（轮机工程专业论文）高速滑行艇水下排气系统试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文通过对船用柴油机的各种排气方式的比较和分析后认为，军用高速艇 主柴油机比较理想的排气方式为水下排气。在军用高速艇上采用水下排气方式， 不仅能够有效的降低柴油机在空气中的排气噪声，而且能够比较显著的减少红 外辐射，对于战斗舰艇的隐身性有很大的帮助。 ( 高速艇大多采用滑行艇艇型，对于重量和尺寸的要求非常严格，重量的增 加将会很明显的影响到艇的航速。从船的总体性能来考虑，在满足使用要求的 情况下，要尽量减轻设备的重量和减少舱室的容积，因此，高速艇多采用大功 率高速柴油机，其机舱布置也极为紧凑。所以在高速滑行艇上采用水下排气 方式，需要解决以下三个方面的关键问题： 1 ) 排气背压问题。 高速艇上使用的柴油机允许的排气背压都较小，因此，要想在高速艇上采 用水下排气方式，就必须选择合适的排气点，使主机的排气背压不超过允许值， 这样才不会影响主机的功率发挥。 2 ) 艇的阻力问题。 如果因为采用水下排气而使艇的阻力增加过多，将会导致艇的航速降低。 3 ) 排气对螺旋桨的影响。 如果排气被吸入到螺旋桨中，将会使螺旋桨推力下降及产生空化，使其效 率大大降低，从而使得船难以达到设计的最高航速。 作者结合实艇的使用，针对上述三个关键问题进行了一系列的试验研究， 找到了一个圆满解决这些问题的方案，为水下排气在高速滑行艇上的使用提供 了宝贵的试验依据，这标志着我国在高速滑行艇上采用水下排气的研究迈出了 实质性的一步。 关键词：高速艇：柴油机：水下排气：噪声；红外辐射 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e rc o m p a r e da n da n a l y z e dm a n yt y p e so ft h ee x h a u s tm o d e i t c o n c l u d e dt h a tt h eb e s te x h a u s tm o d ef o rt h em a i ne n g i n eo fm i l i t a r y s p e e d c r a f ti s u n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e m t h ea d v a n t a g eo fu n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e mi sn o to n l y t or e d u c et h en o i s ei nt h ea i r , b u ta l s ot od e c r e a s et h ei n f r a r e dr a d i a t i o no ft h ec r a f t i th e l p st h ec r a f tt oe s c a p ef r o mt r a c i n g s p e e dc r a f t sa r ev e r ys t r i c ti nt h ew e i g h ta n dm e a s u r e m e n tb e c a u s et h ec r a f t s a r ea l m o s tu s eg l i d e rb o a t i tw i l lo b v i o u s l yr e d u c et h es p e e do ft h ec r a f ti ft h e w e i g h te x c e e d i n gw h i c hd e s i g n e d s o ，i ti sr e q u k e dt o r e d u c et h ew e i g h to f e q u i p m e n t sa n dc u b a g eo ft h ec o m p a r t m e n t s t h ee n g i n e su s e di ns p e e dc r a ra r e a l m o s th i g h s p e e de n g i n e ，a n dt h ee n g i n er o o mi sv e r yn a r r o w i no r d e rt ou s e u n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e mi ns p e e dc r a f t s ，i ti si n d i s p e n s a b l et os o l v et h r e ep i v o t a l q u e s t i o n sd i s c u s s e da sf o l l o w i n g ： 1 ) 、e x h a u s tb a c kp r e s s u r e t h ea l l o w a b l ev a l u eo ft h ee x