超高速自由液面循環水槽高品質測試流場技術

陳建平 夏丁良 朱健申 王宗龍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

噴水推進適用于高性能船舶，作為一種高效推進方式，噴水推進具有聲隱身性能優良、推進效率高、操縱性能優異、適應多工況能力強等特點，對艦船聲隱身性能和綜合航行性能將有極大提升作用。基于噴水推進自身特點設計的超高速自由液面循環水槽，可開展噴水推進水動力方面的多項試驗，主要是噴水推進系統的流場特性，如噴水推進器內外流場速度分布、壓力分布等特性和力特性，即測量噴水推進裝置的推力。

超高速自由液面循環水槽的主要特點就在于具有開式工作段，可形成從0～10 m/s的流速，測試時最高流速可達12 m/s，同時自由液面保持水平在指標范圍內，自由液面形成技術是本循環水槽的關鍵，本文對此進行闡述。

通過對工作段的流場進行測試，得到不同流速下工作段各截面的速度分布，確定穩定流速區域，作為模型試驗前的測試參考。

1 構成及試驗能力

超高速自由液面循環水槽主要用于噴水推進流場及力特性分析，可開展噴水推進裝置的進口流道試驗、力特性試驗、平臺相互干擾試驗、噴水推進裝置操舵倒航等試驗。表1為超高速自由液面循環水槽主要參數及技術指標。

試驗設施主體為立式水力循環水槽，水平中心線距離10.5 m，垂直中心線距離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）。測試段截面最大穩定流速可達12 m/s，且流速可控。

水力系統（見圖1）由循環系統筒體、自由液面控制設施、邊界層控制和模擬設施、測試工作段及調節裝置、整流穩定裝置等部分組成。測試工作段（見圖2）具有友好的界面，對進口流道、力特性、相互作用和操舵倒航等4個測試臺位具有一致方便的接口，并能夠方便LDV、PIV、高速攝像機等測量設施的測試。

表1 超高速自由液面循環水槽主要參數及技術指標

圖1 水力系統

圖2 測試工作段

測試工作段為鋼結構框架結構，兩側分別設置8扇有機玻璃窗，底部設置3塊玻璃板，可從兩側以及底部進行測試或攝像。測試工作段最大模型尺寸為推進泵直徑 300 mm、船模長 6 000 mm。

工作段要在不同流速下都能有穩定且保持水平的自由液面，在設計時吸取了法國F11A水槽的經驗，同時采用消能槽，來消耗自由面部分水流的能量，以達到試驗段保持水平之目的。

2 自由液面形成技術

螺旋槳在空泡水筒開展的試驗很多，本循環水槽在設計中借鑒了空泡水筒的經驗［1］，同時也考慮到噴水推進的獨特性，即在自由液面狀態下的狀態與螺旋漿不同，高速時噴流通常在水面上；因此自由液面的試驗狀態十分必要［2］，測試工作段除了能形成平穩的自由液面外，還能調節成閉式結構，使系統可在減壓狀況下運行，以適應空泡試驗的要求，即為一個空泡水筒［3］。

自由液面形成技術作為本系統的關鍵技術，是要確保試驗工作段在高速時能有穩定且保持水平的自由液面，主要取決于自由面波動的消除和表面氣泡的去除，必須消除高速自由液面在下游產生的水躍對上游測量工作段的影響。根據現在的實際試驗運行情況，已較好地達到了預期效果。

本系統采用了抺平器（Skimmer）、自由面加速器、氣泡重力分離及集氣器、工作段底面坡度等4項自由面技術，均達到良好效果。

為使測量工作段在高速（Fn=1）時獲得高品質的自由液面，目前國際上具有高品質自由液面的高速水槽通常采用布置水躍抹平器或在自由液面下游設置大水箱的技術方案。經測算，除在臨界速度（測量工作段速度為2.95～3.95 m/s）附近，其他速度下兩種方案中工作段的自由液面的品質都是令人滿意的，由于下游大水箱的方案產生的能量損失較大，因此本項目確定采用布置水躍抹平器的方案。參考F11A水槽（見下頁圖3）的經驗，在試驗段后用隔板把水流分為兩部分，具有自由液面約5%～8%的部分水流從隔板上部流出，其余水量從下部通道流入環路，這樣可使大部分水流的能量損失不受自由液面的影響，從而大大節省系統能耗并減小驅動功率。

表2 本系統特點及先進性分析表

同時，在隔板上部采用消能槽，來消耗自由面部分水流的能量以達到試驗段保持水平的目的。配合消能槽開展輔助泵設計，對應本系統的尺度流量取為1.7～1.8 m3/s，按12 m/s速度動能的全部損失為水頭來配置輔助泵。

通過輔助泵與主機轉速匹配的試驗測試，確定主泵轉速與輔助泵轉速的標定值，從而在不同流速下，輔助泵的消能效果都能達到最佳。

對于自由面噴口邊界層的加速，參考F11A水槽的經驗，采用在噴口處的自由面上加裝厚度為1 mm的噴水器的方法，其噴速為試驗段流速2倍，根據1 ： 5模型試驗結果，噴速為1.7倍的主流速度。根據CFD的仿真結果，速度為12 m/s時，噴口后1 m處，自由表面上的速度已達到工作段平均流速的70%，其影響已較小。目前自由面加速的功能尚未開展較詳盡試驗，待試驗后可與仿真結果對比。

