GB-T 47707-2026《气层减阻分布式阻力测量模型试验方法》

1气层减阻分布式阻力测量模型试验方法本文件规定了船舶(平板)模型底部气层减阻分布式阻力测量的试验设备与仪器、试验模型、传感器及测试观测设备安装要求、试验前测量要求、试验程序、试验数据处理与表达、气层状态识别方法及试验报告。本文件适用于在高流速的循环水槽试验设施中全附体船舶模型或三维平板模型气层减阻局部阻力分布式和气层内壁面脉动压力测量、气层形态观测试验。拖曳水池中开展的相关试验参照使用。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。气层airlayer通过流体动力装置及外界注入高压气体，在船体底部表面与外部水流之间形成的、具有一定厚度且相对连续的气体覆盖层。脉动压力pressurefluctuation在流体动力作用下，在船底或平板固壁表面形成的非定常压力。表1给出的符号适用于本文件。bmC一Lmm1/3Oct.中心频率处的脉动压力频带级1/3Oct.中心频率点处频率从模型头部到某局部阻力测量单元板中心位置处距离x一2不喷气时被测单元板下表面阻力N喷气时被测单元板下表面阻力NK1/3Oct中心频率fm的个数一n一大气压力QStm℃℃vPθ一一0多个被测单元板平均减阻率一0一5试验设备与仪器5.1可变压变速循环水槽开展模型尺度10m以上气层分布阻力测量试验的循环水槽，应符合以下要求：a)试验段长度10m以上；b)宽度与高度1m以上；c)最大水速控制超过10m/s;d)最大压力调节超过300kPa。5.2测试仪器仪表5.2.1分布式局部阻力测量传感器供分布式局部阻力测量的传感器(天平)布置及量程选择如下：37m/s,肥大型油、散货船正常航行速度),选择合适尺寸的局部阻力测量单元测力板(如300mm×300mm×10mm铝板),估算局部单元测力板下表面可能测量的阻力大小范围。各单元测力板下表面阻力大小由摩擦阻力系数、最大试验流速及下表面湿表面(与流体接触相互作用面)面积决定。各单元测力板摩擦阻力系数依据试验雷诺数(按喷气喷口到每个局部单元测力板中心距离作为雷诺数计算的特征长度，并结合试验时水温tw,气温t₈,试验用水密度p查相关参数计算),按海桑公式估算，按公式(1)计算： (1)并利用被测单元板下表面面积S及最大试验流速v,估算其所测量的最大阻力，按公式(2)计算： (2)根据估算的最大阻力，传感器测力量程取最大阻力2倍～3倍即可，且精度不大于0.2%。5.2.2气层状态观测摄像设备5.2.2.1用于气层状态观测用的摄像设备(常规CCD)在连续灯光下正常工作，像素优于1024×1024,记录画面不小于25帧/s。摄频率不小于2000帧/s,最低图像质量不小于30万像素。5.2.3压电式微型脉动压力传感器a)外形直径不大于10mm;b)感压膜片最大直径不大于6mm;c)测量频响范围大于20kHz;d)分辨率可达Pa级(压电型传感器),静压过载能力大于200kPa。5.2.4直流放大器用于阻力测量中直流信号放大的直流放大器，其最大放大倍数不小于1000倍，精度不大于0.1%,且有多挡位选择。同时直流放大器应提供最大外部激励电源，具有多挡位选择和低通滤波功能。5.2.5电荷放大器a)增益不小于10mv/pc;b)精度不大于0.1%;c)输出阻抗小于40Ω;d)最大频响不小于50kHz。5.2.6气体流量计Q=Sp×t×3600…4采用涡街式流量计，减小管路中潮湿气体对流量测量的影响。