ITTC規程下噴水推進三體船自航試驗研究進展

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(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院,哈爾濱 150001；2.中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

三體船是為滿足艦艇在現代海戰的需求下應運而生的特種高性能船型，其概念的提出已經有較長歷史，但大量資金的投入研究迄今不過30年。2000年以來三體船已經成為世界船舶領域的一個熱點。所謂三體船就是由三個船體組成，三個瘦長的船體共享一個主甲板及上層結構，其中間為主船體，尺度約占排水體積的90%，兩側并肩各有一個大小相同的輔助片體，各占總排水體積的5%左右。主體與片體之間由連接橋連接，船型整體上“又長又寬”。見圖1。

圖1 三體船船體布局示意

與單體船相比，三體船甲板面積寬敞，艙室容積增大，全船的隱身性能好，兩側片體為三體船提供良好的穩定性，可以提高船的耐波性能；中體和側體細長，艉部來流好，有利于降低推進系統噪聲[1]。總而言之，三體設計使船舶具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的適航穩定性和更出色的操縱性，戰場生存能力更為出色。

從推進方式上來講,基于上述三體船的快速性需求、隱身性需求、使用工況需求三方面,常規的螺旋槳推進優化設計已經不能滿足其設計要求，亟需一種特殊的推進方式來滿足三體船的設計目標[2]。

1 噴水推進對于三體船的優越性

1)噴水推進器的泵殼類似于導管從而具有附加推力，水下附體小利于減小阻力，流道的合理布置能夠改變船舶航行時的勢流場，推進泵葉輪來流均勻，這些都利于噴水推進器匹配船體后推進效率的提高。

2)研究表明，空泡是主要的噪聲源，三體船作為高速艇面臨的主要噪聲問題是推進器的空泡。噴水推進泵葉輪在均勻流場中工作，能有效利用來流沖壓，使其在高速范圍內較螺旋槳有更好的抗空泡性能，也能得到更高的推進效率[3]。

3)噴水推進適應變工況能力強，主機不易過載，系泊狀態主機轉速可達額定值90%以上。已投入使用的噴水推進船——勝利油田超淺吃水多用途供應船“勝利221”號的實用經驗表明噴水推進船在多種工況下獲得令人滿意的使用效果。目前設計的三體船使命是多元化的，其推進系統必須保證其在多工況下仍具有較好的推進效果。

4)三體船普遍采用方艉設計，方形船艉是最能發揮噴水推進器推進效率的船舶艉型，基于方形艉部的優化設計對于提高船體-推進泵聯合系統效率非常有效。

2 規程的誕生和發展

ITTC組織在第20屆大會上成立了噴水推進專家委員會(The Specialist Committee on Waterjets)致力于噴水推進船的試驗研究[4]。噴水推進的研究開始的很早，但前期研究都是基于裸船體船模阻力試驗和孤立泵特性研究，業內已經證明該種預報方式誤差太大，所以目前ITTC的研究重點是開發基于自航試驗的噴水推進船舶預報方法。

第24屆ITTC 噴水推進專家委員會安排了噴水推進基準試驗任務, 有9個單位參加。專家委員會按照統一標準加工2艘完全一樣的模型，模型母型為美國海軍“雅典娜”號科考船船型，其中一艘在歐洲輪流進行試驗, 一艘用于美國和亞洲試驗, 兩艘模型均配有同樣的噴水推進系統[5]。試驗測量數據包括:光體阻力,光體進口速度測量,工作段進口速度測量,噴流速度測量,動量通量計算,實尺度預報。

經過四屆ITTC的不斷努力現已形成標準規程，即高速船噴水推進性能預報試驗規程。該規程在2005年正式生效，其主要研究內容為：噴水推進船功率性能的預報模型、所需要進行的標準系列試驗項目及相應測量方法，包括噴水泵回路試驗、噴水推進系統水筒試驗和水池自航試驗以及不確定度評估方法[6]。較為關鍵的內容見圖2。具體的試驗規程參見ITTC-Recommended 7.5-02-05-03.1。

圖2 規程站號定義和流量通量歸一化計算

噴水推進基準試驗任務的目標就是解決試驗測量中的不確定度因素[7]和尺度效應問題，所以，ITTC第25屆會議進行了不確定度分析委員會工作報告。與此同時，已確認的規程的驗證和改進是必須隨著試驗數據的分析進行不斷地修改，以期解決上述問題。