h a u s tb a c kp r e s s u r eo ft h em a i ne n g i n e su s e di n s p e e dc r a f t s i su s u a l l yv e r yl o w i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s et h er i g h tp o s i t i o nf o r e x h a u s to u t l e ti fw ew a n tt ou s eu n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e mi ns p e e dc r a f t s t h i s g u a r a n t e e st h ep o w e r o tm a i ne n g i n e 2 1 、r e s i s t a n c eo f t h ec r a f t i tw i l lr e d u c et h es p e e do f t h ec r a f ti f t h er e s i s t a n c ei n c r e a s e dv e r yh i g hb e c a u s e o f u s i n gu n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e m 3 、t h ei n f l u e n c eo f t h ee x h a u s tt ot h ep r o p e l l e r i fe x h a u s tg a s e sa r ei n h a l e db yp r o p e l l e r , i tw i l ll e a dt oc a v i t a t i o n t h er e s u l ti s t h ec r a f tc a l l tr e a c ht h ed e s i g n e ds p e e d a f t e ras e r i e so ft e s to nt h et h r e ep i v o t a lp o i n t sh a v i n gb e e nd o n e ，w ef o u n da w a yt os o l v e t h e s ep r o b l e m s i ti st h et e s t i n gg i s tf o rs p e e dc r a f tt ou s eu n d e r w a t e r e x h a u s ts y s t e m i ti n d i c a t e st h a tw eh a v ea c q u i r e dm a t e r i a la d v a n c e m e n to nt h e s t u d yo fu n d e r w a t e re x h a u s ts y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：s p e e dc r a f t ；d i e s e le n g i n e ；u n d e r w a t e re x h a u s t ；n o i s e ；i n f r a r e dr a d i a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题产生的背景 虽然和平与发展是当今世界的时代潮流，但是我们应当看到，国际上阻挠 和平与发展的势力时刻存在着。中美飞机相撞等事件的发生表明，中国国内和 平与发展的环境受到了外来的威胁。为保障国家的和平与发展，必须在与敌人 斗争中保证立于不败之地，这就要求中国的武装力量在与敌人的对抗中至少处 于平衡状态，这样才能使自己的国家有个和平发展的环境。 军事侦察的能力是武装力量中一个非常重要的方面。随着科技的不断进步， 现代侦察与反侦察的手段也日益加强，为了在现代战争中立于不败之地，我们 应该在侦察敌人的同时隐蔽自己，这就要求舰艇具有很好的隐身性。 对于动力专业来讲，影响隐身性的主要方面就是柴油机的振动噪声和排气 噪声以及柴油机排出高温气体的红外辐射。柴油机的振动噪声我们可以通过加 装隔振器和隔音材料的方法加以解决，但是对于高速艇的排气噪声和红外辐 射，目前，常规的方法还没有有效的解决该问题。 根据总体性能的要求，新型的高速侦察艇采用了滑行艇艇型，四机四桨。 为了满足设计任务书的要求，我们决定采用水下排气方式，虽然国内尚没有在 高速滑行艇上成功采用水下排气的实例，而且该艇机舱设备很多，机舱布置极 为紧凑，能够选择的排气位置极为有限。但经过查阅了大量国外资料后，我们 认为，在该艇上采用水下排气方式虽然有难度，但通过努力还是可行的。为此 我们成立“水下排气”课题组，重点研究解决高速滑行艇上采用水下排气方式 的技术难点。 