江海直達船艏部結構入水砰擊試驗

彭晟，吳衛國，夏子鈺

1中交二航局技術中心海洋工程技術研究室，湖北武漢4300402武漢理工大學交通學院，湖北武漢430063

江海直達船艏部結構入水砰擊試驗

彭晟1，2，吳衛國2，夏子鈺2

1中交二航局技術中心海洋工程技術研究室，湖北武漢430040
2武漢理工大學交通學院，湖北武漢430063

新一代江海直達船主要呈寬扁型且吃水較淺，由江入海航行時會發生船艏底部和外飄砰擊，嚴重的砰擊會造成船舶主動失速甚至結構損傷，影響船舶與人員安全。傳統的理論和相關經驗公式很難預報寬扁肥大的艏部結構的砰擊載荷。相較于傳統的簡化模型試驗方法，本文基于相似理論設計了與某新型江海直達船艏部結構相似的三維木質模型。采用落水試驗的方法進行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰擊試驗。研究江海直達船艏部結構所受砰擊載荷特點，得到砰擊壓力峰值及其分布規律，同時發現了小角度入水情況下（入水攻角α＜5°）的空氣墊效應，空氣墊延緩并減小了砰擊壓力峰值。此外還回歸了0°～15°入水攻角下的底部砰擊壓力預報公式，可供結構設計時參考砰擊載荷的選取。

江海直達船；砰擊載荷；入水試驗；空氣墊

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.006.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：彭晟，吳衛國，夏子鈺.江海直達船艏部結構入水砰擊試驗［J］.中國艦船研究，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

實現江海直達通航可以更好地發揮長江黃金水道的優勢，節約營運成本，提高航運效率。國家“十二五”計劃中迫切需要新一代的江海直達船來提高內河航運效率，然而江海直達船砰擊問題更是亟待解決的關鍵問題。本文研究對象為新一代的江海直達船，上行運輸散貨，下行兼運集裝箱，為了滿足載貨要求，新設計的江海直達船結構形式為大開口、淺吃水肥大型船，因而其艏部結構也呈肥大扁平型。當船舶由江段駛入海段后，寬扁的艏底部和外飄結構容易發生砰擊。輕者產生顫振，影響船員的工作和生活環境，重則導致船舶結構損傷，影響船舶與人員安全。此外，嚴重的砰擊還會造成船舶的主動失速。

通常，對于砰擊問題采用不可壓縮勢流理論來計算砰擊壓力。物體入水過程中水的可壓縮性以及結構物表面和自由液面間的空氣墊影響都被忽略。最早Von Karman［1］提出了基于動量守恒和附加質量影響的砰擊壓力近似求解方法，得到了二維對稱楔形體砰擊壓力沿某半寬方向的分布，并推導出只與入水速度和入水攻角有關的最大砰擊壓力預報公式。后來Wagner［2］在Von Karman的基礎上引入了包含射流和液面升高影響的近似解方法，還提出了小攻角近似平板理論模型求解砰擊壓力，得到了更為精準的砰擊壓力預報公式。在隨后的幾十年里，眾多學者在Wagner理論基礎上改進發展了不少精度更高的2D/3D入水砰擊壓力計算方法。但是，對肥大扁平物體發生的小角度（一般認為物面與液面夾角≤5°）砰擊，由于受液面和物面困住而尚未逃逸的空氣墊影響，以上理論都無法有效預報砰擊壓力峰值及其分布。這種流體可壓縮性的影響在小角度入水砰擊中影響非常大，不能被忽略。特別是江海直達船發生砰擊時，寬扁肥大的船底撞擊自由液面會包含來不及逃逸的空氣，在船底與自由液面之間形成氣墊，同時在寬扁的底部邊緣產生高速射流。而現在的研究中很難用準確的物理或者數學模型來描述自由液面與結構交界處的噴射和空氣墊的形成、潰滅過程［1］以及其產生的砰擊壓力。

鑒于砰擊過程的復雜性和強非線性，對于入水砰擊的機理研究和相關理論模型的驗證，試驗研究無疑是目前為止預報砰擊載荷最有效可靠的方法。對于局部砰擊載荷試驗研究，國內外眾多學者采用靜水自由落體試驗，且大部分將三維砰擊簡化為二維砰擊來研究砰擊壓力峰值及其分布特點。Chuang［3-4］進行了系列的剛性平板、剛性楔形體、彈性體、圓錐體等不同結構物的入水砰擊實驗，是撞水實驗研究方面做得比較全面的學者之一。同時，他結合了Wagner二維楔形體理論和Chuang的三維圓錐體砰擊理論，擬合得到剛性楔形體的砰擊壓力系數與斜升角之間關系的砰擊壓力預報公式，得到了在大角度（＞10°）入水砰擊情況下公式預報與傳統理論計算結果吻合較好的結論。

