基于 PIV 的船首氣泡下掃現象試驗研究

張福民，張 勇，魏少鵬，郭春雨，趙慶新

(1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于 PIV 的船首氣泡下掃現象試驗研究

張福民1，張 勇1，魏少鵬2，郭春雨2，趙慶新2

(1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

以某載人潛水器支持母船為研究對象，通過氣泡發生器產生氣泡來模擬該船在正常航行時的氣泡條件，氣泡的位置通過 PIV 測量系統觀測與拍攝，從而捕捉到氣泡流的運動軌跡。通過對試驗結果的分析，較為有效的顯現了氣泡下掃以及氣泡流跡的現象，同時證明了船體鄰近水域內氣泡流跡并不是簡單的水平和垂向速度的合成。

氣泡發生器；PIV；下掃；氣泡流跡

0 引 言

船舶航行過程中，破碎波產生的白色泡沫，浪花水滴和氣泡云是海洋中存在的普遍現象[1]。當風速大于 10 m/s（5 級及 5 級以上風速）時，氣泡將加劇海氣相互作用，且在 1～20 kHz 頻帶內海洋噪聲的產生與海洋波浪破碎產生的氣泡直接相關[2]。當氣泡濃度過大時，會影響聲波在海洋中的傳播速度[3]，同時由于水的粘性，及球首自由液面壓力較低，會造成氣泡沒入水面，甚至隨流線下洗到船舶底部。這些現象不僅影響了船舶水下設備的工作性能，更縮減了器材的使用壽命。因此，研究水下氣泡流的運動軌跡對避免氣泡所產生的危害有著十分重要的意義。

關于靜水中單一氣泡運動特性研究，對較小的氣泡，Ishii 等[4]建立了兩群界面濃度運輸方程表征不同尺寸氣泡動力特性，較大氣泡運動特性。李仲春等[5]通過高速攝像機捕捉，數字圖像處理技術得到。關于氣泡群的研究，蔣炎坤等[6]通過改進的 RKF 法獲得水下氣泡群三維運動特性，得出相鄰氣泡碰撞聚集成大氣泡概率低的結論。潘華辰[7]通過對不同尺度氣泡群的試驗研究，得出了氣體流量對氣泡尺度的上升變化趨勢影響不大的結論。而在運動水域氣泡流軌跡研究上，2001 年 Waniewski 等[8]對船首破波氣泡流進行試驗測量，得出氣泡云擾動頻率與破波氣泡分布規律。Matias Perret 等[9]以尺度 6 m 科考船船模為選定模型，通過 Double-tip sapphire 光學探針技術對船模氣泡流進行觀測，得出了不同航速、水體鹽度工況下氣泡流運動軌跡及分布規律。數值模擬上，D.Rolland 等[10]進行了夾雜空氣的氣泡流模擬得到了氣泡流的軌跡并對比多種消泡裝置的消泡效果。

已有的研究工作多從單一氣泡、氣泡云運動特性和分布規律上考慮，而船體型線對氣泡運動特性影響的研究較少，也并未對單一氣泡流沿船體表面流動軌跡進行試驗研究。

本試驗中通過攝像定點捕捉和圖像處理技術，得出單一氣泡流運動軌跡及其運動規律。初步證明了船體鄰近流域內氣泡流的運動軌跡并不是氣泡水平和垂向速度的簡單合成。這對研究船體在復雜水域氣泡流運動規律有著一定的參考作用，對科考船流域氣泡軌跡的初步預測具有相當的實用價值。

1 試驗設備

1.1 試驗模型與試驗工況

圖 1 為某載人潛水器支持母船，選定該船型為氣泡測量模型。該船實船與模型具體參數見表 1，試驗工況見表 2。

圖 1 潛水器母船的模型Fig. 1 Submersible mother ship model

表 1 載人潛水器支持母船船體參數Tab. 1 Parameters of the manned submersible mother ship

表 2 載人潛水器支持母船試驗工況Tab. 2 Test conditions of manned submersible vessel

1.2 DANTEC 隨車式水下 PIV 測量系統

監測設備為粒子成像測速儀（PIV），如圖 2 所示。具體設備如下：

CCD 分辨率 2 048 × 2 048 pixels；

激光器最大脈沖能量 1 200 mJ；

激光光束持續時間 4 ns；

激光波長 532～1 064 nm；

片光厚度 0.6 mm；

測量區域大小 400 mm × 400 mm；

PIV 示蹤粒子見圖 2，聚酰胺示蹤粒子（PSP-50 μm）。

圖 2 粒子成像測速儀（PIV）與示蹤粒子Fig. 2 Particle image velocimetry and seeding particle

圖 3 氣泵Fig. 3 Air pump

圖 4 通氣孔Fig. 4 Air vents

1.3 氣泡生成裝置

在常壓水池條件下，試驗模型的尺度不產生或產生較少的氣泡，且水池水體中氣核分布狀況與實際有所不同，故而采用人工氣泡的方式來滿足船舶實際航行的氣泡條件。在試驗過程中試驗氣泡由氣泵（見圖 3）產生，經由通氣孔（見圖 4）進入水體通氣。通氣孔安裝位置為球鼻首頂端，以距基線以上每 40 mm 一個孔位埋裝，自液面向下分別對應氣水交界面產生的氣泡，破波氣泡，球首下降氣泡。拖曳試驗在哈爾濱工程大學拖曳水池進行。