1 2 几种常规排气方式简介 在常规的船舶中采用得最多的排气方式主要有如下几种 1 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 烟囱排气 在过去设计的船中，大型船舶如客轮等大多采用这种方式。该排气方式的 布置较为简单，将主机和柴油发电机组的排气管汇总到一个或两个烟囱井内， 直接从船顶部排出( 如图1 1 所示) 。但是这种排气方式使得船舶后甲板上聚集很 多油烟，尤其是在有风的情况下更为明显。而且，高温的气体直接排至船顶部， 有很明显的红外辐射，容易被敌人的红外识别器发现。这种排气方式现在已经 很少在战斗舰艇上采用。 一一一哥 兰亍 一一 +，。夕剁l 慕、 f 一， 、 一1 呻 # 女 。i ；l 。 、i趸。一一 型：二一二二 ，。一 图1 1 烟囱排气 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 舷侧排气 舷侧排气是现在采用的较为普遍的一种排气方式( 如图1 - 2 所示) 。它可以通 过海水喷淋或废气冷却系统使排气温度降低，减少一定的红外辐射。如前苏联 的“无畏级”导弹驱逐舰就是使两台燃气轮机产生的高温废气分别排向船的两 舷，在舰内经过一大型废气快速回冷系统，使之产生的红外信号大大降低。 图l 一2 舷侧排气( 一) 如果是在高速艇上，由于空间的限制，无法安装排气消音器来减少排气噪 声，也不可能加装废气冷却系统降低排气温度。而且，在高速艇的设计中，由 于总体布置的需要，机舱大多设置在船舯偏后的位置，这样，舷侧排气的出1 ：3 就无法远离生活舱室，排气噪声严重影响艇员的工作和生活环境。 还有一种舷侧排气方式就是湿式排气( 如图1 - 3 所示) ，主机燃烧的废气和海 水混合后一起排至湿式消音器，然后通过软管排至舷外。这种方式的排气噪声 及红外辐射都有较为显著的改善。但是，该排气方式大多使用在小功率的柴油 机上， 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 尾部排气 图1 - 3 舷侧排气( 二) 现在，尾部排气方式也使用得比较广泛，大多运用在采用喷水推进的小型 船舶中( 如图1 - 4 所示) ，由于采用喷水推进泵，主机可以尽可能往船后部布置， 这就使得从尾部排气极为方便，排气管路相对较短，不会增加太多的排气阻力。 i ，b ， j ，一曼。：警筹一，一一二k一一，孑2 孑s 矗，1 卜1 、 ， j 伊一一赳：要篡- 三= 兰竺二一 j 1 j 皿 图l 4 尾部排气( 一) 4 华中科技大学硕士学位论文 现在也有少数使用螺旋桨推进的船舶采用尾部排气方式( 如图1 5 所示1 ，但 是由于螺旋桨角度的限制，使得主机离尾部较远，此时采用尾部排气就必然会 使排气管穿过几道舱壁，增加船舶建造难度，而且排气管的加长也使得排气阻 力增加，排气背压加大。如果要保证不影响主机的功率发挥，应加大排气管管 径，这样使排水量的增加，而且占用大量宝贵的空间，显然，这对于高速艇是 极为不利的。 图1 - 5 尾部排气( 二) 从以上的分析我们可以看出，由于空间和重量的限制，在军用高速艇上难 以按照常规船舶来布置排气消音器以减小排气噪声，而且也无法有效的消除排 气的红外辐射。常规的排气方式无法满足我们军用快艇的要求。 因此，在高速艇上，减少排气噪声和红外辐射最有效的方法就是采用水下 排气方式。 有试验表明，在同一型船中，采用水下排气方式比不采用水下排气方式在 空气中的排气噪声可降低1 0 2 0 d b 。这对于提高军用艇的隐身性是非常有帮助 的。而且，采用水下排气的船只，其排气孔处的红外辐射比采用常规排气方式 的船只大为降低。这些都有利于减少被敌发现的概率，这对于军用艇尤为重要。 国外的舰艇大多采用水下排气方式，这也说明了该排气方式使用在军船上的必 要性。 _ 一 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外使用水下排气方式的概况 在国外，水下排气方式使用得相当普遍，有的国家甚至还以法律的形式规定， 水面舰艇不使用水下排气为非法【2 】。 国外的游艇和战斗舰艇绝大多数都采用水下排气方式。例如，m a r ke l l i s d e s i g n 公司设计，f r e e d o my a c h t s 船厂建造的l e g a c y 系列游艇全部采用水下排 气方式【3 】o 德国德瑞特曼( d r e t t m a n ng b m h ) 公司设计，我国台湾建造的埃里 冈斯( e l e g a n c e ) 7 0 型豪华游艇也采用了水下排气1 4 】，不仅可有效降低空气中的排 气噪声，而且还可以避免烟雾影响甲板游客的兴致和休息。瑞典的“哥德堡”级驱 逐舰，由于采用了水下排气方式 5 】，使得其红外辐射大为减少。还有美国、德国、 新加坡等国海军的战斗舰艇也都采用了水下排气的方式。 我国对水下排气方式的研究起步较晚，到目前为止，还未见在高速艇上成功 采用水下排气的报道。 虽然潜艇都是采用水下排气方式，但它们大多是在排气系统中增设积水箱 【6 1 ，防止海水倒灌入主机内。这需要很大的空间放置积水箱，这在高速艇上是不 可能实现的。