國內學者黃震球等［5-6］試驗研究了平底結構入水砰擊問題，討論了減小平板砰擊壓力的結構形式。Zhao等［7］對斜升角30°的V形楔形體以及典型的船艏外飄剖面，進行了落體入水沖擊實驗，測量了砰擊壓力以及砰擊力，驗證了其非線性邊界元數值計算結果。Okada和Sumi［8-9］進行了一系列不同入水速度、入水攻角的平板入水砰擊理論和試驗研究，根據測得的砰擊壓力曲線特征和不同入水攻角將砰擊分成了含空氣墊的砰擊、Wagner型砰擊和空氣墊-Wagner混合型砰擊。Tveitnes等［10］設計了特殊試驗裝置保證楔形體以恒定速度入水，完成了入水攻角為5°～45°的系列砰擊試驗，測試得到了砰擊力、速度、濕面系數和附加質量，試驗結果對于在靜水面滑行的數值仿真有較大的借鑒意義。Battley等［11］進行了平板以近似恒定速度入水砰擊的試驗研究，討論了水彈性的影響。Huera-Huarte等［12］設計了新的試驗裝置，研究了高速平板入水砰擊過程，測試得到了砰擊力和速度，并對小角度砰擊情況下的空氣墊效應做了相關討論。在該試驗中，試驗速度最高達到5.0 m/s，入水角度從0.3°～25°，平板近似為剛性平板。試驗結果中，大于5°入水角的結果與Tveitnes的試驗結果和近似理論解有著較好的一致性。Engle和Lewis［13］對現有的5種理論、數值和試驗的砰擊壓力預報方法進行了對比，發現各種方法之間仍然有很大的偏差，很難歸納出一個砰擊壓力預報的統一標準。

上述砰擊試驗中，多是將艏部結構簡化為楔形體或平板結構，直接采用艏部結構相似模型進行砰擊載荷的研究較少。這樣近似方法無法真實反映船舶的砰擊發生區域和峰值的變化規律，尤其對于江海直達船這種寬扁肥大艏部結構，其局部底部和外飄砰擊過程更為復雜。為了得到江海直達船艏部結構砰擊載荷峰值和分布規律，本文在相似理論的基礎上，設計了江海直達船艏部三維木質結構模型和能進行多角度、多高度自由落水砰擊的試驗塔架，進行了一系列不同入水速度、入水角度（0°～15°）的靜水落體砰擊試驗，得到了砰擊壓力峰值及其分布規律，可為江海直達船結構設計提供可靠依據。

1　試驗過程

模型試驗對象為某換代江海直達船艏部結構，具有寬扁肥大的底部和外飄結構，如圖1所示。試驗中需測量砰擊壓力及入水相對速度，若要滿足試驗中船模入水砰擊過程與實船砰擊過程相似，盡可能真實反映實船砰擊載荷的特征，則模型與實船須滿足幾何相似、運動相似和動力相似的關系，其中主要滿足Froude相似條件，主要參數相似關系如表1所示?？紤]加工便利性，試驗模型采用木質結構，取全船艏1/10段（150#肋位至船艏）進行模型制作，如圖2所示。同時考慮到砰擊試驗水池的尺寸限制，模型與實船的縮尺比選取為1∶40，使模型入水時與池壁保持大于模型長度2倍的距離，盡量避免池壁效應的影響。試驗模型和實船的主尺度如表2所示。

表1　主要相似關系Tab.1　The main scales of the relative parameters

圖1　型線與艏艉輪廓線Fig.1　Profiles of the shiphull

表2　實船與船模物理量主要參數Tab.2　The main dimension of the full-scale and model-scale model

試驗在武漢理工大學沖擊試驗水池中進行，試驗儀器包括高精度壓力傳感器、加速度傳感器、電子數顯角度儀、光電開關、數據采集分析系統等。試驗水池的外圍尺寸為8.90 m×4.90 m×3.15 m，內圍尺寸為8.00 m×4.00 m×3.15 m。為了測試不同入水角度下艏部結構砰擊載荷規律，特設計了一種新型的可用于水動力學入水沖擊試驗的塔架。它由桁架式的滑動導軌、滾輪組、固定架和可調距離連接件組成。將該塔架固定于試驗水池正上方并與水面保持鉛垂，然后將試驗模型固定在導軌下方，通過調整導軌下方的連接鉸長度使模型與水面保持一定角度，保證艏部結構入水的姿態。部分儀器和裝置如圖2所示。

