船艇堵漏器材水压环境与载荷分析

李敏堂，隋 博，孙 栋，常 健

(军事交通运输研究所，天津 300161)

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船艇堵漏器材水压环境与载荷分析

李敏堂，隋 博，孙 栋，常 健

(军事交通运输研究所，天津 300161)

为优化堵漏器材型谱、改进堵漏器材设计，针对陆军船艇的使用环境，分析堵漏时和堵漏后船艇堵漏器材面临的水压环境，探讨船艇发生破损时船体破口部位由于工作水深、水流速度以及破口形状和尺寸等因素对进水水压的影响，建立堵漏时和堵漏后的水压试验条件。并针对不同类型船艇堵漏器材的构造特点，推导相应的水压载荷理论计算公式，绘制典型水压载荷曲线，为船艇堵漏器材试制试验提供理论依据。

船艇堵漏器材；船体破口；水压载荷；水流冲击力

陆军船艇在战场环境下极易遭敌攻击而产生破损，需要配备必要的堵漏器材，用于在船体发生破损时实施应急堵漏。船艇堵漏器材的研制，理论上要经过实船试验，但通过实船人为制造破口来试验其堵漏性能，可能会引发各种意想不到的次生灾害，当超出堵漏器材的堵漏范围时，甚至会发生船沉人亡的灾难。因此，船艇堵漏器材通常是通过模拟环境来进行试验验证的，其中水压环境与载荷分析是建立模拟环境并进行试验验证的关键环节。

国内外对堵漏器材水压理论和试验方面的研究近年来主要集中在海军舰船方面[1-2]，也有针对某一种堵漏器材进行水动力学方面的相关探讨[3-4]，但对陆军船艇堵漏方面的研究却很少，且由于海军舰船和陆军船艇的使用环境有所不同，两者的堵漏器材水压载荷有较大差别。因此，有必要针对船艇堵漏器材工作时所处的水压环境，进行相应的水压载荷分析，为船艇堵漏器材试制试验提供理论依据。

1 水压环境分析

船艇堵漏器材主要用于陆军沿海和内河船艇的船体破损堵漏，其工作水深、适应流速、破口形式及尺寸等是影响破口部位进水压力的关键因素。

1.1工作水深

船体破口位于水线以下越深，进水水压越大。因此，船艇堵漏器材的工作水深通常依据船艇的吃水来确定。陆军船艇吨位一般较小，吃水也较浅，大多在3 m以内。比如，编配数量较多的271型系列登陆艇，满载吃水均在2.4 m以内，069型和067型登陆艇，满载吃水均在1.6 m以内，根据这些船艇的堵漏需要，确定船艇堵漏器材的最大工作水深为3 m。如玻璃钢边防巡逻艇等玻璃钢类船艇，吃水一般在1 m左右，故其配备的堵漏器材最大工作水深可确定为1 m。

1.2适应流速

船艇破口部位的水流速度对破口进水水压也会产生不可忽视的影响。由于船艇堵漏作业时通常是在船艇停航状态下进行，此时船侧的水流速度一般按3 kn来计算。完成堵漏后，如果船艇航速过快，破口处水压过大，会引起堵漏器材脱落或损坏。271型系列登陆艇最高航速为15 kn，069型和067型登陆艇最高航速不超过12 kn。理论上应该按最高航速确定船艇堵漏器材的最大适应流速，但实际中为了安全起见，当船艇堵漏后自航或拖航时，一般要求慢速航行，此时破损部位的水流速度为船艇航行和水流的共同作用，可确定完成堵漏后堵漏器材的最大适应流速为10 kn。

1.3破口形式及尺寸

船体破口主要有破洞和裂缝两种形式。破洞一般分为小型、中型和大型破洞，形状主要有圆形、长条形、矩形和其他不规则形状。小型破洞通常是由小口径炮弹爆炸、弹片击穿和100 mm以下口径的穿甲弹造成的，直径通常在250 mm以下；中型破洞通常是由76～100 mm爆破弹和130 mm穿甲弹造成的，直径在250～500 mm之间；大型破洞主要是由鱼雷、导弹、火箭弹等攻击造成的，面积一般在0.5 m2以上。船体裂缝通常是由于船内发生剧烈爆炸和船体急剧振动等引起的，一般呈不规则长条状，大多发生在船艇内部和舱室底部。综合考虑平战时陆军船艇破口形状和尺寸的可能性以及堵漏作业人员对进水水压的实际承受能力，确定船艇堵漏器材适应破洞直径不超过400 mm，裂缝宽度不超过50 mm。