而且，潜艇使用的多是中速机和低速机，它们可以承受的排气背压 很大，这也是高速艇上所使用的高速柴油机所无法满足的。再者，潜艇所采用的 水下排气不是从其艇底排出的【7 1 ，这一点和水面舰艇所采用的水下排气方式有着 本质的区别。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 研究的意义 我国对水下排气方式的研究起步较晚，尤其是对于军用高速艇的水下排气方 式的研究。十多年以前，曾经有某型战斗舰艇尝试采用舷侧水下排气【8 1 ，但是效 果不理想，后来改为常规排气。之后就没有其它部门专门投入人力和物力进行水 下排气的研究。到目前为止，还没有在军用高速艇上成功采用水下排气方式的实 例。因此，本次试验研究的意义尤为深远。 我们的这次试验是在查阅了大量国外资料的基础上”，经过一年多的试验 准备及将近一年的试验研究，试验表明，我们已经解决了水下排气使用在高速艇 上的技术难点。试验的成功不仅能够满足军用高速艇对于空气中的排气噪声和红 外辐射等方面的隐身性要求，而且，在我们今后设计的其它用途的高速艇上也可 以广泛采用。采用了水下排气之后，可使空气中的排气噪声大为降低，为艇员提 供一个相对安静的生活环境。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文的研究内容 本项目从立项到现在试验研究结束，历时将近两年。到目前为止，水下排气 的设计国内无资料借鉴，国外虽然广泛采用，但其核心技术都是保密的，没有公 开发表，更不可能知道其设计细节。 在时间紧任务急，而且没有参考资料的情况下，为了满足设计任务书的要求， 我们课题组成员共同努力，经过精心的计算和设计，通过十多次的试验修改 再试验再修改的过程，终于在2 0 0 2 年9 月底完成了全部试验内容，取 得了令人满意的结果。 本文的研究内容主要有： 1 ) 对水下排气的流场进行分析，为高速滑行艇采用水下排气方式提供理论 依据。 2 ) 模拟实艇有关参数，并确定水下排气参数的测试方法。 3 ) 根据实艇布置情况选择水下排气点。 4 ) 通过理论分析确定在艇底产生负压的条件，并试验多种不同结构型式及 尺寸的导流板以确保艇底产生的负压区能够满足主机水下排气的要求， 同时满足艇的阻力增加值在可以接受的范围内。 5 ) 采取措篪以避免排气对螺旋桨产生影响。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 高速滑行艇上采用水下排气方式的理论探讨 2 1 军用高速艇的特点及其对主柴油机及排气系统的要求 一般来讲，高速艇大多采用滑行艇艇型，对于重量和尺寸的要求非常严格， 重量的增加将会很明显的影响到艇的航速。因此，军用高速滑行艇及其对主柴油 机及排气系统有如下要求： i ) 、尽量减轻设备的重量和舱室的容积。 2 ) 、多采用高速柴油机，排气背压小。 3 ) 、机舱布置极为紧凑。 4 ) 、尽可能减少排气噪声。 5 ) 、尽可能减少红外辐射。 2 2 本课题的技术难点 为了在军用高速艇上采用水下排气方式，需要着重解决以下三个方面的难点 问题： 2 2 1 排气背压不允许超过主机所能承受的最大值 高速艇上所用的多为大功率高速柴油机，其允许的排气背压都较小。因此， 要想在高速艇上采用水下排气方式，就必须选择合适的排气点，使主机的排气背 压不超过允许值，这样才不会影响主机的功率发挥。 2 2 2 不能使艇的阻力增加过多 如果因为采用水下排气而使得艇的阻力增加过多，那样也会使得船无法达到 华中科技大学硕士学位论文 设计的最高航速。 2 2 3 排气不能对螺旋桨产生影响 如果排气被吸入到螺旋桨中，将会使螺旋桨推力下降及产生空化，使其效率 大大降低，从而使得船难以达到设计的最高航速。而且，空化还会引起材料的剥 蚀，引起振动和噪声。 除此之外，还要有效防止海水倒灌入柴油机中。若海水倒灌入柴油机，将会 造成液击而使柴油机损坏。 2 3 技术难点的解决思路 在对以上技术难点进行逐一分析后，我们认为在试验研究中应采用以下思路 解决问题： 1 ) 、负压问题 根据伯努利方程 p + 三p v 2 = c 得： y 2 2 一v l2 = 三( 暑一只) p 由上式可知： 当排气出1 ：3 处的压力比排气管中的压力低时，排气的流速会增加，便于废气 的排除，因此，我们要尽可能减小排气出口处的压力。 本艇采用了滑行艇艇型，四机四桨，机舱设备很多，机舱布置极为紧凑，能 够选择的排气位置极为有限，无法在艇底随意选择排气点，而且滑行艇的艇底都 为正压。当其处于全滑行状态时，由于受到流体动力的作用，特别是艇底正的水 压力几乎全部代替了静浮力。 l o 华中科技大学硕士学位论文 于是，我们就想办法在现有的排气点处制造负压区，使主机的废气能够顺利 排至艇底。我们的方法是在排气出口前部加装契形导流板，我们共试验了十多种 不同形式或尺寸的导流板，试验证明，我们所采取的方法是有效的。 2 ) 、阻力问题 为了在排气出口处制造负压区，我们加装了导流板，这必然会增加艇的阻力， 除此之外，导流板还会使艇的航态发生改变。 根据附体阻力的计算公式： r = o + ，s c - 軎。