標(biāo)準(zhǔn)化船隊(duì)淺水槽運(yùn)原理簡述及模型試驗(yàn)研究

(西安電子科技大學(xué)， 西安 710071)

水路運(yùn)輸具有較其它運(yùn)輸方式更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，內(nèi)河航運(yùn)受河流分布狀況及航道的限制，使得這一具有天然優(yōu)勢的運(yùn)輸方式在祖國版圖上分布不均。設(shè)想像建高速公路那樣，建設(shè)專用淺水槽，在淺水槽中航行標(biāo)準(zhǔn)化船隊(duì)，并用計(jì)算機(jī)調(diào)控船隊(duì)進(jìn)出“港口”。一條寬20 m的雙向槽運(yùn)通道的運(yùn)輸量可以與目前的長江運(yùn)輸量媲美。實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的先期工作是研究開發(fā)適用于干旱地區(qū)、用水量小、節(jié)能效果顯著的淺水模式槽運(yùn)[1]。

1 基本原理

1.1 船、水槽、水的關(guān)系

船、水槽、水的關(guān)系見圖1。航行中的船高度上升了；船側(cè)和船底多出了水域B。

圖1 船、水槽、水的相互關(guān)系示意

1.2 特殊船艏

設(shè)計(jì)特殊船艏，稱之為“犁形船艏”，見圖2。以一定速度v前行的船隊(duì)其犁形船艏提升船前水流灌入船側(cè)與水槽壁面之間的縫隙，使槽中的船隊(duì)左右兩側(cè)水位得以提高，水漲船高，整個(gè)船體因而得以抬高，見圖3。

圖2 特殊船艏示意

圖3 船艏、船側(cè)與水槽壁面之間縫隙流動(dòng)分析示意

1.3 水流的動(dòng)平衡

船隊(duì)航行中，具有良好流線型的犁形船艏消除了像普通船艏處那樣本應(yīng)存在的壅水，并使船隊(duì)由前向后的水線延續(xù)提高，即整個(gè)船隊(duì)的水線與初始靜止?fàn)顟B(tài)船隊(duì)的水線相比為一條中部高、上下游低的曲線。船隊(duì)艏部的水線低，表明艏部壓力降低，因而減小了整個(gè)船隊(duì)的壓差阻力。船隊(duì)艉部的水線低是由于船側(cè)與水槽壁面之間的縫隙中的水在艉部泄漏損耗所致。如果能進(jìn)一步抬高船隊(duì)艉部的水線，則將進(jìn)一步減少整個(gè)船隊(duì)的壓差阻力。

降低船艉縫隙泄漏的關(guān)鍵因素是縫隙寬度與速度的配合。一般來說，速度一定時(shí)，縫隙寬度大則泄漏大，因而船艉側(cè)壁縫隙處水位低，反之亦然。理論上，流速(船速)一定時(shí)，可找到一個(gè)無泄漏縫隙寬度，但工程應(yīng)用中實(shí)際縫隙寬度可能稍大于無泄漏縫隙寬度。若船側(cè)與水槽壁面之間的縫隙寬度和船隊(duì)航速滿足一定的匹配條件，則上述泄漏損耗將趨于某一最小定值，這種相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)平衡狀態(tài)有利于船身抬高且船舶阻力進(jìn)一步減少。

需要指明，縫隙摩擦損耗和船艉縫隙的泄漏損耗越少，為保持高水位動(dòng)平衡，需要從犁形船頭處補(bǔ)充的水越少，船體被抬出水面就越高，行船能耗越少。同時(shí)，如果在船體左右兩側(cè)壁面采用微氣泡減阻等減阻措施，則有助于船體的抬升和船隊(duì)阻力的下降。

總之，在淺水槽中流動(dòng)的水流是被限制在有限的水槽空間內(nèi)，并被船體形態(tài)及船速所控制的特殊形態(tài)水流(而在水流自由流動(dòng)的廣闊的水面是無法形成和保持這種特殊形態(tài)水流的)。特別強(qiáng)調(diào)，要保持這種特殊形態(tài)水流的穩(wěn)定動(dòng)平衡，必須先要保持水槽寬度、船形船寬、速度三者不變，缺一不可。比如，若船速下降則船頭補(bǔ)水減少，縫隙高水位下降，船將下沉觸底。