此外，借助于CFD方法了解噴水推進器與船體的相互干擾及對入水口處的空化分析和速度測量將是今后十分重要的研究課題。

3 新規程下的自航試驗新發展

美國海軍“雅典娜”號科考船早在2002年ITTC第23次會議上就被選定為噴水推進器設計研究母型。2005年ITTC組織第24屆會議上，除去德國SVA和俄羅斯KRSI因為未能及時接收船模而沒能完成實驗之外，剩余單位提交了其對美國海軍“雅典娜”號科考船船模自航試驗研究結果。計算結果被第24屆ITTC噴水推進委員會收錄。圖3為“雅典娜”號船模自航試驗圖片。

圖3 “雅典娜”號科考船船模自航試驗

2007年W?rtsila公司的Bulten和Verbeek[8]研發了一種新型的軸流式噴水推進器。試驗表明：推進效率相似的情況下，軸流式噴水推進器較混流式噴水推進器的空穴性能明顯要好很多。在此研究基礎上，W?rtsila公司基于大量的數值計算和試驗研究，研發了LJX系列和WLD系列兩種商用軸流式噴水推進器，并且已經實現了市場化。LJX系列新型高性能噴水推進器較市場上提供的其他噴水推進器采用的安裝法蘭直徑小25%，整體重量輕10%，空穴余量高35%。LJX系列實現了不改變船舶船艉寬度的情況下，減少噴水推進器數量來實現推進動力的要求，為高性能船舶的進一步發展提供較大空間。

美國海軍一直致力于軸流式噴水推進技術在高速軍艦上面的運用。2007年Fung等人通過不同形狀的船艏、船艉配置設計了一種“概念單體船”，并分別采用混流式噴水器、軸流式噴水器、吊艙推進器、傳統軸承式螺旋槳推進的方式進行動力性能評估。

同年，Cusanelly等人進行了此方案的阻力試驗和自航試驗。阻力試驗結果表明軸流式噴水推進器性能最優；自航試驗結果表明高航速范圍內噴水推進方式推進性能較好，低航速范圍內常規螺旋槳推進性能較好。

2008年Jessup等人依照高速船噴水推進性能預報試驗規程對四軸流式噴水推進器的高速救生艦(見圖4)進行了動力性能細化研究，采用的模型和Cusanelly等人一致。相對于前人不同的是，Jessup的研究是在船型和動力要求確定的情況下，對軸流式噴水推進器和混流式噴水推進器進行差異研究。噴水推進船自航試驗最困難的部分就是對船模不同截面處的速度數據采集，Jessup的試驗采用激光多普勒測速儀(LDV)對圖2中對①、②、⑥站號截面進行測速。Jessup的試驗表明：噴水推進器進口布置(見圖5)對采用軸流式噴水推進器或者混流式噴水推進器有影響。

圖4 四軸流式噴水推進器的高速救生艦自航試驗

圖5 高速救生艦模型進口布置

4 國內進展與未來研究方向

4.1 國內研究現狀

中國三體救生船采用的推進方式是噴水推進方式(見圖6)。

圖6 中國三體救生船噴水推進器

近些年研究主要集中在高速三體船的片體布局優化研究上，三體船耐波性理論研究[9]，三體船的船體阻力研究[10-11]等方面。其中理論研究一般是從水動力學理論出發進行研究和CFD方法預報研究，同時在模型試驗方面，上海交通大學、哈爾濱工程大學、大連理工大學、海軍工程大學、七○二所、七○八所等有試驗條件的高校和研究所均進行了耐波性、片體布局優化、阻力問題等的模型試驗研究。

七○八所已建成噴水推進綜合性能試驗臺[12]，該試驗臺能夠完成包括模型泵和實泵在內的泵性能試驗、內特性試驗、可靠性試驗，試驗技術成熟且設備精良，已經達到國際要求標準。但是，對于船體-推進泵聯合系統的研究國內還處于起步階段，國內開始進行船體-推進泵聯合系統自航試驗研究的水池很少，而特定的針對噴水推進三體船的理論研究和自航試驗研究更是寥寥可數，這方面的研究還沒能達到獨立泵的試驗研究水平，國內未能充分利用已有的條件開展針對于噴水推進船的自航試驗研究。

當前成熟的船體和噴水推進泵的特定匹配技術還是掌握在國外噴水推進器制造商手中，國內噴水推進器制造商能根據主機功率和船舶的阻力曲線提供圖表進行噴水推進系統的初步選擇[13]，但對于特定船型的針對性匹配仍是空白。因此，在國內各高校和研究所加快對噴水推進船的自航試驗研究迫在眉睫，國內在船體-推進泵聯合系統的研究還有很大的空間。