圖2　模型試驗示意圖Fig.2　Model test setup

在模型底部布置了8個壓力傳感器和1個加速度傳感器，如表3和圖3所示。為了保證壓力傳感器的外部結構不影響砰擊壓力的測量，通過在船底測量點貫通孔預埋螺紋基座來連接壓力傳感器，使壓力傳感器測量面與船體外表面平齊，保證模型表面光滑且型線與實船一致。

表3　模型測點位置Tab.3　The distribution of the pressure sensors

圖3　模型底部壓力測點分布Fig.3　The arrangement of the pressure sensors on the bottom

由于砰擊過程具有高瞬時性和局部性，測量信號的采樣頻率設為10 kHz。在測量中，首先將艏部模型裝于導軌下，并調節好模型與水面的攻角（α），分別使模型在距水面不同的高度以固定姿態入水發生砰擊。用布置在水面附近的光電開關測試艏部模型入水砰擊速度，同時可以將加速度信號積分得到模型入水過程速度變化曲線，用壓力傳感器測試艏部模型所受的砰擊壓力?？紤]到砰擊過程的離散性，待水面完全恢復平靜后各個工況均重復5次。艏部模型試驗的具體測試工況如表4所示。圖4所示為江海直達船艏部模型砰擊試驗過程，艏部結構在設定高度下自由落體以一定的速度撞擊水面發生砰擊，共完成了各種工況下至少160次入水砰擊試驗。

2　試驗分析

試驗結果表明，在較大入水角度情況下，測試結果具有較好的可重復性；在小角度情況下時，測得結果則具有一定的離散性。同時，試驗也得到了2種較為典型的砰擊壓力時間歷程曲線，與Okada和Sumi［9］定義的3種典型砰擊壓力類型特征大致相符。艏部結構發生有角度砰擊（α≥5°）時，砰擊壓力呈Wagner型；當艏部結構垂直入水（α=0°）時，砰擊壓力呈含空氣墊效應型，但與Okada和Sumi定義的略有區別，砰擊壓力并未出現平緩狀，而是在短時間內出現多個震蕩的正、負峰值（負壓），如圖5～圖7所示。圖5和圖6中左、右縱坐標分別表示砰擊壓力和速度，實線表示P4測點的砰擊壓力變化，虛線表示模型下落速度Vi變化，橫坐標為時間t。模型入水后，從艏至艉的測點先后達到砰擊壓力峰值，沿縱向方向上同一位置的測點幾乎在同一時刻達到峰值，如圖7所示。

表4　試驗工況Tab.4　The summary of experimental sets

圖4　船艏部模型入水砰擊過程Fig.4　The process of the water entry of the bow model

圖5　模型在入水角為0°時P4測點砰擊壓力時間歷程曲線，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°）

圖6　模型在入水角為5°時P4測點砰擊壓力時間歷程曲線，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°）

圖7　模型在入水角為5°時底部各測點砰擊壓力時間歷程曲線，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°）

圖5和圖6分別給出了試驗過程中艏部模型在落高為0.5 m，攻角分別為0°和5°入水發生砰擊所測得的最大砰擊壓力和速度時間歷程曲線。該角度下的砰擊壓力時間歷程是典型的Wagner型的砰擊。模型自由下落后加速撞向水面，模型速度達到最大值時底部剛好碰到水面發生砰擊，隨即砰擊壓力迅速增大到峰值，這一過程的持續時間很短，隨后在水動力和浮力共同作用下，艏部結構底部壓力逐漸減小到0并趨于穩定。圖7所示為模型入水砰擊過程中，不同測點砰擊壓力隨時間的變化，其中縱坐標為砰擊壓力P，橫坐標為時間t，不同顏色實線表示了不同位置測點所測的砰擊壓力。圖7所示的入水過程中模型底部各測點砰擊壓力時間歷程曲線，隨著模型的逐步入水，自艏向船舯處先后出現脈沖壓力峰值；由于模型寬扁的底部保證了流動的二維性，沿寬度方向的測點砰擊壓力峰值幾乎是同時發生的。