2 試驗方法與結果分析

2.1 試驗方法

用通氣管將氣泵及船首部的通氣孔相連，通過調節氣泵閥門的大小來控制氣體的流量從而模擬出不同大小的氣泡。船體由拖曳系統帶動船模并給定航速航行，Vm = 1.68 m/s（縮尺比為 14，相當實船 12 kn），從而使得氣泡隨船體附近水域流線流動。向水池中播撒 PIV 示蹤粒子，通過隨動 PIV 雷體發射與船體行進方向垂直的激光片光照亮水中的粒子，通過攝像系統記錄照亮區域內水域情況，進而進行單幀照片分析，從一次航向中取若干照片組作為此位置母船的水下氣泡生成預報。通過多次不同位置測量確定氣泡生成，發展，瀉出的狀況及流動軌跡。本文選取 3 個觀測點進行測量，測量區域見示意圖 5，試驗監測系統如圖 6所示。

圖 5 測量區域Fig. 5 Measurement area

圖 6 監測系統Fig. 6 Monitoring system

2.2 試驗分析

試驗通過選取 3 點不同位置進行單幀照片分析，得出對應位置的氣泡位置，生成云圖。進而得出某一通氣孔的連續氣泡跡線。考慮到試驗結果的相似性，本文以球首下降氣泡進行單獨分析。分析結果如圖 7 所示。

在圖（a）中，氣泡區域相當于實船聲學測量裝置后方。氣泡區域到基線的距離為 15 cm，氣泡中心區域坐標為（45，15），在 3 個觀測面中氣泡所占區域最大。

在圖 7（b）中，氣泡區域相當于實船聲學測量裝置前方，氣泡區域到基線的距離為 18 cm，氣泡中心區域坐標為（28，18），在 3 個觀測面中氣泡所占區域適中。

在圖 7（c）中，氣泡區域相當于實船球鼻首區域，氣泡區域到基線的距離為 23 cm，氣泡中心區域坐標為（8，23），在 3 個觀測面中氣泡所占區域最小。

由 3 個觀測面氣泡流分布可知，當氣泡沿船體隨流線運動時，氣泡流逐漸向下運動并向四周發散，氣泡域逐步擴大。并且由于氣泡的脈動性不規律性，氣泡流并非單一氣泡構成的軌跡，而是以氣泡團的形式振蕩流動。

2.3 結果分析

最終，根據選定點氣泡流動軌跡信息得到氣泡流軌跡云圖 8。圖中船體分界線為自由液面，流線表示為氣泡流的軌跡線，可以明顯看出船舶航行時，由于氣泡本身的浮力，氣泡流先自球首上升，后可觀測到明顯的下洗現象，而不是靜水螺旋上升與水平航速的簡單合成。氣泡流在船舯時位于船舶舭部，這對實船型線優化前氣泡團流經船底有著明顯的改善，可見該船體型線在優化過后，能夠一定程度減緩氣泡流的下洗，減小了對船底聲吶等可靠設備的干擾。對于氣水交界面產生的氣泡，破波氣泡，該船型具有同樣降低氣泡干擾的效果。

圖 7 不同截面對應的氣泡分布Fig. 7 Bubble distribution in different section

圖 8 連續氣泡跡線Fig. 8 Trail of Continuous bubbles

3 結 語

本文試驗較好驗證了科考船在以設計航速航行時氣泡流跡的下洗現象，但氣泡并未下洗到船舶底部。通過攝像觀察，氣泡最終在船中舭部上浮直至最終潰滅。證實了氣泡流在船體表面的運動速度和方向并不是水平和垂向運動的簡單合成，氣泡流運動是以氣泡團的形式振蕩擴散向船尾流動的。由于試驗條件的限制，本文僅是對單一工況下進行基礎性試驗研究。對風浪流相互耦合作用，氣泡尺寸大小及分布的不規則性，船舶不同航速不同吃水等復雜工況的后續研究本試驗仍有很大的借鑒意義。

[1]劉鳳, 劉志華, 鄭君杰, 等. 基于雙針光纖探頭改進的破碎波卷入氣泡尺寸測量方法研究[J]. 水動力學研究與進展, 2013, 28(3): 283–290.

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[3]FARMER D M, VAGLE S V. Waveguide propagation of ambient sound in the ocean-surface bubble layer[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1989, 86(5): 1897–1908.

[4]ISHII M, HIBIKI T. Thermo-fluid dynamics of two phase flow[M]. US: Springer, 2006: 79–105.

[5]李仲春, 宋小明, 姜勝耀, 等. 靜水中較大氣泡運動特性實驗研究[J]. 核動力工程, 2015, 36(1): 161–164.

[6]蔣炎坤. 水下氣泡群運動特性及其三維數值模擬研究[J]. 武漢理工大學學報, 2005, 27(4): 72–74. JIANG Yan-kun. Research on movement characteristic and 3D numerical simulation of many bubbles in water[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2005, 27(4): 72–74.

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[10]Rolland D, FORGACH K, CLARK P, et al. Hull and sonar mount design for reducing bubble sweepdown on oceanographic research vessels[C]//Proceedings of the 2010 oceans IEEESydney. Sydney: IEEE, 2010: 1–7.

Research on the test of phenomenon of bow bubbles sweeping down based on PIV

ZHANG Fu-min1, ZHANG Yong1, WEI Shao-peng2, GUO Chun-yu2, ZHAO Qing-xin2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Researching on a manned submersible carrier, producing bubbles by the bubble generator to simulate the ship sailing in the normal condition, the position of bubbles was observed and shot by the PIV measurement system. And the trajectory of the bubble flow was captured. Through analyze the results of the test, showing the phenomena of the bubbles sweeping down and the trail of the bubbles, and proves that the velocity of the bubbles was not a simple synthetic of horizontal and vertical velocity.

the bubble generator；PIV；sweep down；trail of bubble

O427.4

A

1672–7619(2016)12–0026–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.005

2016–04–05；

2016–07–07

國家自然科學基金資助項目(51209048)

張福民(1956–)，男，研究員，研究方向為船舶總體設計。