超高速自由液面循环水槽高品质测试流场技术

2019-05-06陈建平夏丁良朱健申王宗龙

船舶 2019年2期

陈建平夏丁良朱健申王宗龙

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

喷水推进适用于高性能船舶，作为一种高效推进方式，喷水推进具有声隐身性能优良、推进效率高、操纵性能优异、适应多工况能力强等特点，对舰船声隐身性能和综合航行性能将有极大提升作用。基于喷水推进自身特点设计的超高速自由液面循环水槽，可开展喷水推进水动力方面的多项试验，主要是喷水推进系统的流场特性，如喷水推进器内外流场速度分布、压力分布等特性和力特性，即测量喷水推进装置的推力。

超高速自由液面循环水槽的主要特点就在于具有开式工作段，可形成从0～10 m/s的流速，测试时最高流速可达12 m/s，同时自由液面保持水平在指标范围内，自由液面形成技术是本循环水槽的关键，本文对此进行阐述。

通过对工作段的流场进行测试，得到不同流速下工作段各截面的速度分布，确定稳定流速区域，作为模型试验前的测试参考。

1 构成及试验能力

超高速自由液面循环水槽主要用于喷水推进流场及力特性分析，可开展喷水推进装置的进口流道试验、力特性试验、平台相互干扰试验、喷水推进装置操舵倒航等试验。表1为超高速自由液面循环水槽主要参数及技术指标。

试验设施主体为立式水力循环水槽，水平中心线距离10.5 m，垂直中心线距离43.2 m，上部具有自由液面工作段（L×B×H=10 m×1.8 m×1.2 m）。测试段截面最大稳定流速可达12 m/s，且流速可控。

水力系统（见图1）由循环系统筒体、自由液面控制设施、边界层控制和模拟设施、测试工作段及调节装置、整流稳定装置等部分组成。测试工作段（见图2）具有友好的界面，对进口流道、力特性、相互作用和操舵倒航等4个测试台位具有一致方便的接口，并能够方便LDV、PIV、高速摄像机等测量设施的测试。

表1 超高速自由液面循环水槽主要参数及技术指标

图1 水力系统

图2 测试工作段

测试工作段为钢结构框架结构，两侧分别设置8扇有机玻璃窗，底部设置3块玻璃板，可从两侧以及底部进行测试或摄像。测试工作段最大模型尺寸为推进泵直径 300 mm、船模长 6 000 mm。

工作段要在不同流速下都能有稳定且保持水平的自由液面，在设计时吸取了法国F11A水槽的经验，同时采用消能槽，来消耗自由面部分水流的能量，以达到试验段保持水平之目的。

2 自由液面形成技术

螺旋桨在空泡水筒开展的试验很多，本循环水槽在设计中借鉴了空泡水筒的经验［1］，同时也考虑到喷水推进的独特性，即在自由液面状态下的状态与螺旋浆不同，高速时喷流通常在水面上；因此自由液面的试验状态十分必要［2］，测试工作段除了能形成平稳的自由液面外，还能调节成闭式结构，使系统可在减压状况下运行，以适应空泡试验的要求，即为一个空泡水筒［3］。

自由液面形成技术作为本系统的关键技术，是要确保试验工作段在高速时能有稳定且保持水平的自由液面，主要取决于自由面波动的消除和表面气泡的去除，必须消除高速自由液面在下游产生的水跃对上游测量工作段的影响。根据现在的实际试验运行情况，已较好地达到了预期效果。

本系统采用了抺平器（Skimmer）、自由面加速器、气泡重力分离及集气器、工作段底面坡度等4项自由面技术，均达到良好效果。

为使测量工作段在高速（Fn=1）时获得高品质的自由液面，目前国际上具有高品质自由液面的高速水槽通常采用布置水跃抹平器或在自由液面下游设置大水箱的技术方案。经测算，除在临界速度（测量工作段速度为2.95～3.95 m/s）附近，其他速度下两种方案中工作段的自由液面的品质都是令人满意的，由于下游大水箱的方案产生的能量损失较大，因此本项目确定采用布置水跃抹平器的方案。参考F11A水槽（见下页图3）的经验，在试验段后用隔板把水流分为两部分，具有自由液面约5%～8%的部分水流从隔板上部流出，其余水量从下部通道流入环路，这样可使大部分水流的能量损失不受自由液面的影响，从而大大节省系统能耗并减小驱动功率。

表2 本系统特点及先进性分析表

同时，在隔板上部采用消能槽，来消耗自由面部分水流的能量以达到试验段保持水平的目的。配合消能槽开展辅助泵设计，对应本系统的尺度流量取为1.7～1.8 m3/s，按12 m/s速度动能的全部损失为水头来配置辅助泵。

通过辅助泵与主机转速匹配的试验测试，确定主泵转速与辅助泵转速的标定值，从而在不同流速下，辅助泵的消能效果都能达到最佳。

对于自由面喷口边界层的加速，参考F11A水槽的经验，采用在喷口处的自由面上加装厚度为1 mm的喷水器的方法，其喷速为试验段流速2倍，根据1 ： 5模型试验结果，喷速为1.7倍的主流速度。根据CFD的仿真结果，速度为12 m/s时，喷口后1 m处，自由表面上的速度已达到工作段平均流速的70%，其影响已较小。目前自由面加速的功能尚未开展较详尽试验，待试验后可与仿真结果对比。