5.2.7动态信号采集卡5.2.8水速及环境压力测量仪器闭式循环水槽中供试验水速及负压测量用压力变送器最大量程应不大于150kPa,且精度不大于0.5%;供试验正压测量用压力变送器最大量程不大于600kPa,且精度不大于0.55.2.9气压计5.2.10温度计气温计测量范围应达到-20℃~50℃,精度不大于0.1℃。水温计测量范围应达到10℃~50℃,精度不大于0.1℃。5.2.11空气压缩机压缩机及其与之配套的气体储存罐在安全储存气体后，其气体流量能维持试验过程中最大喷气流量30s以上。5.2.12其他测试仪器气层减阻试验中若增加其他的测试设备如空隙率仪、电导率仪以及进行其他状态如横摇、纵倾下的试验，可在本试验方法基础上，根据各自传感器安装、测试方法以及模型装配方法进行拓展。6试验模型6.1船舶/平板模型6.1.1船舶模型船舶模型(包括船体和附体)应与实尺度方案几何相似，外形光顺，表面光洁，并应具有产品合格证书。船体模型加工设计水线以下部分，全附体船舶模型总长误差在±0.1%Lpp以内且最大不超过10mm,横截面各剖面线型误差在±0.5mm以内，各附体加工精度与船模相同。试验中如采用船体模型，通过吊杆将模型紧贴试验段顶部或模型安装架之上，水槽中典型安装示例见附录A中图A.1。6.1.2三维平板模型船底气穴所在典型区域局部缩比试验的三维平板模型应与实尺度局部平板(气穴区域)几何相似，外形光顺，表面光洁。三维平板模型设计为一定厚度(如150mm,厚度过低，其刚度小变形大，不利于模型安装及试验测量)的箱体结构，并在其头部设置半椭圆结构导流段，在其尾部设置三角楔形顺流段。三维平板模型总长误差在±0.1%L以内，横截面各剖面线型误差在±0.5mm以内，平板表面不平整度在±1mm以内。对于5m以上的大型平板模型，其内部应布置纵横钢骨架，并采用多把翼型剑5杆悬挂三维平板模型，保证模型刚度，模型纵向变形量小于2mm,水槽中典型安装示例见图A.2。6.2气穴模型气穴模型包括艏部气层生成装置(楔形块或其他形状)、喷孔模块、挡板模块、艉部气体驻留模块、稳压腔、气体管路等。整个船舶底部或三维平板模型所在的气穴区域无气体逃逸的孔、缝等(局部阻力测量单元板周边细缝除外，且气体上浮等需特殊处理，不可逃逸致模型外)。气层生成装置与艉部驻气模块贯穿于模型横向位置，防气层逃逸有机玻璃挡板布置于模型两侧，且挡板艏艉与气体生成装置楔形块及驻气模块光顺连接。挡板在模型纵向不同位置上标示刻度线。6.3气体稳压腔及管路模型7传感器及测试观测设备安装要求7.1局部阻力测量传感器安装要求局部阻力测量传感器阻力方向与模型中心线平衡，沿模型纵向平行线位置在气穴内一字并列设置多只，阻力传感器一端与单元测力板相连，另一端与模型内部固定基座相连，且单元测力板与平板模型的间隙约为1mm,测力板及阻力传感器上方设置密封腔及隔板，确保气体从间隙中进入后而不外泄，进入的气体聚积平衡后趋于稳定。水槽中典型安装示例见图A.3和图A.4。7.2脉动压力传感器安装要求7.3气层状态观测摄像设备安装要求7.3.2在试验段外透明窗处，可根据视角合理设置高速摄像机、照明光源，并最大限度减少透明窗反光对所拍摄的照片或影像视频资料的影响，利用模型两侧透明挡板上的刻度标记线，对形成气层中某些关心区域进行动态特征的拍摄与气层识别。8试验前测量要求8.1试验设备及仪表要求试验前试验设备及仪表应符合以下要求：a)试验用水清洁、透明，且相对空气含量小于0.85;b)船体/平板及气层生成装置模型标识唯一；c)试验用仪器仪表均在计量有效期内；d)测量前仪器仪表开机预热15min以上。