船舶渦旋流堵漏槳葉位置與渦旋流形成效果的關系研究

韓云東，金良安，侯建軍，王 涌，遲 衛

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116018）

0 引 言

船舶堵漏是利用各種器材、工具堵塞船舶破洞，阻止海水進入，保持船舶浮性的重要方法，對船舶生命力保障起著至關重要的作用，也是船舶損管研究的一項重要內容［1］。為此，船舶堵漏研究一直受到國內外的高度重視，并推廣應用了多種堵漏方法，大量事實表明它們對船舶安全航行起著重要的保障作用。

現有的堵漏方法大都單純以“堵”為主，存在著以下固有不足［2］：①堵漏效率不高。由于面臨巨大的海水壓力，難以做到完全水密，特別是對面積大于0.05m2的中大型破洞一直沒有較好的辦法，而這往往是船舶浮性快速喪失、進而沉沒的最主要原因。②堵漏器材發展滯后。大部分器材都是上世紀八、九十年代以前研發的產品，已無法滿足現代化新型船舶對高效堵漏的需要。③人員依賴性強。由于堵漏器材機械化程度較低，因此對損管人員專用技術依賴性大。④心理負擔大。堵漏時巨大的海水壓力和危險的工作環境，都使操作人員面臨著很大的心理負擔。⑤堵漏條件有限。對于舷較高、艦身較長的大型船舶或者全封閉船舶難以實施現有的舷外堵漏方法。由于這些不足一直未能找到合適的辦法加以解決，因而被看成是船舶堵漏技術發展的“瓶頸”，嚴重影響現代船舶生命力的保障。

針對上述固有問題，研究了船舶渦旋流堵漏新方法，對其堵漏思想、基本原理以及柔性、剛性槳葉生成的渦旋流對破口進水量的影響規律等進行了初步研究［3］。對柔性和剛性槳葉位置與渦旋流形成效果的關系進行了實驗研究，旨在為船舶渦旋流堵漏新方法的完善提供理論和實驗基礎。

1 實驗設計與實現

1.1 實驗原理

文獻［3］介紹了渦旋流堵漏方法（參見圖1）的原理，即一旦船舶發生破損，迅速在破損處附近海面適當位置投放渦旋流生成裝置，使船舶破口外側的海水高速旋轉，形成局部高速渦旋流場［4－7］。根據伯努利原理，破口處海水沿船外板水平切線方向的速度越大，則其作用于破口的側壓力越小，從而降低堵漏難度，延長可用于堵漏的時間，進而更方便地實施傳統堵漏方法，達到高效堵漏抗沉的目的。

圖1 船舶渦旋流堵漏方法的示意圖Fig.1 Leaking stoppage technology by vortical flows

實驗原理是：保持驅動槳葉旋轉的電機轉速不變，使槳葉與破口水平方向上的距離固定，通過改變槳葉與破口垂直方向上的距離，即在破口附近不同高度上形成相同轉速的高速渦旋流場，測量不同位置渦旋流作用下模擬破損艙室液位達到指定高度所用的時間，通過比較所用時間的變化，進而得出槳葉工作位置與渦旋流堵漏效果之間的關系。

1.2 實驗裝置

如圖2所示，實驗裝置包括實驗水池、模擬船舶破損艙室、液位自動測量計時裝置、自動排水裝置和渦旋流生成裝置等。

實驗水池采用200cm×120cm×80cm（長×寬×高）的立方體容器；模擬船舶破損艙室容積5L，破口以下容積2.9L，破口為直徑0.9cm的平口；液位自動測量計時裝置由浮子、固定桿和報警計時電路組成，通過監測水位變化，自動進行計時，精確測量進水時間，測量精度為1s；自動排水裝置采用S15GZ－15型不銹鋼自吸增壓泵，能夠在20s內將模擬船舶破損艙室內的水抽干，保證模擬船舶破損艙室與實驗水池的相對位置不變，進而確保每次實驗不因位置變化而導致實驗數據產生誤差。

圖2 實驗方法示意圖Fig.2 Sketch of examination equipments

渦旋流生成裝置是通過特定的槳葉在水中生成所需的渦旋流的裝置，由驅動電機和槳葉組成，可以驅動槳葉以400、800和1600r／min的轉速旋轉；槳葉分為柔性槳葉和剛性槳葉。柔性槳葉是指形狀可變的槳葉，其轉動時依靠與水的摩擦力帶動周圍液體轉動，產生渦旋流，其軸桿為一直徑為1cm，長度為72cm的圓形實心鋼軸，底端均勻排列長約為7cm、寬約為1.5cm的布條，如圖3（a）所示；剛性槳葉是指形狀不可變的槳葉，其轉動時依靠槳葉與水的相互作用力生成渦旋流，由軸桿、葉片固定器和剛性槳葉組成，軸桿為一直徑1cm、長度76cm的圓形實心鋼軸，底端為葉片固定器，在直徑為1.5cm、長度為8cm的鋼管圓周均勻排列著四片8cm×3cm鋼制葉片，如圖3（b）所示。