1.4 船舶迎阻力減小問題

淺水槽運(yùn)船體的正面投影是長方形，所以迎流面積可用船體入水的兩部分直接表示。

1) 在動(dòng)平衡時(shí)，航行中船身的大部分抬出水面，在船頭，船前迎面的是低水位，此入水深度遠(yuǎn)小于普通船的吃水線。

2) 船隊(duì)艏艉水線的落差所形成的入水深度也由于采取降低縫隙摩擦損耗和船艉縫隙泄漏損耗措施得以明顯減小。因此淺水槽運(yùn)模式不但省水而且節(jié)能效果好。

1.5 淺水槽運(yùn)模式的節(jié)能潛力

淺水槽運(yùn)模式有三個(gè)特點(diǎn)可為節(jié)能提供方便：①除船艏外，船體是矩形六面體平底船，即使組成船隊(duì)，使用密閉彈性通道聯(lián)接技術(shù)后，船隊(duì)仍然可保持矩形六面體的單船形態(tài)；②水槽用水量少，而且自循環(huán)利用；③初始情況下，水槽中水靜止，沒有風(fēng)浪，同時(shí)在船體與槽壁之間采取特殊處理，船的搖擺將受到限制。

微氣泡可在近壁面處形成一薄層氣膜，能夠有效地減小固體壁面與其它介質(zhì)之間的摩擦阻力[2-5]。首先在平底兩側(cè)加裝硬質(zhì)裙邊，氣體在浮力的作用下，使整船船底變成自封閉氣墊艙，因船速以及船舶姿態(tài)穩(wěn)定，被封閉氣體的泄漏不大，只要在行船中適當(dāng)補(bǔ)充就行，補(bǔ)充能耗不大，但氣墊減阻效果顯著。利用微氣泡減阻的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，平板表面的減阻效果最佳，而槽運(yùn)船兩側(cè)都是大平板，在整個(gè)船隊(duì)左右兩側(cè)壁面上生成微氣泡，其減阻效果不容置疑。此外，大平板也為涂覆其它減阻材料帶來方便。水氣混合也是一類減阻方法，由于水槽用水量少且自循環(huán)利用，因此使用特殊高分子水氣混合減阻熔液的成本會(huì)下降。

2 淺水模式槽運(yùn)原理驗(yàn)證性模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)場地及實(shí)驗(yàn)設(shè)施

1)場地。武漢理工大學(xué)流體力學(xué)研究所循環(huán)水槽，實(shí)驗(yàn)段尺寸：長6 m、寬2 m、水深0.9 m、水流速0～1.8 m/s，可調(diào)。

2)船模。木制犁形船頭、犁形船艉及長方形鐵皮船體(高0.11 m、寬0.14 m、長0.8 m，共三節(jié))，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼壓艙，使吃水為0.09 m；

3)模型水槽。用1 m×2 m 鐵皮做成槽寬0.18 m、槽邊高0.16 m、長4 m的直角水槽,水槽入水深度可調(diào)，也可調(diào)成斜坡水槽。

4)船模牽引動(dòng)力。利用循環(huán)水槽上方的天車電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，經(jīng)加速絞盤牽引船模，用改變加速絞盤的大小直徑比來調(diào)速(不能無級(jí)變速)。

5)便攜式攝像機(jī)。從不同角度記錄試驗(yàn)影像，方便事后分析。

實(shí)驗(yàn)裝置與模型示意于圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)安裝示意

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

方案一。水槽、船模不動(dòng)，讓水流變速。但由于船與槽之間沒有相對(duì)移動(dòng)，縫隙的水流不能跟隨明渠流，實(shí)驗(yàn)失敗。

方案二。水池靜水，水槽不動(dòng)，水槽入水深度(即水槽中水位)可調(diào)，船在水槽中被天車牽引，牽引速度在1～2 m/s，船在4 m水槽中只能牽引2～3 s，因此船模僅組合了犁形船頭、船艉及一節(jié)0.8 m鐵皮船體，總長1.5 m。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1) 縫隙寬度與速度的配合。初始鐵皮船模側(cè)壁與水槽壁面之間的縫隙寬度兩邊各2 cm。采用在船模側(cè)壁加貼多層1 mm厚的防水油氈調(diào)節(jié)縫隙寬度；采用逐步減小加速絞盤中的小盤直徑來提速。試驗(yàn)時(shí)水槽水深調(diào)至0.12 m(0.16 m高的槽沿露出水面0.04 m,吃水0.09 m的船沿露出水面0.02 m，靜止時(shí)從側(cè)面看，槽沿?fù)踝∫曇翱床灰姶瑒?dòng)起來后，船體上升，從側(cè)面才可看見船)。