一；p y 2 其中：c 一阻力系数 h 一附体高出艇底表面的高度 6 一边界层厚度 b 一附体前缘宽度 可知： 要想使艇的阻力增加不多，我们就应该减小h 和b ，但同时还要满足产生负 压的要求。 为此，我们尽量采用湿面积较小的导流板，将导流板沿着流线方向布置，而 且将导流板沿流线方向采用流线形剖面，经过十多种不同形式或尺寸的导流板的 选优试验，我们找到了一种既能够产生足够负压区，又不会使艇的阻力增加过多 的导流板形式。这是解决问题的关键所在。 3 ) 、排气对螺旋桨的影响问题 根据理论计算及最初的机舱布置选定的几个排气孔位置，经过试验后发现， 在高速时不可避免有气体被螺旋桨吸入，这是很严重的问题。于是我们试着在船 1 1 华中科技大学硕士学位论文 底内侧加装阻气条，但是无法解决该问题。经重新调整机舱内设备的布置，使排 气出e l 尽可能向船舷侧倾斜，同时向后倾斜。试验表明，调整位置后的排气孔能 够有效避免废气被螺旋桨吸入。 柴油机采用水下排气时，在航行中或停泊时都会受到波浪的影响，如有不慎 就会发生海水倒灌入柴油机内的情况。我们在设计中采用了特殊形式的排气挡 板，并且优化了排气管管路的走向，能够有效防止海水倒灌入柴油机中。由于该 项不是本次试验的重点，因此在后面未对此加以详细的叙述。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 水下排气系统的模型试验 3 1 水下排气流场的分析 柴油机采用水下排气时，排出的气体与水混合形成气液两相流。 有研究表明1 1 抛o l ，柴油机水下排气所形成的气液两相流从管口到水面的流 动状态可明显的分成气泡形成( b u b b l ef o r m a t i o n ) 、自由气泡( f r e eb u b b l e ) 、气泡 云( b u b b l es w a r m ) 及水面喷涌( s p o u to rs p l a s h ) i n 个区域。水下观察到的单孔排气 典型的流动状态如图3 1 所示。 ( 1 水面喷涌区；2 气泡云区；3 自由气泡；4 管口气泡形成区) 图3 1 单管口水下排气完整的流动状态 气泡形成区是管口形成的气泡未脱离管e l 期间，气泡所占据的管口上方的空 间。管口处气液界面形成了柴油机向水中排的尾管口边界。气泡形成是指气体注 入水中在管口处形成的气液界面不断增大的过程。 自由气泡区是指气泡脱离管口上浮还未破碎和分散所经历的路径。这一段区 域，自由气泡的气体具有一定的动能和初始运动速度在浮力的作用下上浮，体积 膨胀并将能量传递给上部周围的水介质使其运动，在下部形成尾流。 华中科技大学硕士学位论文 气泡云区是指自由气泡在周围流场的作用下，逐渐破碎成较小的气泡，在上 浮的过程中逐渐扩散到液相中，扩散的半径逐渐加大，至表面气泡已破碎成许多 漂浮的小气泡群。从自由气泡破碎至自由表面为气泡云区域。 水面喷涌区是指气泡云中的气泡从自由表面逸出时引起水面浪花飞溅和水 面局部升高区。水面喷涌和浪花飞溅高度与水下排气流量、孔口尺寸和分布及水 深有关。从水下排气实验中观察到的现象是单孔排气比分教多孔水下排气喷涌和 浪花飞溅高度大，排气流量增加，管口距水面的高度下降都会出现较大的喷涌。 有大气泡从水面逸出时飞溅高度相应增加。排气较为集中气泡扩散较小，传递给 周围液体的动能也较为集中，液体上行速度大时水面喷涌较高。 当管口外的水介质以一定的速度流动时，管口处气液两相流的流动轨迹与静 水中的状况不同。流动轨迹受浮力和流体流动引起的附加流动阻力的影响，水流 速度越大，气液两相流的流动轨迹与铅垂方向的夹角越大。附加流动阻力的存在 有助于管口气泡的脱离，提前出现脱离阶段，形成的气泡体积随液体流速的增加 而减少。 根据以上的分析，我们认为，在艇上采用水下排气方式时，要想有效减少空 气中的排气噪声及红外辐射，就必须控制好排气浮出水面的时间，此时间与排气 孔距水面的斜向距离和艇的航速有关，这在高速滑行艇上尤其重要。如果该时间 很短，排气还处在自由气泡区时就浮出水面，气体未与水充分混合，气泡较大， 温度也没有降低太多。这时势必会产生较大的噪声和红外辐射。如果该时间很长， 虽然能有效降低空气中的排气噪声和红外辐射，但排气有可能被螺旋桨吸入，使 螺旋桨推力下降及产生空化，从而影响艇的航速。 3 2 水下排气有关参数的模拟 根据总体性能的试验需要，本艇的试验模型的缩尺比例为九，为了使试验对 于实艇上的使用具有指导意义，我们对与排气相关的参数进行了模拟，换算公式 如下所示【2 2 】： 一一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 阻力： r s = v ，y 。) 速度： v 。= ( 九1 2 0 5 1 4 4 ) + v 。 排气流量： q 。= x 舳+ q 。 排气压力：p 。乱+ p 。 其中，符号中带s 的为实艇参数，带m 的为模型参数。 根据使用需要，我们共选择了五种不同航速，从低到高依次为v 1 v 5 。 