圖3 槳葉圖片Fig.3 Pictures of propellers

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗步驟

（1）將各裝置固定好，保持模擬船舶破損艙室在水池中的位置不變。

（2）測定實驗水池水深53cm、破口距水面高度17cm，將槳葉入水的深度（記為“入水深度”，用H表示）先設為9cm（后依次調整為11、13、15和17cm，其中H為13cm時，槳葉中心與破口中心平齊，如圖4所示），調整破口與槳葉軸心距離，記為“破口距離”，用L表示，單位cm。

圖4 槳葉入水深度示意圖Fig.4 Chart of depth under water of propeller

（3）將模擬船舶破損艙室上的破口用橡皮塞塞緊，其作用是在實驗開始前，阻止池中的水進入模擬船舶破損艙室內。

（4）開啟電機，驅動渦旋流生成器以800r／min的速度旋轉，待形成穩定的渦旋流后（大約30s后），拔掉橡皮塞，同時打開液位自動測量計時裝置開關，開始計時。

（5）當液位達到指定高度時，液位自動測量計時裝置報警，同時停止計時。

（6）關掉液位自動測量計時裝置開關，關閉電機開關，記錄實驗數據。

（7）用自動排水裝置將模擬船舶破損艙室內的水抽出，排出的水循環放回實驗水池，確保模擬船舶破損艙室與實驗水池的相對位置不變，且使每次實驗的水位一致。

（8）每組實驗完成3次后，調整破口距離L，進行下一組實驗。

1.3.2 進水時間T

對于船舶堵漏而言，可用于堵漏的時間是保證堵漏效果的一個重要因素：可用于堵漏的時間越長，則堵漏可達到的效果往往就越好，反之亦然。而對于具體的船舶破損艙室，破口的單位時間進水量越小，則可用于堵漏的時間就越長。為此，特將船舶破損艙室被水完全淹沒所用的時間，稱為“進水時間”，記作T。

顯然，進水時間T主要受破口處海水側壓力的影響，壓力減小，進水速度隨之降低，進而使T增大，反之亦然。T的改變直接反映了破口處海水側壓力的變化情況，T值越大，說明渦旋流對破口處海水側壓力的衰減效果越明顯，即生成的渦旋流效果越好。

鑒于具體實驗裝置，特將模擬船舶破損艙室中的液位達到指定高度時，液位自動測量計時裝置所記錄的時間記為進水時間T，單位為s。實驗中以T為指標，進行柔性槳葉與剛性槳葉入水深度對渦旋流堵漏效果的實驗研究。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

實驗測得靜水下的T為40s，用T靜表示。該實驗分別測定柔性槳葉和剛性槳葉入水9～17cm情況下在不同破口距離L下的進水時間T值。

2.1.1 柔性葉片的測量結果

選擇柔性槳葉，改變破口距離L，分別測量進水時間T，每組實驗進行3次，取其平均值，測量結果如表1所示。橫向、縱向分別表示破口距離L值和入水深度H值，單位cm，中間數據是進水時間T值，單位s。

表1 柔性槳葉不同入水深度的測量值Table 1 Measured data of flexible propeller at different depth

2.1.2 剛性葉片的測量結果

選擇剛性槳葉，改變L，分別測量T，每組實驗進行3次，取其平均值，測量結果如表2所示，表中單位同表1。其中，為了防止因葉片直接接觸模擬船舶破損艙室而造成設備損壞，將L的最小值設為5cm。

2.2 柔性槳葉位置與渦旋流生成效果的關系

2.2.1 不同H時T與L的關系

為直觀起見，特將表1數據繪制成圖5，其中橫坐標為破口距離L，單位cm，縱坐標為進水時間T，單位s，圖例表示不同H下的L－T曲線圖。

表2 剛性槳葉不同入水深度的測量值Table 2 Measured data of rigid propeller at different depth

圖5 不同H時T－L的關系曲線圖Fig.5 Chart of relationship between T－L with different H

根據圖5所示，當L為15cm時，在5種入水深度條件下，T均為40s，與T靜相等，此時渦旋流對T幾乎沒有影響；隨著L減小至10cm，H為9和17cm下的T分別為41和42s，顯然影響很小，而在此距離上，H為11、13和15cm下的T分別為44、46和44s，有一定的影響；當L進一步縮短至5cm時，H為9和17cm下的T分別為45和50s，有一定影響，而在此距離上，H為11、13和15cm下的T分別達到70、82和85s，延長至T靜的175%、205%和212.5%，此時生成的渦旋流對T具有非常明顯的影響；當L再縮短到極限值3cm時，9、11、13、15和17cm下的T值也達到極限值，分別是56、135、159、151和67s，延長至T靜的140%、337.5%、397.5%、377.5%和167.5%，可見H在11、13和15cm處生成的渦旋流對T具有極為顯著的影響，可延長T至T靜的300%以上。