2) 犁形船艉形狀對(duì)尾部縫隙泄漏的影響。改變犁形船艉形狀的兩種方案，以改變船艉流動(dòng)。

3) 試驗(yàn)由深水區(qū)向淺水區(qū)過渡。把水槽起始端和末端水深調(diào)至0.16 m和0.02 m，使水槽末端的一段水域?yàn)闇\水區(qū)，其水深比吃水0.09 m小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，船側(cè)與水槽壁面之間縫隙寬度較大時(shí)，縫隙泄漏流量大，此時(shí)僅有船頭抬升；當(dāng)船速(牽引速度)一定、縫隙寬度逐步減小時(shí)，也見船艉抬高；當(dāng)縫隙寬度減小到某一定值之后，整船抬升；當(dāng)牽引速度接近1.8 m/s、縫隙寬度為0.016 m時(shí)，船頭和船艉整體抬升。

當(dāng)縫隙寬度和船舶牽引速度匹配時(shí)，船隊(duì)整體能抬升，主要是因?yàn)榇瑐?cè)與水槽壁面之間縫隙流量達(dá)最大值，正是這一最大值使得船舶兩側(cè)水位提高，水漲船高，船隊(duì)得以抬升。

2) 反復(fù)多次重復(fù)的模型實(shí)驗(yàn)顯示，船模瞬間起動(dòng)牽引力巨大，一旦達(dá)到船身抬起的牽引速度并穩(wěn)定后，牽引力大幅降低。若船在深水區(qū)起動(dòng)，再轉(zhuǎn)入淺水區(qū)正常運(yùn)行，當(dāng)船突然被牽引，沉埋在吃水線以下的犁形船頭立即向前推水，瞬間形成淹沒船頭的巨大涌浪(孤立波)，犁形船頭一面承受涌浪的作用力，另一面引導(dǎo)涌浪灌入縫隙和船底，使船體逐漸上升并沖出涌浪。只要在“港口”(裝卸貨站、臨時(shí)停泊點(diǎn))增添額外起動(dòng)動(dòng)裝置便可達(dá)到要求。

3) 航行穩(wěn)定后，船艏前方涌浪很快消失，大大減小船隊(duì)阻力。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察顯示，船頭的巨大起動(dòng)涌浪會(huì)形成向前傳播的波，實(shí)驗(yàn)觀察顯示，當(dāng)航行穩(wěn)定，船隊(duì)抬升，船艏前方涌浪立即消失。這與船舶航行穩(wěn)定后阻力大幅減小不無關(guān)系，可能與船隊(duì)前方孤立波的力學(xué)問題有關(guān)，對(duì)這一現(xiàn)象的合理解釋需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)在合適的縫隙寬度下，達(dá)到所匹配的航行速度時(shí)，船隊(duì)整體抬升，船的吃水大幅減小，船舶阻力也大幅減小。

2)航行穩(wěn)定，船隊(duì)抬升后，船艏前方涌浪很快消失，船舶阻力大大減小。

3)船艉形狀的改變對(duì)船艉抬升有改善，但影響程度不及縫隙寬度的變化。

4)船模能順利完成由深水區(qū)向淺水區(qū)過渡，也順利穿越淺水區(qū)，但停止?fàn)恳Ａ⒓磾R淺。

致謝:本文有關(guān)模型試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)流體力學(xué)研究所王家楣教授、鄭曉偉工程師的大力支持下完成，對(duì)于一個(gè)暫無經(jīng)費(fèi)資助的研究者來說實(shí)屬幸運(yùn)，在此表示感謝！

[1] 楊金玉.節(jié)能又提速還能“陸地行舟”的內(nèi)河航運(yùn)新模式[J].中國水運(yùn)，2010(10)：7-9.

[2] 董文才，郭日修.平板氣幕減阻試驗(yàn)研究[J].中國造船,1998(增刊):100-106.

[3] 王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等.船舶吃水對(duì)微氣泡減阻影響的水池試驗(yàn)研究[J].船舶工程2004，26(6)：9-12.

[4] 王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等.船舶微氣泡減阻不同噴氣形式水池試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32(12)：79-82.

[5] 董文才，郭日修.氣幕減阻研究進(jìn)展[J].船舶力學(xué). 1998,2(5):25-29.