2 水压载荷分析

2.1破口处海(河)水压强

对船体破口处海(河)水产生的压强进行分析，既可用于水压载荷计算，也有利于建立统一的水压试验条件，为船艇堵漏器材的试验提供考核标准。由于船艇堵漏器材在堵漏时和完成堵漏后面临的水压环境不同，因此其两种工况下的水压试验条件也有所不同，需分别进行考虑。船体破口进水水流状态如图1所示。

2.1.1堵漏作业工况

堵漏作业时，船艇处于静止状态，船体破口处海(河)水产生的压强大小只与堵漏器材工作水深和船侧水流速度有关。船体发生破损后，作用在破口中心处的进水压强P1，既包括由于破口水深产生的静水压强Pa1，也包括由于船侧水流速度产生的动水压强Pb1，即

P1=Pa1+Pb1

由于静水压强Pa1的大小与破口中心位置在水下的深度成正比，根据流体静力学的基本方程，有

Pa1=ρgH0

式中：Pa1为堵漏时破口处的静水压强，Pa；ρ为海(河)水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H0为破口中心至舷外水面高度，m。

堵漏时船侧水流速度引起的动水压强Pb1与水流速度的平方成正比，在此考虑极限工况，即破口平面与水流速度垂直，则有

式中：pb1动为动水压强，Pa；v0为船侧水流速度，m/s。

则堵漏时作用在船体破口处总的进水压强为

此外，若流经孔口的局部阻力系数为ζ0，按照薄壁小孔恒定出流公式，还可得到进水压强P1产生的进水水流速度v1为

若船体破口面积为S0，过流断面收缩系数为ε，则船体破口的过流断面面积为εS0，而进水压强P1产生的破口进水流量为

2.1.2堵漏后工况

完成堵漏后，堵漏器材便与船壳形成一个整体，此时，船艇会恢复其巡航速度，堵漏器材堵漏后承受的静水压强Pa2和动水压强Pb2同堵漏时的工况类似，区别在于船艇航行和水流流动共同作用下的船侧水流速度vb会明显大于船艇静止时的船侧水流速度v0，则有

Pa2=Pa1=ρgH0

此外，船艇很有可能会顶浪前行，受到波浪冲击力作用于堵漏面产生的压强Pc的作用。波浪冲击力是因波浪作用在堵漏面上产生的水压力，由于近海岸的波浪冲击力要较海上大一些，且陆军船艇通常航行在距海岸比较近的地方，因此，其影响不能忽略。波浪冲击力数值范围较大，一般根据经验值确定。综合考虑陆军船艇所处的航行环境，本文按单位破口面积上波浪冲击力产生的压强为5×104Pa进行计算，则有Pc=5×104Pa。

根据以上分析，得到堵漏后作用于船体破口处总的进水压强为

2.2堵漏器材海(河)水压力

在相同的海(河)水压强条件下，不同结构形式和尺寸的船艇堵漏器材，其堵漏作业时受到的进水水流冲击力以及完成堵漏后所承受的船外水压力也不相同。因此，需要根据船艇堵漏器材的构造特点以及破口大小，分析其相应的水压载荷。

2.2.1堵漏作业工况

堵漏作业时，作用于堵漏器材上的水压载荷表现为水流冲击力，其在工程上通常借助流体力学中的动量方程来求解，即利用单位时间内两个过流断面的动量差与流段上所有外力的代数和相等这一平衡条件列动量方程。假设忽略水流重力、水流与堵漏器材接触面的摩擦力，若入流断面为1，出流断面为2，水流沿x方向垂直于堵漏面冲击堵漏器材，则其在x方向上的动量方程为[5]

β2ρQ2v2-β1ρQ1v1=∑F

(1)

式中：β为过流断面的动量修正系数；Q为过流断面的总流量，m3/s；v为过流断面的平均流速，m/s；∑F为两个过流断面间流段上所有外力的和，N。

目前，船艇堵漏器材主要有堵漏板、堵漏垫、堵漏箱、堵漏釜、堵漏伞、堵漏袋等，可按其构造特点划分为堵漏板(垫)、堵漏箱(釜)和堵漏伞(袋)3类，分别分析其受到的水流冲击力情况。

(1)堵漏板(垫)。堵漏板或堵漏垫堵漏作业时，其与进水水流的接触面均可视为平面，进水水流冲击到堵漏板(垫)上后，会沿接触面向四周分流，其出流流向与进流流向呈90°，因此，x方向上的v2为零。若破口面积为S0，取β2=β1，由式(1)得到作用到堵漏板(垫)上的水流冲击力F′为