圖8分別給出模型以v0=2.5 m/s入水速度在0°，5°，10°和15°入水攻角沖擊靜水面時的船底中心P4壓力時間歷程曲線，其中縱坐標為無因次化后的砰擊壓力系數，橫坐標為時間。從圖8中可以明顯看出，當艏部模型垂直入水時（α=0°），其砰擊壓力時程曲線與其他入水角度的砰擊壓力時程曲線完全不同。這是因為艏部模型在入水過程中發生了明顯空氣墊效應和空化現象。由圖8可知，模型速度達到最大值前底部砰擊壓力已經形成了第一個峰值，隨著速度減小到0 m/s模型反向加速，底部又形成第二個峰值。這是由于江海直達船艏部模型具有較為寬扁肥大的底部結構，在其入水過程中，模型底部和水面之間極易包裹住一部分來不及逃逸的空氣形成空氣墊，空氣墊中的空氣被壓縮后導致模型底部表面壓力迅速升高，形成了第一個壓力峰值?？諝鈮|形成的沖擊波到達水面后，使得水面快速上升，并在模型底部水域產生很多空泡層（與Chung［14］等試驗中拍攝到的平板入水產生的氣泡類似）。隨著模型進一步浸入水中，氣泡隨其周圍液體進入壓力較高區域時，原空泡周圍的液體向著氣泡的中心沖去形成的水動力使氣泡破裂，高速液體的互相沖撞會造成局部壓力驟升并引起噪音（試驗中只有0°角入水時伴有較大的拍擊聲），氣泡在沖擊狀態下反復地被破壞和產生，造成了模型底部震蕩的壓力分布，如圖8所示。隨后在水動力和浮力共同作用下，艏部結構底部壓力逐漸減小到0 kPa并趨于穩定。當入水角度增大時（α=10°，15°），其砰擊壓力特性和5°入水角時保持一致，具有較強的瞬時性，只是砰擊壓力峰值變小而砰擊壓力持續時間變長。

圖8　P4測點在不同入水角度下砰擊壓力時間歷程曲線，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）

經過多次重復試驗后，得到了艏部結構以0°，5°，10°和15°入水角度在不同入水速度下的底部砰擊壓力峰值。對試驗數據采用無量綱化分析，假設艏部模型是剛性的（由于木質結構局部較大的剛性而忽略水彈性影響），也不考慮入水過程中水的可壓縮性，認為入水砰擊載荷只與水的密度ρ、入水物的重量m、入水速度v0、入水物體的特征尺度L、入水角度α和砰擊持續時間Δt有關。其中砰擊持續時間定義為從結構物觸水開始到結構物速度為0（或者砰擊載荷為0）的時刻。因此，可以將砰擊壓力P表達成這些變量組成的函數：

根據Von Karman［1］和Wagner［2］的砰擊壓力預報公式可知，

圖9　艏部模型底部（左舷）砰擊壓力分布（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°）

則砰擊壓力系數可以表示為

圖10　艏部模型底部P4測點砰擊壓力峰在不同入水角度和速度下的砰擊壓力系數Fig.10　The slamming pressure coefficients of the P4 with different water entry velocities and angles

圖9所示為船艏結構底部砰擊壓力沿船長和半寬b方向的分布圖，即從0.86Lpp處（Lpp為垂線間長）自艉向艏（x方向）砰擊壓力系數逐漸減小，自船舯縱線向船寬方向（y方向）砰擊壓力系數也是逐漸減小的，這樣單反向的壓力分布規律與傳統平板入水理論中砰擊壓力分布規律是一致的［9］。而整個艏部結構底部砰擊壓力呈現類似于“熱島效應”的分布規律，即船底中心處壓力峰值最大，沿長度方向和寬度方向逐漸減小。圖10所示為砰擊系數入水速度和角度間的關系圖，隨著入水速度和入水角度的增大，砰擊壓力系數隨之減小。但是，由于空氣墊和空化效應的影響，在入水角度為0°時的砰擊壓力系數并不是最大的。圖11所示為在入水速度為2.5 m/s時不同入水攻角下的砰擊壓力系數。實線和虛線分別表示砰擊壓力系數沿船寬和船長方向的變化規律。由圖可看出，在小角度砰擊時（α=0°或5°）砰擊壓力沿船長和船寬遞減幅度較大，隨著入水角度的增大（α≥10°），壓力沿船長和船寬方向變化變緩而趨于均布。這是由艏部模型寬扁肥大的底部結構形式所致，在小角度砰擊時，底部中心更容易發生空氣墊和空化效應，受到較大的瞬態沖擊力作用，遠離中心處流動速度小，因而邊緣處壓力較??；在大角度砰擊時，艏部結構沿船長方向的入水砰擊特性與傳統楔形體類似，較長的寬度保證了流動的二維性，使砰擊壓力沿寬度方向分布較均勻。

