在小角度入水砰击中，空气垫和空化效应的影响使得底部压力在分布和幅值上具有较强的随机性和离散型。同时，由于模型底部型线并非绝对的平板结构，底舭部略为上升的型线使得入水后射流的流速和模型入水产生的附加质量都比平板结构入水的情况小，砰击压力系数随之减小。对于大角度入水砰击（≥5°），本试验模型入水实际上可以等效为传统楔形体中沿宽度方向的一半入水的过程，因而在采用传统理论和试验的预报公式计算砰击压力系数时，由于交界处流场流速和附加质量的减小以及湿表面宽度的变化而产生偏差。如图12所示，目前主要的砰击压力计算公式都无法有效预报此类宽扁肥大船型底部砰击压力，本文对试验结果进行回归得出了各入水角度下底部最大砰击压力的预报公式，如图13和表5所示。

图12　底部最大砰击压力（v0=3.0 m/s）Fig.12　The max slamming pressure with different water entry angles（impact velocityv0=3.0 m/s）

图13　各入水角度下底部最大砰击压力Fig.13　The regression analysis of the max slamming pressure

表5　3D船艏部结构砰击试验得到的压力峰值预报公式Tab.5　Regression equations of the slamming pressure from the present experiments

3　结　论

本文介绍了一种针对典型江海直达船艏部结构的新型三维结构入水砰击试验方法，并进行了不同角度、不同速度等工况下的砰击载荷试验。得到了艏部底部砰击压力峰值和分布特性，并通过对试验分析得出以下结论：

1）江海直达船底部较为肥大，砰击压力和传统平板结构入水特性相似，随入水速度的增大砰击压力增大；在入水角度为5°时，砰击压力峰值最大；由于底部宽扁肥大，在入水过程中可能会夹杂部分空气在船底和水面之间形成气垫，并在入水过程中发生空化效应，造成底部结构压力在入水角度为0°时要小于入水角度为5°的情况；随着角度增大，底部最大砰击压力又逐步减小，且其压力分布符合传统的Wagner型砰击的压力分布特点。

2）此类宽扁肥大型船艏底部结构砰击压力呈现类似于“热岛效应”的分布规律，即船底中心处压力峰值最大，沿长度方向和宽度方向逐渐减小。随着入水角度的增大，这一现象略有减小，特别是入水角度＞10°后，整个底部结构的压力峰值分布较为均匀，不再沿长度和宽度方向衰减。

3）通过试验得到了此类宽扁肥大船型艏部结构底部砰击压力分布特点，并回归了0°～15°入水攻角下的砰击压力预报公式，可供局部结构设计时参考砰击载荷的选取。

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Experimental investigation on the slamming load of the flat bow of a sea-river link container ship

PENG Sheng1，2，WU Weiguo2，XIA Ziyu2

1 Technology Center，CCCC Second Harbour Engineering Co.Ltd.，Wuhan 430040，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

Slamming phenomenon is a transient process，generating a large impact pressure within a very short duration，which could cause fatigue or deformation of the local structure，even severe structural failure or collapse.Due to the limitation and restrictions on the inland waterway，the new designed sea-river linked ship has a more flat and little draught ship type，which would rise more serious slamming problems when the ship sails from the river into the sea.The slamming load conventionally are investigated within the simplified water entry theories and experiments of wedges and plates.Respect to the flat blunt bow，these theories and experimental methods could not predict the slamming pressure well.In the present paper，a three dimensional wooden model of the bow was adopted，and a series of free-fall water entry experiments with different heights and impact angles were carried out.The slamming pressure and its distributions of the bow of a new sea-river linked ship were obtained，as well as the slamming pressure regression formulas based on the experimental results.In the meanwhile，the air cushion was found between the bottom and the water surface in the case of impact angleα＜5°，and could postpone and reduce the slamming peak pressure.

sea-river linked ship；slamming load；free fall water entry experiment；air cushion

U661.73

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.003

2015-05-29网络出版时间：2016-7-29 9:45

工信部高技术船舶项目

彭晟（通信作者），男，1985年生，博士，工程师。研究方向：船舶与海洋工程流固耦合问题。

E-mail：pengsheng919@163.com

吴卫国，男，1960年生，硕士，教授。研究方向：船舶振动与噪声控制，结构安全性与可靠性，

结构动力与稳定性研究。E-mail:mailjt@163.com