F′=-∑F=-(0-β1ρQ1v1)=

(2)

(2)堵漏箱(釜)。堵漏箱或堵漏釜堵漏作业时，其与进水水流的接触面均为凹形，水流冲击到堵漏箱(釜)底面后，会沿底板面向四周分流，并沿侧壁流向后方，因此，其出流流向与进流流向呈180°，有v2=-v1，Q2=Q1。假定破口面积同为S0，取β2=β1，代入式(1)中，可得作用到堵漏箱(釜)上的水流冲击力F′为

F′=-∑F=-(-β1ρQ1v1-β1ρQ1v1)=

(3)

(3)堵漏伞(袋)。堵漏伞或堵漏袋堵漏作业时，伞面或袋体均处于收缩状态，其端部的迎水面面积S′均小于破口面积，即伞面或袋体端部承受部分进水水流的水流冲击力。此时，进水水流一部分(其断面面积等于迎水面面积S′)受到堵漏伞(袋)端部的阻挡改变水流方向，另一部分(其断面面积等于破口面积S0减去迎水面面积S′)水流方向不变。由于进水水流发生动量改变的仅是迎水面面积部分，因此，若将端部与进水水流的接触面视为平面，则迎水面处的出流方向与进流方向呈90°，则在端部迎水面上，x方向上的v2为零，其他进水水流方向不变。实际堵漏中，端部与进水水流的接触面通常为凸形，且端部迎面截面的面积越小、形状越顺滑，其承受的水流冲击力越小。假设堵漏伞伞面或堵漏袋袋体收缩状态时迎水面对进水水流冲击力的形状影响系数为α(α≤1)，则作用到堵漏伞(袋)上的水流冲击力F′为

F′=-∑F=-α(-ρβ1Q1v1)=αβ1ρQ1v1=

(4)

2.2.2堵漏后工况

完成堵漏后，堵漏器材将承受由于工作水深产生的静水压力和船艇航行时产生的动水压力以及波浪冲击力。对于堵漏板(垫)来说，此时水压作用于堵漏面的面积即等于船体破口面积S0，则堵漏板(垫)承受的水压载荷为

(5)

堵漏箱(釜)完成堵漏后，由于堵漏面为凹形，水会充满凹部空间，其侧面承受的水压载荷相互抵消，而底面承压面的面积即等于堵漏箱(釜)的底部面积或敞口面积S，则堵漏箱(釜)承受的水压载荷为

(6)

堵漏伞打开后，伞面依托伞骨压紧船体外侧，其承压面的面积即等于船体破口面积S0；堵漏袋充气膨胀后，袋体压紧在船体外侧，其承压面的面积也等于S0，则堵漏伞(垫)承受的水压载荷与堵漏板(垫)相同，其水压载荷公式同式(5)。

3 载荷曲线实例分析

通过给定水压环境条件，利用水压载荷公式，可计算得到各型船艇堵漏器材在堵漏时和完成堵漏后的水压载荷曲线，用于对不同类型船艇堵漏器材在不同工况下的水压载荷情况有更清晰的认识。假设船体破口为圆形，破口直径最大为400 mm，最大工作水深为3 m，堵漏时船侧水流速度为3 kn，堵漏后船侧水流速度为10 kn，堵漏板(垫)、堵漏箱(釜)底板内表面面积为0.2 m2，堵漏伞(袋)伞面和气囊展开直径均为500 mm(收缩后直径均为150 mm)，堵漏伞(袋)形状影响系数α为0.6，堵漏器材所处的水压环境参数取值见表1。

表1 水压环境参数取值

根据式(2)，可得到堵漏板(垫)堵漏作业时所承受的水流冲击力随工作水深和船体破口尺寸变化的载荷曲线(如图2所示)。随着破口尺寸的加大，堵漏板(垫)承受的水流冲击力随着工作水深的增加而快速增大。

图2 堵漏板(垫)堵漏时载荷曲线

根据式(3)和(4)，可得到堵漏箱(釜)、堵漏伞(袋)堵漏作业时所承受的水流冲击力随工作水深和船体破口尺寸变化的载荷曲线(如图3所示)。可以看出，图3中的堵漏箱(釜)的载荷曲线变化趋势与图2类似，但量值上相差很大，而堵漏伞(袋)的载荷曲线只与其收缩后直径大小有关，不受破口尺寸变化影响，量值较小，变化也很平缓。