图3 F11A循环水槽

图4 F11A循环水槽工作段

图5 GTH循环水槽

水力系统中上部有自由面水流可能引起水气混合，在抹平器后较平稳的64 m2水平面上，水流沉降速度不到0.03 m/s，大约64 m3的水容量使总的平均驻留时间达到36 s，对于较大的气泡基本应能够排出，而对于较小的气核，在主循环泵的出口至第三拐角的空间中被吸收，并在水槽顶部布置有集气箱。

为保持工作段自由液面的水平度，通过计算能量坡度，考虑表面摩擦，计算得到工作段底面坡度。

3 工作段流场测试

首先，通过转速匹配试验，确定主泵与辅助泵的转速匹配值，为后期试验时，调整辅助泵转速提供数据基础，在实测流场时，可通过表3或曲线（见图6）插值得到辅助泵转速，通过微调，达到匹配值。图7为工作段结构图，LDV放置在工作段外侧。

表3 水速、主泵转速、辅助泵转速对照表

图6 水速、主泵转速、辅助泵转速对应曲线

图7 工作段结构图

采LDV测试工作段在不同流动速度状态下的流动特性，主要为试验段各种状态（尤其是自由液面状态各个不同的Fr数下）的速度不均匀度、自由面波动、水平度等参数。测量流速从2～10 m/s的工作段不同截面的速度分布。本文以X=2 000 m，X=5 000 mm，X=8 000 mm三个截面的测速为例进行描述。

坐标设置为：X为试验段进口（上游）法兰面为原点，指向下游；Y为试验段观察窗内侧壁为原点，指向另一侧；Z为试验段自由面为原点，指向下。

在本次测试中，共进行18组速度测试，每一速度Z方向取7个位置，Y方向取9个位置，共取63个速度点，其中：X=2 000 mm处8组速度（2 m/s；4～10 m/s，间隔 1 m/s），X=5 000 mm处 8组速度（2～9 m/s，间隔 1 m/s），X=8 000 mm处2组速度（2 m/s，4 m/s）。不均匀度均小于技术指标，全部±2.0%。

以其中一组数据为例，表4为在X=5 000 mm处测量9.9 m/s水速的情况，根据整体测量的数据平均，该组数据的平均值为9.925 9 m/s。从表中可以看出，Y方向速度平均值的最大值为9.948 0 m/s（Z= 500 mm），最小值为9.903 9 m/s（Z= 100 mm），Z方向速度平均值的最大值为9.931 0 m/s（Y=475 mm），最小值为 9.918 3 m/s（Y= 525 mm）。总体平均偏差为0.022 6，不均匀度为0.227 7%，远小于指标要求的自由液面不均匀度±2.0%（6 m/s）。

表4 速度不均匀度测量及计算表（X = 5 000 mm）

将以上数据绘制出速度曲线，图8为沿Z方向的速度分布，下页图9为沿Y方向的速度分布，速度分布在9.92 m/s的附近。

图8 典型坐标处Z方向速度分布曲线（X=5 000 mm）

X=2 000 mm、X= 5 000 mm处测试的水速，求取整组数据的平均值、平均偏差，计算在该水速下的不均匀度，以观察在工作段不同截面处速度分布的情况。

图9 典型坐标处Y方向速度分布曲线（X=5 000 mm）

表5和图10显示了X=2 000 mm处速度平均偏差不均匀度。

表5 X=2 000 mm处速度平均偏差及不均匀度

图10 X=2 000 mm处速度平均偏差及不均匀度分布图

由此可见，在该截面处，随着速度增大，速度平均偏差逐步增加；但是总体来说偏差不超过0.02，尤其在10 m/s的高流速状态下，平均偏差0.016 4，偏差非常小。不均匀度则是呈现低速区较大，中间速度区较为均衡，高速区略有上升的趋势，但整体都在0.2%以下，远远小于2%不均匀度的技术指标。在该截面处的速度分布是非常均匀的。

表6 X=5 000 mm处速度平均偏差及不均匀度

表6为X=5 000 mm处速度平均偏差及不均匀度的分布，相对应的曲线如下页图11所示。速度的平均偏差较为均匀，但比X=2 000 mm处有一定程度的增大，最大值不超过0.025。不均匀度依旧在低速区显示出相对较大的变化，在2～4 m/s处，速度的波动较为明显且不够稳定。在中高速区回到小于3%的不均匀度范围，整体的不均匀度依旧远小于指标要求的数值。

图11 X=5 000 mm处速度平均偏差及不均匀度分布图

通过试验测试了4 m/s、6 m/s、8 m/s理论水速下的6组速度值，计算其不稳定度，并测试该速度下的自由面的水平度，从表7可以看出，速度不稳定度通过测试6点，均方根值都在0.17%以下，设计指标是≤±1.0%。速度的水平度随水速增加而发生一定变化，在8 m/s最大，达到28 mm，但也小于设计指标（50 mm）。