船模上模拟的参数如表3 一l 所示： 表3 1 设定航速 v lv 2v 3v 4v 5 船模航速( m s ) 2 6 5 33 3 6 44 0 2 35 0 8 16 6 0 船模上模拟的排气流量( l s ) 3 0 54 4 85 8 87 8 41 4 2 3 船模上模拟的排气压力( b a r ) 1 0 5 71 1 0 21 1 1 41 1 2 51 5 0 排气的高温在船模试验时难以很恰当的模拟，再者，有文献报道【l2 1 ，排气高 温对于水下排气气液两相流的影响不大，因此，我们的试验未对排气温度进行模 拟。 关于气源问题，我们经过计算，在最大航速下测试时，如要完全满足排气量 和排气压力的要求，需要使用四个1 2 0 l ，1 5 0 k g 压力的高压空气瓶。这在试验中 是不太现实的。为此，我们先后选择了离心风机、吹尘器等设备作为气源。试验 证明，离心风机特性太软，外部稍有阻力时就无法达到流量要求。吹尘器可以基 本满足流量和压力的要求。最后选用吹尘器作为本试验的气源。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 水下排气系统模型试验的组成部分 水下排气系统模型试验的组成如图3 2 所示 ( 1 、船模；2 、气源；3 、排气管；4 、压力测试管；5 、毕托管) 图3 2 水下排气系统模型试验的组成 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 4 水下排气参数的测试方法 本试验的船模是在拖车的牵引下进行的，其中航速由拖车控制，阻力可由阻 力仪直接读出数据，这些都是常规手段。 对于本试验，比较重要的两点就是要正确测试其流量和艇底负压。 关于流量测试，最初我们考虑用流量计，后经试验证明，在上述模拟的流量 和压力下，流量计的灵敏度不够，无法满足使用要求。为此我们改用毕托管测试 压差的方法来间接测试流量，其换算公式如下： 由毕托管测的总压力为：只= 只+ 妄成u 2 1 j a p = 只一只= 去p 。u2 ( 1 ) u 型管中水的压差为：a _ p = p 。g h( 2 ) 排气管中流量：q = 1 4 厅d 2 u ( 3 ) 由以即m 式可得： = 而p a ，( 筹) 2 其中：d 一排气管内径 v 一排气管内气体流速； q 一排气管内气体流量： p 。一气体密度 p 。一水的密度 本艇在各个航速下，排气流量与u 形管内测试的高度的对应关系如表3 - 2 所 华中科技大学硕士学位论文 表3 - 2 j 船模的速度( “s ) 2 6 5 33 3 6 44 0 2 35 0 8 l6 6 0 i 模拟的流量( l s ) 3 0 54 4 85 8 87 8 41 4 2 3 lu 型管内液面的高度差( m m ) 0 71 52 64 61 5 关于艇底负压测试，最初考虑采用压力传感器，但由于船模在停止状态时测 试点处在水中，航行时才脱离水面，所以测试结果会受到水的影响而不可信。查 阅国外资料也表明，在这种情况下使用压力传感器，会受到安装、绝缘、气泡、 液体、温度等的影响。后来我们采用u 形管理论，通过水面的高度差来度量各测 点的压力。即用有航速时的水柱高减去无航速时水柱高所得的差值a h 作为压力 测量的结果。 详细情况可见参考文献f 2 3 副i 。 ： 一一 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 5 选取水下排气点需要注意的问题 水下排气点的选取，需要解决以下三个关键问题：阻力增加问题、排气对螺 旋桨的影响问题、排气背压问题。其中任何一个问题没有有效解决，都不能在实 船上成功采用水下排气。 3 5 1 避免艇的阻力增加过多 一般高速艇的设计，预留的功率储备大约为5 8 。如果因为采用水下排 气而使得艇的阻力增加过大，导致的直接后果就是使艇达不到最大航速，或者即 使在新船时能够勉强达到，在使用一段时间之后也无法达到。因此，采用水下排 气一定要避免艇的阻力增加过多。 3 5 2 防止排气对螺旋桨产生影响 据我们查阅的资料，国外采用水t i i e 气的船只，主要使用在以下两种情况： 第一、若为滑行艇，则多是双机双桨，采用艇底水下排气，如图3 - 3 所示；第二、 多机多桨的船上采用水下排气的多为排水型艇，它们采用得比较多的是舷侧水下 排气，如图3 4 所示。这两种情况下都比较容易避免排气对螺旋桨产生影响。 图3 - 3 滑行艇艇底水下排气型式( 双机双桨) 一一 1 9 华中科技大学硕士学位论文 尹二二薷蓬= 二。一。二 潴& 弓 甏子三杀- j 一 、j ? 二= ：一兰：澎多- 、 图3 4 排水型艇舷侧水下排气型式 我们所设计的船为滑行艇，四机四桨，舱室设备很多，机舱布置极为紧凑 艇底能够选择的排气位置极为有限，参见图3 - 5 。 以 一一一一 图3 - 5 机舱布置图 一 2 0 华中科技大学硕士学位论文 而且，当艇滑起来以后，主机所处位置的舷侧基本上脱离水面，无法采用舷 侧水下排气方式。为此，我们在保证排气孔不会露出水面的情况下，尽量向船边 布置，并详细计算了排气管与艇底各个方向的夹角，以确保排气不会被螺旋桨吸 入。后经自航模试验验证，我们的努力是有效的，在各个航速下，排气都不会对 螺旋桨产生影响。 