圖11　砰擊壓力沿艏部模型長度方向和寬度方向分布規律入水速度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）

圖12所示為試驗中測得的模型底部中最大砰擊壓力和傳統的Wagner［2］理論、Chuang［3-4］的試驗結果（對應圖中右邊坐標值）以及Okada［8-9］等的試驗和計算結果（對應圖中左邊坐標值）。由圖可知，試驗結果和傳統的Wagner理論、Chuang試驗回歸的砰擊壓力預報公式計算得到的結果具有相同的變化趨勢，但數值上兩者相差較大。相比于Okada預報得到的砰擊壓力系數，兩者在大于5°入水角時的趨勢保持一致，本試驗結果略大。但在0°入水角時，本試驗測得數值又遠小于其結果。而與Tveitnes［10］的試驗結果相比（α=5°～15°范圍內），本文試驗結果偏小。產生這種結果可能是由砰擊壓力較強的非線性和局部性造成的，試驗采用的壓力傳感器測試面尺寸直徑12 mm，試驗中測得的壓力可能并不一定是船體表面真實壓力的最大值。特別是在小角度入水砰擊中，空氣墊和空化效應的影響使得底部壓力在分布和幅值上具有較強的隨機性和離散型。同時，由于模型底部型線并非絕對的平板結構，底舭部略為上升的型線使得入水后射流的流速和模型入水產生的附加質量都比平板結構入水的情況小，砰擊壓力系數隨之減小。對于大角度入水砰擊（≥5°），本試驗模型入水實際上可以等效為傳統楔形體中沿寬度方向的一半入水的過程，因而在采用傳統理論和試驗的預報公式計算砰擊壓力系數時，由于交界處流場流速和附加質量的減小以及濕表面寬度的變化而產生偏差。如圖12所示，目前主要的砰擊壓力計算公式都無法有效預報此類寬扁肥大船型底部砰擊壓力，本文對試驗結果進行回歸得出了各入水角度下底部最大砰擊壓力的預報公式，如圖13和表5所示。

圖12　底部最大砰擊壓力（v0=3.0 m/s）Fig.12　The max slamming pressure with different water entry angles（impact velocityv0=3.0 m/s）

圖13　各入水角度下底部最大砰擊壓力Fig.13　The regression analysis of the max slamming pressure

表5　3D船艏部結構砰擊試驗得到的壓力峰值預報公式Tab.5　Regression equations of the slamming pressure from the present experiments

3　結　論

本文介紹了一種針對典型江海直達船艏部結構的新型三維結構入水砰擊試驗方法，并進行了不同角度、不同速度等工況下的砰擊載荷試驗。得到了艏部底部砰擊壓力峰值和分布特性，并通過對試驗分析得出以下結論：

1）江海直達船底部較為肥大，砰擊壓力和傳統平板結構入水特性相似，隨入水速度的增大砰擊壓力增大；在入水角度為5°時，砰擊壓力峰值最大；由于底部寬扁肥大，在入水過程中可能會夾雜部分空氣在船底和水面之間形成氣墊，并在入水過程中發生空化效應，造成底部結構壓力在入水角度為0°時要小于入水角度為5°的情況；隨著角度增大，底部最大砰擊壓力又逐步減小，且其壓力分布符合傳統的Wagner型砰擊的壓力分布特點。

2）此類寬扁肥大型船艏底部結構砰擊壓力呈現類似于“熱島效應”的分布規律，即船底中心處壓力峰值最大，沿長度方向和寬度方向逐漸減小。隨著入水角度的增大，這一現象略有減小，特別是入水角度＞10°后，整個底部結構的壓力峰值分布較為均勻，不再沿長度和寬度方向衰減。

3）通過試驗得到了此類寬扁肥大船型艏部結構底部砰擊壓力分布特點，并回歸了0°～15°入水攻角下的砰擊壓力預報公式，可供局部結構設計時參考砰擊載荷的選取。

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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網絡出版時間：2016-7-29 9:45

工信部高技術船舶項目

彭晟（通信作者），男，1985年生，博士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程流固耦合問題。

E-mail：pengsheng919@163.com

吳衛國，男，1960年生，碩士，教授。研究方向：船舶振動與噪聲控制，結構安全性與可靠性，

結構動力與穩定性研究。E-mail:mailjt@163.com