图3 堵漏箱(釜)、堵漏伞(袋)堵漏时载荷曲线

根据式(5)和(6)，可得到堵漏板(垫)、堵漏箱(釜)、堵漏伞(袋)完成堵漏后所承受的船外水压力随工作水深和船体破口尺寸变化的载荷曲线(如图4所示)。图4中，堵漏板(垫)和堵漏伞(袋)有相同的载荷曲线，但载荷曲线变化趋势均较堵漏时的平缓，而堵漏箱(釜)的载荷曲线只与其底板面积大小有关，不受破口尺寸变化影响，始终保持在最大值。

图4 三类器材堵漏后载荷曲线

由图2～图4还可以看出，在相同的工作水深、适应流速和船体破口尺寸情况下，堵漏板(垫)、堵漏箱(釜)、堵漏伞(袋)3类器材在堵漏时和完成堵漏后所承受的水压载荷均有较大不同。为便于直观对比，将3类器材在工作水深3 m、破口直径为300 mm时的水压载荷单独列出进行量值比较(如图5所示)。

图5 3类器材同水压条件下载荷量值比较

通过水压载荷曲线分析，可得到以下结论：

(1) 船艇堵漏器材堵漏时和堵漏后的载荷曲线变化趋势类似，但由于不同类型堵漏器材结构形式的不同，其堵漏时所受水流冲击力和堵漏后的水压载荷在量值上相差很大。

(2) 堵漏箱(釜)由于存在凹形空间，虽然能够封堵翻边向内或向外的船体破口，但其堵漏作业时的水流冲击力约为堵漏板(垫)的2倍，且堵漏后的海(河)水压力也始终保持在最大值。因此，在船体破口翻边向外的情况下，应尽量采用堵漏板或堵漏垫实施堵漏。

(3) 堵漏伞(袋)属于可在舱内操作的舷外堵漏器材，借助船外水压实施堵漏，堵漏作业时的水流冲击力和堵漏后的海(河)水压力均小于堵漏板(垫)，更远小于堵漏箱(釜)，适宜大型破口堵漏。

(4) 堵漏伞(袋)堵漏时所受的水流冲击力不受破口尺寸大小影响，但端部形状对堵漏作业时的水流冲击力影响很大，应尽量设计成流线型，减小形状影响系数，提高大型破口堵漏效率。

4 结 语

本文通过推导水压载荷理论公式并绘制载荷曲线，对船艇堵漏器材堵漏时和堵漏后所承受的水压载荷进行研究分析。分析结果可用于掌握船艇堵漏器材在不同工作水深和破口尺寸条件下的水压载荷情况，又可对不同类型船艇堵漏器材进行相同水压条件下的载荷比较，为优化堵漏器材型谱、改进堵漏器材设计提供了理论依据。

[1] 韩云东，黄若波，石侃，等.舰船堵漏技术现状与对策[J].海军大连舰艇学院学报，2011,34(2)：81-84.

[2] 谢田华，迟卫，王科，等.舰船堵漏器材配置方法研究[J].海军大连舰艇学院学报，2011,34(3)：79-82.

[3] 刘超，温纳新，贾绪智. 堵漏箱堵漏时的水动力学分析[J].航海技术，1999(2)：44-46.

[4] 赵兵，陈思达，王朝星，等.专用损管器材封堵船体大型浸水破口的研究[J].中国修船，2010, 23(6)：39-41.

[5] 贡力，杨华中，叶琰.工程流体力学[M].北京：中国铁道出版社，2013：31-58.

(编辑：史海英)

HydraulicPressureEnvironmentandLoadofLeakStopperforBoats

LI Mintang，SUI Bo，SUN Dong，CHANG Jian

(Institute of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

To optimize spectrum and design of leak stopper, considering the operating environment of boats in the army, the paper firstly analyzes the hydraulic pressure environment of leak stopper before and after leaking stopping. Then, it discusses the influencing factors which affect feed-water pressure, such as water depth, flow velocity, and crevasse shape and size, and it also builds the test conditions of hydraulic pressure before and after leaking stopping. Finally, according to the structure features of different leak stoppers, it deduces corresponding theoretical formula and draws typical curves of hydraulic load, which can provide theoretical basis for the test of trial-producing leak stopper for boats.

leak stopper for boats; crevasse of boats; hydraulic load; water flow impact

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.021

U661.2+3

A

1674-2192(2017)10- 0091-05

2017-02-24；

2017-03-10.

原总后军交运输部科研计划项目(BJJ09C013).

李敏堂(1975—)，男，博士，高级工程师.