3 5 3 使水下排气出口处产生足够的负压区 我们在前后机舱各选择了两个水下排气孔，左右舷呈对称布置。为了使测试 的结果更准确，我们在每个排气孔处布置了四个测压点，如图3 - 6 所示，其中， 第一点和第五点为船艏方向，第二点和第六点为舷侧方向。 6 后机舱 2 前机舱 图3 - 6 排气出口处压力测试点分布情况 测试结果表明，在不采取任何措施的情况下，我们现在选择的水下排气出口 处的负压无法满足主机排气的要求，为此，我们考虑通过加装导流板的方法使艇 底产生负压区。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 3 6 导流板形状的确定 经过理论计算，我们设计了多种不同结构形式及尺寸的导流板，通过试验后 终于找到了比较理想的解决方案。其中具有代表性的形状如图3 7 图3 1 1 所示。 ，、 ，* 、 j、? ， ， j ， 飞：应z 乃9 一 ， ? f 一、；? 、 ， _ 、， 飞：么z z 2 一 = 丁、 = 丁、 一一二一一。一一二一一一一一一一二 、 小 ， z ， _ _ 二1，7一1 - _ l 上一7l l 7 前机舱后机舱 图3 7 方案一导流板形状 j ? 。、* 、 ，、， 弋茭兹勿矿 图3 - 8 方案二导流板形状 一 2 2 ，爹 ，一一、 华中科技大学硕士学位论文 j 。，? 、乒：7 j ，r 、毒：? ?j ，j? 产? ，j ，jj ? ? ， ：彦眵一一秒 前机舱 广、 弋、j一、 f ? 一f 。弋一 后机舱 图3 - 9 方案三导流板形状 图3 1 0 方案四导流板形状 _ 一 2 3 一 叁 一。， 华中科技大学硕士学位论文 一、7一、 ， ，凡、 ，7 ，7 ， i 忑：经兹乃2 7 一弋孓：经乙互。一 ， 前机舱后机舱 图3 - 1 1 方案五导流板形状 一 2 4 华中科技大学硕士学位论文 3 7 采用各种导流板形状时艇底负压的比较 图3 1 2 图3 1 6 为采用各种导流板形状时艇底负压的比较曲线。 ；一! 。孓呈? v5 l 。，7 、一，j ，7 “、 图3 1 2 方案一不同航速时艇底负压 _ 一 2 5 华中科技大学硕士学位论文 ，。f 目一j0 刊 v 1 三： 圳 哥 d 一50 b 一 书。 矿 盘! 畏 d 一50 掣 口一 茜。 矿言 羹三 v3 一十# 一一 捧气时 v5 1 2 叫 4 5 6 7 3 井气i 沙 * - # h s 。 爿 三： 一言 t3 、 v4 一 # h # 、 、l ，7 飞 图3 1 3方案二不同航速时艇底负压 # 、h # h l 一 2 6 ；6 - - 】 汕 ， 一 卜 华中科技大学硕士学位论文 v l v5 0 岳 目一5 0 掣 一 丑。 ，言 肇三 点 i ，z i ； ? 芦飞三? 6 图3 1 4 方案三不同航速时艇底负压 # h 。一一一 * 气* l 一 2 7 华中科技大学硕士学位论文 v 1 v2 ：一 掣 呈： 一言 靶三 。 v3 言一 划 三： ，言 蠹! 捧气时 。f v 5 ，。! ，、 r 出一50 n 一 蔼。 一言 生5 盏一 划 三： r7 鞋! v4 一 # h - 一一 摊气时 叠巧笋套s 一 9 主“ 喜一i ；1 棼3 ； 图3 1 5 方案四不同航速时艇底负压 一t # h - * 目 一 2 8 华中科技大学硕士学位论文 v3 50 0 r d 。50 喇 莉。 r 彳 生! 代j 1 k ! ：，6 7 3 # _ 一 # 目 一一# h 口 s o 截 三： r 言 生三 0 t s0 坍 鬟 n 一 丑。 ，芎 童! v2 图3 1 6 方案五不同航速时艇底负压 点 _ 一 2 9 、 一 ， ” 华中科技大学硕士学位论文 3 8 在各种状态下模型阻力的比较 图3 - 1 7 图3 2 3 为采用各种导流板在排气及不排气状态下的阻力比较曲线 图3 1 7 方案一有导流板不排气时比无导流板增阻百分比 方案二 方案三 方案四 图3 1 8 排气时各方案相对于方案一阻力增加百分比 ： 0 1 屯 华中科技大学硕士学位论文 ( ) 4 方案二 一一一方案三 方案四 方案五 图3 1 9 不排气时各方案相对于方案一阻力增加百分比 方案一 方案五 图3 2 0 有导流板排气时比无导流板阻力增加百分比 一 3 1 0 以 华中科技大学硕士学位论文 乃芗q 7 r r 二”删 图3 - 2 2 有导流板不排气时各方案相对于无导流板阻力增加百分比 华中科技大学硕士学位论文 ( ) 方案一 、 方案二 方案三 方案四 方案五 图3 2 3 有导流板排气时各方案相对于无导流板阻力增加百分比 华中科技大学硕士学位论文 3 9 试验难点及结果分析 本试验的难点是在排气出口处制造负压，同时还不能使艇的阻力增加过多。 在试验准备阶段，我们在艇底共选择了九个排气孔位置，试验了多种不同形 状和不同高度的导流板。试验证明：由于前后机舱排气孔距船中的距离不一样， 所以不能在前后机舱排气孔处采用同样形状的导流板，而且，不是导流板的高度 越高越有利于产生负压【2 5 1 ，经过分析后我们选择了上述五种组合的导流板。 