8.2试验参数的确定试验参数确定应符合以下要求：a)试验压力：确保在喷气过程中，试验段环境压力小于脉动压力传感器最大量程或压力过载能力；b)试验水速：满足超临界雷诺数、指定的试验流速或船舶实际营运航行速度。9试验程序9.1模型装配试验模型装配具体要求如下：a)船体/平板模型吊装到试验工作段，使模型艏艉中心线与试验段中心线平行，即模型艏部/艉部中心线分别至试验工作段一侧壁面之间距离差异小于2mm,艏部/艉部中心线分别至试验段底部高度差异小于2mm;c)检查气穴区域及挡板与模型之间有无任何气体泄漏的孔洞、裂纹、间隙等；d)连接气源、气体流量计、管路及管系、稳压腔、喷孔等，注气检查，确保整个气体管路系统除喷孔外无漏气现象产生，且各个喷孔之间喷出的气体速度均匀、稳定，可用风速仪或注满水根据喷出气体运动状态检查。9.2测试系统综合联调a)试验前在一定流速下，向气穴中喷气，观测喷出的气体是否均匀、稳定，同时观测气体从气穴头部喷出后，确保在整个气穴内部区域无气体上浮泄漏现象产生；b)测试几个流速，并进行多个流量下气体的喷射，检查整个模型的安全与可靠性，同时测试在喷气过程中，水槽试验段环境压力增加值；9.3试验测量试验测量应按以下步骤进行。7不同流速压力脉动变化规律。c)重新从最低试验流速开始，在不喷气时，测量并保存局部阻力、脉动压力、视频影像资料。根据前期标定的气体流量，选择几个不同的气体流量，从最小气体流量开始喷气，当气体均匀喷出，流量读数稳定时，测量局部阻力、脉动压力并拍摄视频影像资料一起保存，逐步增加气体流量，直至形成气层，测量气穴区域分别在全湿、气泡、过渡区、局部气层、完全形成气层状下各个物理量，同时记录各个状态下试验段环境参数(水速，绝对压力)。根据形成气层时的气体流量进行多次测量，确认气层状态是否稳定可靠，并在形成气层后，逐步减小气体流量供应，测量维持气层时所需要的最小气体流量。d)改变流速，重复步骤c),完成整个试验测量，并保存相应的试验数据(含影像资料)。10试验数据处理与表达10.1局部阻力测量的数据处理与表达根据试验中测量获取的电压信号，基于各个位置处局部阻力传感器的校验系数及压力修正曲线，计算每个单元测力传感器在不同航速是否喷气时阻力，并计算相应的阻力系数，利用海桑公式计算各个阻力传感器在对应位置全湿状态下的阻力系数。比较全湿状态下，测量结果与计算结果一致性是否在合理范围之内，并以此确认喷气过程中其他测量数据的有效性。基于确认后的有效测量数据可表达成减阻率、等效名义气层厚度等。具体计算见公式(4)~公式(7): (4) θm)/n/Q×100%…t=Q/(v×b) (7)10.2脉动压力测量的数据处理与表达总级，即在不同工况下的脉动压力结果均以fm～SPL(fm)～SPL形式给出。其中SPL按公式(8)计算：最终脉动压力测试处理后的结果以附录B中表B.1的记录格式和相应的绘图形式给出。以绘图形式表达时，横坐标为频率，纵坐标为脉动压力1/3Oct.谱级，试验中同时给出脉动压力谱级曲线，作为气层的识别提供分析依据。10.3气层形态测量结果的数据处理与表达气层结果的表达主要以手绘图及局部视频影像资料相结合的形式，描绘不同状态下气层在平板底面的形态。首先绘制试验用模型投影轮廓图，包含模型头部、气穴平面区域及尾部，气穴所在的平板底部表面可采用单层斜线表示表面光滑的气层覆盖区，双层斜线表示鱼鳞状表面不光滑的气层覆盖区，以虚线表示防气体逃逸挡板，以曲线表示不同位置处气层厚度。同时，对于特定的气层状态，在平板不同位置处截取其影像(气层表面形态，气层厚度以及气水交界面波浪形状等),以辅助说明，与气层形态手绘图相互印证。