圖3 F11A循環水槽

圖4 F11A循環水槽工作段

圖5 GTH循環水槽

水力系統中上部有自由面水流可能引起水氣混合，在抹平器后較平穩的64 m2水平面上，水流沉降速度不到0.03 m/s，大約64 m3的水容量使總的平均駐留時間達到36 s，對于較大的氣泡基本應能夠排出，而對于較小的氣核，在主循環泵的出口至第三拐角的空間中被吸收，并在水槽頂部布置有集氣箱。

為保持工作段自由液面的水平度，通過計算能量坡度，考慮表面摩擦，計算得到工作段底面坡度。

3 工作段流場測試

首先，通過轉速匹配試驗，確定主泵與輔助泵的轉速匹配值，為后期試驗時，調整輔助泵轉速提供數據基礎，在實測流場時，可通過表3或曲線（見圖6）插值得到輔助泵轉速，通過微調，達到匹配值。圖7為工作段結構圖，LDV放置在工作段外側。

表3 水速、主泵轉速、輔助泵轉速對照表

圖6 水速、主泵轉速、輔助泵轉速對應曲線

圖7 工作段結構圖

采LDV測試工作段在不同流動速度狀態下的流動特性，主要為試驗段各種狀態（尤其是自由液面狀態各個不同的Fr數下）的速度不均勻度、自由面波動、水平度等參數。測量流速從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三個截面的測速為例進行描述。

坐標設置為：X為試驗段進口（上游）法蘭面為原點，指向下游；Y為試驗段觀察窗內側壁為原點，指向另一側；Z為試驗段自由面為原點，指向下。

在本次測試中，共進行18組速度測試，每一速度Z方向取7個位置，Y方向取9個位置，共取63個速度點，其中：X=2 000 mm處8組速度（2 m/s；4～10 m/s， 間 隔 1 m/s），X=5 000 mm處 8組速度（2～9 m/s， 間隔 1 m/s），X=8 000 mm處2組速度（2 m/s，4 m/s）。不均勻度均小于技術指標，全部±2.0%。

以其中一組數據為例，表4為在X=5 000 mm處測量9.9 m/s水速的情況，根據整體測量的數據平均，該組數據的平均值為9.925 9 m/s。從表中可以看出，Y方向速度平均值的最大值為9.948 0 m/s（Z= 500 mm），最小值為9.903 9 m/s（Z= 100 mm），Z方向速度平均值的最大值為9.931 0 m/s（Y=475 mm），最小值為 9.918 3 m/s（Y= 525 mm）。總體平均偏差為0.022 6，不均勻度為0.227 7%，遠小于指標要求的自由液面不均勻度±2.0%（6 m/s）。

表4 速度不均勻度測量及計算表（X = 5 000 mm）

將以上數據繪制出速度曲線，圖8為沿Z方向的速度分布，下頁圖9為沿Y方向的速度分布，速度分布在9.92 m/s的附近。

圖8 典型坐標處Z方向速度分布曲線（X=5 000 mm）

X=2 000 mm、X= 5 000 mm處測試的水速，求取整組數據的平均值、平均偏差，計算在該水速下的不均勻度，以觀察在工作段不同截面處速度分布的情況。

圖9 典型坐標處Y方向速度分布曲線（X=5 000 mm）

表5和圖10顯示了X=2 000 mm處速度平均偏差不均勻度。

表5 X=2 000 mm處速度平均偏差及不均勻度

圖10 X=2 000 mm處速度平均偏差及不均勻度分布圖

由此可見，在該截面處，隨著速度增大，速度平均偏差逐步增加；但是總體來說偏差不超過0.02，尤其在10 m/s的高流速狀態下，平均偏差0.016 4，偏差非常小。不均勻度則是呈現低速區較大，中間速度區較為均衡，高速區略有上升的趨勢，但整體都在0.2%以下，遠遠小于2%不均勻度的技術指標。在該截面處的速度分布是非常均勻的。

表6 X=5 000 mm處速度平均偏差及不均勻度

表6為X=5 000 mm處速度平均偏差及不均勻度的分布，相對應的曲線如下頁圖11所示。速度的平均偏差較為均勻，但比X=2 000 mm處有一定程度的增大，最大值不超過0.025。不均勻度依舊在低速區顯示出相對較大的變化，在2～4 m/s處，速度的波動較為明顯且不夠穩定。在中高速區回到小于3%的不均勻度范圍，整體的不均勻度依舊遠小于指標要求的數值。

圖11 X=5 000 mm處速度平均偏差及不均勻度分布圖

通過試驗測試了4 m/s、6 m/s、8 m/s理論水速下的6組速度值，計算其不穩定度，并測試該速度下的自由面的水平度，從表7可以看出，速度不穩定度通過測試6點，均方根值都在0.17%以下，設計指標是≤±1.0%。速度的水平度隨水速增加而發生一定變化，在8 m/s最大，達到28 mm，但也小于設計指標（50 mm）。

表7 自由面水平度測量表

4 結 語

從對超高速自由液面循環水槽工作段的測試數據來看，從2 m/s到10 m/s，工作段保持了良好的速度穩定性，速度平均偏差、不均勻度、不穩定度都遠遠小于技術指標，能夠在高速、超高速段保持良好的自由液面品質。

本次測試采用LDV進行測量，后期還可采用PIV［4］進行測量，如進行噴水推進或其他試驗，結合高速攝影能夠更好地觀測試驗狀態。

關于工作段測試還有繼續深化的地方，前期做過一定的仿真計算，可繼續深化作為對比。后期還將閉式狀態的數值仿真與測試，作為今后試驗的基本條件。