最初的气源为离心风机，其流量为8 5 0 m 3 h ( 见图3 - 2 4 ) ，在试验中发现测试 的压力异常，表现为：点3 与点5 压力高，由于这两点水柱上窜影晌其它测点测 试，即无稳定值。另外，高速时管内气体流量q 几乎为零。 图3 2 4 最初模拟排气流量的气源( 离心风机) 我们经分析认为：用风机模拟排气流量的方法有问题，由于风机特性划2 6 。2 7 j ， 遇到阻挡时压力骤降，流量q 达不到要求值，尤其是排气管垂直状态时。于是， 我们改用吹尘器作为气源( 见图3 - 2 5 ) ，通过控制其电压使排气流量q 达到要求值， 试验证明效果较为理想。 为了使排气更为顺畅，我们对排气管的走向进行了调整。将排气管向后倾斜 6 0 0 ，并垂直于艇底( 即横向向外倾斜一个斜升角的角度，参见图3 - 2 5 ) ，以探索降 _ 一 3 4 华中科技大学硕士学位论文 低测点3 压力的可能性( 原排气管出口与基线垂直) 。而且，据文献报道【2 8 。，当 水下排气的入射角小于7 5o 时，还有助于降低水下的排气噪声。 图3 2 4 修改后的气源( 吹尘器) 图3 2 5 调整后的排气管出口方向 其测压结果如图3 - 1 2 图3 1 6 所示，从图中我们可以看出，距离舷侧的排气 孔，如果不将导流板围至其后部( 参见图3 - 8 ) ，此处会受到舷侧水流的影响，得 之产生正压，为此，我们其它方案的导流板都延伸至排气孑l 后部，试验证明效果 比较明显。具体分析如下： 蕈 似兵日 誓岱 、 一一 一 华中科技大学硕士学位论文 3 9 1 艇底排气出口处的负压区 首先，必须指出，由于各导流板方案形状及尺度不同，有些形状的实际测压 孔，如测点1 和5 并非在排气孔边缘上( 见图3 - 2 7 ) 。因此，测点1 和5 出现正压 力峰并不说明此处的压力真的也高。 图3 2 7 导流板上实际测压孔布置位置 由各方案在v l v 5 排气与不排气状态各测点的压力测试结果( 见图3 1 2 图 3 - 1 6 ) 可知： 前机舱排气孔在不排气时的试验方案一与试验方案五测压h 结果较相近。 几个方案除测点l 除外，总的来说，均能生成负压区，其中，方案四尤佳，这与 其迎流面为凹形有关。 后排气孔不排气时，除测点5 外，各个方案导流板均能生成负压。但是，导 流板方案五在高速( v 4 与v s ) 时，在外侧的测点6 处出现较大的正压力峰。我们 认为，这是因导流板方案五的外侧围壁被切除，测点6 位于艇底，受外侧压力影 响所致。 但是，对于前后排气孔，排气后与排气前相比较，压力变化都很大。尤其是 导流板方案一和方案五，常常不排气时是负压，甚至是负压的“谷点”，排气后 却变成正压峰点。图中曲线不完整的，往往也是由于压力峰值很大，测不到所致。 对于前机舱排气孔，从各种导流板方案的测试结果比较后，我们可以看出， 各速度下曲线最完整、压力梯度小( 压力变化不大，说明压力相对稳定) 的是导流 板方案四。 3 6 华中科技大学硕士学位论文 对于后机舱排气孑l ，在方案二方案四时曲线相对前排气孔完整，压力梯度 也不像导流板方案一和方案五那样变化剧烈，但在这三种状态下的导流板形状不 太适合使用在靠近舷侧的状态( 参见图3 8 图3 1 0 ) 。但是，如果排气对螺旋桨产 生影响，后排气孔就必须向外侧移动这是唯一的良策。在这种情况下，后端 没有凸缘的导流板方案就不可取了。 3 9 2 采用各种导流板后艇的阻力增加情况 从图3 1 7 图3 2 3 中，我们可以看出： 不排气与排气状态各方案相对方案一的阻力比优曲线( 见图3 1 8 、图3 - 1 9 ) 可 知：就艇的阻力增加而言，增加最少的为方案是方案五，其次为方案一，其余依 次为方案三、方案二、方案四( 排气时) 和方案二、方案三、方案四( 不排气时) 。 采用导流板方案四阻力增加最多，这与其迎流为凹形有关。凹形相当增加楔形高 度，对排气出口处产生负压有利，但楔形高度增加，艇阻力随之也大。但不是楔 形板高度越大越有利于产生负压，这一点我们在试验初期已有验证。 各方案本身排气比不排气时均有不同程度降阻( 见图3 - 2 1 ) ，降幅范围约为 1 o 3 5 ，其中，在v 2 v 5 时导流板方案一和方案五较佳。 在有水下排气装置( 艇底有导流板) 而不排气时，从上述曲线可以看出( 见图 3 2 2 、：此时艇的阻力有些增加，幅度最大约+ 2 8 。其中方案四增阻最大，方案 五增阻最小，甚至大部分速度( v 1 和v 4 及v 5 ) 仍降阻。如果考虑试验时水温的 影响，艇的阻力的增加得会多一些。( 无排气孔和无导流板的试验水温为1 3 5 0 c ， 有排气孔和有导流板时试验水温约2 1 3o c 2 1 6 。c ) 在排气状态下，各个方案相对没有导流板时( 见图3 - 2 3 ) ，除方案四在v 4 和 v 5 外，其它航速下艇的阻力基本上是减少的，其幅度在+ 1 o 4 7 之间。换 言之，本艇上主机采用水下排气方式基本上不会增加艇的阻力。总的来讲，它会 降阻。其中，方案一与方案五较佳。 一一 3 7 华中科技大学硕士学位论文 负压区的产生和艇的阻力的增加，它们两者之间是矛盾的，我们不能单纯从 阻力或负压考虑。艇的阻