811气层状态识别方法11.1总则11.2减阻率变化与气层识别方法船舶平底或超大平板局部单元测力板在全湿流条件下及不同喷气状态下测量的下表面阻力变化，根据公式(4)计算结果，减阻率的变化可确定是否形成气层。对于局部阻力测量气层识别方法，当减阻率小于20%时，为气泡(含微气泡)减阻阶段(bubbledragreduction,BDR);当减阻率在30%～60%区间时，为气泡与气层之间的过渡状态(Transition);当减阻率超过80%(含)时，为气层减阻状态11.3水气形态与气层识别方法水气形态与气层识别方法应符合以下要求：a)利用光学测量手段，在气泡减阻状态阶段，平板底面呈现不同致密程度的气泡影像；11.4气层内壁面脉动压力与气层识别方法气层识别方法还有空隙率仪，电导率仪等测量与识别手段，均可参考气层内壁面脉动压力测量与识别方法进行测量和分析。12试验报告试验报告应包含下列内容：a)试验序号及名称；b)检测仪表设备；c)任务来源；d)试验目的；e)检测依据；f)试件试验类型；g)试验安装和试验工况；h)试验结果及简要分析；i)试验测试结论。9(资料性)试验中模型安装及气泡/气层形态表达示例图单位为毫米标引序号说明：①——三维平板模型；②——艏部气层层生成模块；⑦——艉部驻气模块。图A.1船体模型安装示例图A.2三维平板模型安装示例图，见图A.2。单位为毫米标引序号说明：①——模型安装架；②——剑杆；④——纵向骨架；⑤——中舱。单位为毫米标引序号说明：①——压力传感器；②——测力天平；③——单元测力板。A.4局部阻力测量传感器安装示例图，见图A.4。单位为毫米标引序号说明：①——单元测力板；②-—测力天平；③——密封腔；图A.4局部阻力测量传感器安装示例图图A.5不同减阻率与气层状态关系图A.6气泡减阻(BDR)阶段形态图，见图A.6。a)艏部测力天平处气泡形态b)中部测力天平处气泡形态c)艉部测力天平处气泡形态图A.6气泡减阻(BDR)阶段形态图A.7过渡状态(Transition)阶段气水混和形态图，见图A.7。a)中部测力天平处气水混和形态b)艉部测力天平处气水混和形态图A.7过渡状态(Transition)阶段气水混和形态图a)艏部测力天平处气层形态b)中部测力天平处气层形态c)艉部测力天平处气层形态图A.8气层减阻(ALDR)阶段形态图A.9气层形成起始阶段示意图(低速状态离散块状气泡群),见图A.9。单位为毫米标引序号说明：①——艏部气层生成模块；②——艉部驻气模块。图A.9气层形成起始阶段示意图(低速状态离散块状气泡群)A.10气层形成过渡阶段示意图(低速状态离散块状气泡从尾部积聚),见图A.10。单位为毫米标引序号说明：①——艏部气层生成模块；②——艉部驻气模块。图A.10气层形成过渡阶段示意图(低速状态离散块状气泡从尾部积聚)A.11气层稳定阶段示意图，见图A.11。单位为毫米标引序号说明：①——艏部气层生成模块；②——艉部驻气模块；③——气层艏部区域；④——气层中部区域；⑤-—气层中部区域；⑥——气层艉部区域。图A.11气层稳定阶段示意图a)气层首部区域，对应图A.11中③区域b)气层中部区域，对应图A.11中④区域c)气层中部区域，对应图A.11中⑤区域d)气层尾部区域，对应图A.11中⑥区域A.13某垂直喷气层生成装置局部气层与大量气泡扩散状态示意图(v>3m/s高速状态),见图A.13。单位为毫米标引序号说明：①——艏部气层生成模块；②——艉部驻气模块。图A.13某垂直喷气层生成装置局部气层与大量气泡扩散