4.2 未來研究方向

4.2.1 自航試驗中各站號處速度分布的測量

噴水推進船自航試驗中最重要也最困難的部分就是對船模不同站號截面處流體速度數據采集。ITTC規程中提出可以用計算流體力學的方法進行測量。在試驗研究方面，ITTC推薦且界內普遍采用的是壓差傳感器(DPTs)對噴嘴處測速和激光多普勒測速儀(LDV)對圖2中各站號截面進行測速，測量數據的精準度對于不確定度分析影響非常大，若能在該方面研究取得進展對于推進高速船噴水推進性能預報試驗規程的完善將是巨大貢獻。

4.2.2 船體-推進泵聯合系統相互作用機理

船體-推進泵聯合系統的試驗研究與單獨進行噴水推進泵或者裸船體的研究最大的不同就是初始的設計推力和裸船體阻力不一樣。從定性來看，進水口處截面處在船體表面邊界層內，會改變船體伴流；從船體底部吸入水流會因為產生管道損失和進口處滑行面的損失而改變其原定的設計揚程。

但是，定量的確定安裝噴水推進器后的裸船體阻力的變化和安裝噴水推進器后噴水推進器設計推力變化必須通過船體-推進泵聯合系統的試驗研究來解釋這些問題，試驗具體內容包括推力線高度變化、船舶縱傾、進口速度分布、浸濕長度及進流動量變化等。

4.2.3 噴水推進三體船全船設計綜合研究

噴水推進泵提供足夠的推進力是可以由噴水推進制造商保證的，制造商可根據主機功率和船舶的阻力曲線提供圖表進行噴水推進系統的初步選擇。但是，改變泵的噴口速比、導葉的幾何尺寸等就能改變泵的特性曲線，所以針對不同的船型可以做出適當的調整來使推進泵運行點能有最高的推進效率。

三體船是一種特種船舶，本身的船型設計還處在一個摸索中前進的階段，并沒有達到成熟定型的程度。因此，通過船體-推進泵聯合系統的試驗研究實現船型和噴水推進泵模型的針對性匹配，這樣能夠最大效率地實現船-泵聯合效率的最佳優化。

國內已經有很多可以生產噴水推進器的制造商，制造商有各自進行選擇噴水推進系統的程序和方法，部分拖曳水池對三體船的理論研究和試驗研究已經取得一定成果，制造商和科研單位雙方應發揮各自優勢共同研發，實現功能互補。

4.2.4 計算流體力學方法與試驗方法結合

計算流體力學(CFD)方法作為一種優良的手段能夠幫助我們更好地了解噴水推進船流場的流動特性，前述對船模不同站號截面處流體速度數據采集可以運用CFD方法進行數值計算。同時，CFD方法還可以對流場的湍流模式進行模擬，以了解不同湍流模式下流動的區別。

現在的CFD軟件已經較為成熟，若能正確地做出計算模型的網格劃分、邊界條件處理、模型選擇等進行數值計算，其結果可以作為自航試驗方案設計的參考，解決現在存在的爭議性問題，還可以對試驗手段無法達到的試驗條件作前瞻性的預測。

5 結束語

隨著ITTC高速船噴水推進性能預報試驗規程的頒布和不斷完善，國外噴水推進船模試驗研究已經成型，前述國外實例也只是國外進行的噴水推進船試驗的一部分。國內水池的硬件條件和軟件條件均未達到對ITTC高速船噴水推進性能預報試驗規程中的設定條件，因此國內也沒有水池擔任噴水推進專家委員會安排的噴水推進基準試驗任務，且業界對船模試驗的重視程度還不夠高，這些都是國內在此方面研究進程緩慢的原因，國內在噴水推進船的自航試驗研究方面還有很長的路要走。

國內學者應該不斷提升理論和實踐水平，加強與國外優秀水池的交流學習，引進船體-推進泵聯合系統的自航試驗設備，對噴水推進船模自航試驗進行深入研究，進而使噴水推進三體船的自航試驗研究水到渠成。

未來國內具有完成噴水推進三體船的自航試驗能力，不僅能開拓國內噴水推進制造商的市場，掌握船-推進泵系統的針對性匹配技術，早日擺脫當前對國外噴水推進泵公司的依賴，還能得到獨立自主的研究成果，這對于國內學術水平的提高和拓寬非常重要。同時，由于三體船的特殊使命，噴水推進三體船自航試驗的技術成果的保密性不容忽視。

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