2.2.2 不同L時T與H的關系

為了進一步揭示柔性槳葉入水深度對T的影響規律，將圖5中的橫坐標更換為槳葉入水深度H，圖例數據更換為不同破口距離L，得到圖6。

圖6 不同L時T－H的關系曲線圖Fig.6 Chart of relationship between T－Hwith different L

從圖6中可以明顯的看出：不同破口距離的HT曲線中突起的區域（即延長可用于堵漏的時間最為明顯的區域）集中在13～15cm范圍內，即槳葉中心與破口平齊或略低時的影響效果最為明顯；在不同的槳葉入水深度上，破口距離L越小，則其對T的影響效果也越明顯，L為3、4cm時的曲線明顯高于其他曲線。

綜上，當柔性槳葉與破口處于同一高度且距離破口越近時，生成的渦旋流對延長堵漏時間T、降低破口進水量的效果越明顯。

2.3 剛性槳葉位置與渦旋流生成效果的關系

2.3.1 不同H時T與L的關系

據表2數據繪制成圖7，其中橫坐標為破口距離L，單位cm，縱坐標為進水時間T，單位s。

圖7 不同H時T－L的關系曲線圖Fig.7 Chart of relationship between T－L with different H

圖7與圖5的曲線非常相似，當L為16cm時，T與T靜基本相等，此時渦旋流對T幾乎沒有影響；隨著L的減小，生成的渦旋流逐漸影響進水時間T，曲線也逐漸陡峭；當L減至極限值5cm時，T值也達到極限值，H為9和17cm下的T分別為63和72s，延長至T靜的157.5%和180%，而在此距離上，H為11、13和15cm下的T分別達到146、157和161s，延長至T靜的365%、392.5%和402.5%，此時生成的渦旋流對T具有非常明顯的影響。

2.3.2 不同L時T與H的關系

同樣，將圖7中的橫坐標更換為槳葉入水深度H，圖例數據更換為不同破口距離L，得到圖8。

圖8 不同L時T－H的關系曲線圖Fig.8 Chart of relationship between T－Hwith different L

圖8與6的曲線比較相似，延長可用于堵漏的時間最為明顯的區域也集中在13～15cm范圍內，且破口距離L越小，則其對T的影響效果也越明顯。

綜上所述，當剛性槳葉與破口處于同一高度附近，距離破口越近時，生成的渦旋流對延長堵漏時間T、降低破口進水量的效果越明顯。

2.4 槳葉位置影響渦旋流形成效果的理論簡析

由伯努利方程可知：理想流體穩定流動時，同一流管不同截面處，單位體積流體的動能、勢能與該處壓強之和都是相等的［8－9］。因此只要能設法使破口處海水沿船外板水平切線方向的速度增大，就能使作用于破口的側壓力越小，破口進水速度也隨之減小，從而降低堵漏難度，延長可用于堵漏的時間。

當槳葉在電機的驅動下以800r／min的轉速旋轉時，由于高速旋轉的槳葉驅動其周圍的水體轉動，形成渦旋流，圖9給出了槳葉靜止時、旋轉時的照片，以及生成渦旋流的俯視示意圖。

圖9 槳葉生成的渦旋流Fig.9 Vortical flows created by propeller

從圖9（b）、（e）可以較清楚地看到，高速旋轉的槳葉驅動周圍的水體旋轉，形成一個以轉軸為中心的渦旋流，且其中心及上部分的渦旋流較為明顯，即槳葉中心位置形成渦旋流的速度相對較快，圖9（c）、（f）給出了渦旋流的邊界情況。若槳葉中心正好靠近破口中心，則使破口處海水高速轉動，形成高速渦旋流場，其運動速度越大，船舶破口外側局部水體的動能越大，勢能保持不變，則破口處壓強越小，海水側壓力隨之減小，而該壓力正是導致破口進水速度的主要原因，進而降低破口進水速度，減小破口進水流量，從而降低堵漏難度，延長可用于堵漏的時間，到達高效堵漏抗沉的目的。因此，證明了實驗中得出的“槳葉與破口處于同一高度且距離破口越近，則生成的渦旋流堵漏效果越明顯”結論。

3 結束語

應用柔性和剛性槳葉進行了槳葉工作位置與渦旋流生成效果關系的實驗研究，認為無論柔性還是剛性槳葉，只要使槳葉的工作位置與破口中心為同一高度，并盡可能地接近破口，則生成的渦旋流對降低破口處水的側壓力的效果更為明顯。因此，在實際使用過程中，只要將渦旋流生成裝置的槳葉與破口高度平齊，并在距離破口盡可能近的位置高速旋轉，形成一定強度的渦旋流，便可達到有效減小破口處水的側壓力，明顯抑制破口進水量的目的，從而克服現有方法單純以“堵”為主的固有不足，更利于船舶堵漏的高效實施。

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