艇模水下伴流測量方法試驗

汪小翔，許靖鋒，李徐，廉滋鼎

艇模水下伴流測量方法試驗

汪小翔，許靖鋒，李徐，廉滋鼎

對某艇模進行水下快速性試驗，分析得到其自航狀態下的實效伴流分數，采用三維伴流測試系統對其艉流場進行伴流測量，得到其標稱伴流及三向伴流分布。結果表明，艇模槳盤面處伴流以軸向伴流為主，內半徑在艉舵之間產生了范圍較大的軸向高伴流區，而外半徑在舵后產生了范圍較小的小伴流峰，且由于螺旋槳的抽吸作用，導致槳盤面處流速增大，因而實效伴流小于標稱伴流。

艇模；水下快速性；實效伴流；標稱伴流

隨著潛艇不斷向大型化、高速化發展，對主機的功率要求也越來越大，造成艇艉槳負荷[1]較大。潛艇周圍的流場特別是艉流場的流動特性對潛艇的水動力性能有著重要的影響[2]。由于水下試驗條件限制，國內關于快速性試驗[3]以及流場測試試驗[4]以常規水面船舶為主，關于水下潛器尾流場研究大多集中在數值仿真方面，很少有關于水下潛器流場試驗研究的公開資料。鑒于此，針對某潛艇模型搭建水下試驗平臺，開展槳模敞水試驗、艇體全附體模型阻力試驗以及艇體與螺旋槳配合的艇模自航試驗，分析得到其相當于實艇自航點的實效伴流分數，采用三維伴流測試系統[5]對其艉流場進行伴流測量，獲取其槳盤面處的標稱伴流值以及三向伴流分布規律。

1 試驗設施及儀器

1.1 試驗設施

水池池長510 m，池寬6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。拖車速度范圍0.1～22 m/s，車速穩定精度優于0.2%。

試驗數據采集和處理分析自動化。

1.2 試驗儀器

1)水下專用電測阻力儀。主要用于阻力測量及自航試驗中強制力的測量，共2部，單傳感器量程2 000 N,采樣頻率100 Hz。

2)敞水動力儀。主要測量槳所產生推力及轉矩，量程：推力1 000 N,轉矩50 N·m。

3)三向伴流測試儀。主要包括32路壓力傳感器系統，數據采集系統，標定除氣裝置以及轉角裝置，最大測量半徑為140 mm，轉角裝置控制范圍0°～360°，壓力傳感器量程40 kPa，精度0.5%, 壓力變送器量程1 000 mm水柱，精度為0.1 mm水柱,系統測量潛艇伴流場安裝示意見圖1。

2 模型及測試方法

2.1 槳模及艇模

槳模采用高強度鋁合金材料加工而成，模型表面光順、連續無突變，表面粗糙度及精度符合相關規范要求[6]。艇模主要參數見表1。

由于需要進行動力儀的拆裝以及內部放置試驗裝置，艇模采用分段組裝設計，均采用內部鋼骨架加外敷玻璃鋼的結構形式(見圖2)，用于試驗安裝和承力的鋼骨架能保證艇模具有足夠的強度，外敷玻璃鋼保證模型的外形光順和不變形。

表1 艇模主要幾何參數

2.2 系統測試安裝

在自航試驗以及伴流測試中，試驗模型采用雙劍方式與拖車進行連接，為盡可能減小表面興波影響，一般要求浸深比大于0.28[6]，同時考慮模型與池底距離以減小淺水效應，整體模型處于無縱傾、無偏轉狀態，位于水池中心且與軌道中心線平行。

試驗過程中需要考慮以下幾點。

1)阻力儀的標定。前后劍各安裝一個水下阻力儀，直接測量艇體遭受強制力，試驗前首先在平臺上對單個水下阻力儀進行標定，然后再對雙阻力儀系統進行標定，保證雙阻力儀系統技術指標滿足試驗要求。

2)動力儀標定。從靜態標定結果曲線可以看出推力相關系數為1，轉矩相關系數為0.999 5，線性度非常高，推力和轉矩相互干擾極小,動態標定采用標準槳模P4119[7]進行標校，與ITTC數據進行比較，結果見圖3，可以看出推力系數與轉矩系數誤差均在2%以內，說明儀器的精度可靠。

3)模型完全入水后將產生3 500 N左右的浮力，為減小負浮力對拖曳劍的影響，在模型內部填充泡沫以增加浮力，重心位置低于浮心且位于雙劍中間。

4)拖曳雙劍與拖車螃蟹架連接，安裝時調整好前后航向誤差，再將模型吊裝至船塢與雙劍連接。安裝完成后，利用模型的水平基準線與高度尺對模型姿態進行微調，保證模型安裝首尾航向誤差以及模型首尾高度誤差均不大于2 mm，確保模型姿態不影響試驗結果的真實性。

5)為避免指揮室圍殼對艉流場的影響，三向伴流儀的測試在甲板朝下狀態下進行，畢托耙通過艉軸與艇內轉角裝置相連，畢托耙的轉動由周向角控制儀操縱。轉角裝置的軸線高度可以調節，并可以傾斜，便于安裝。轉角裝置可以水平和垂直2個方向出軸，水平出軸用于水面船模，垂直出軸時通過一根垂直軸與潛艇模型里的直角齒輪箱的豎軸相連。直角齒輪箱的橫軸與畢托耙的軸相連，轉動潛艇模型的畢托耙，為避免軸過長而晃動，在潛艇尾部加裝軸套及軸支架，確保軸能自由穩定轉動。見圖4。

3 試驗

3.1 自航試驗

在艇模阻力試驗與螺旋槳敞水試驗基礎上開展自航試驗，艇模拖車連接安裝基本與阻力試驗相同，采用等速度強迫自航法[8]，試驗速度分別為3.0、3.2、3.4及3.6 m/s,為保證模型邊界層在所有速度范圍內為紊流，在離艇艏1/20艇長處加裝直徑為1.0 mm的激流絲。

為了使螺旋槳模型與實槳載荷相似[9]，必須從艇模總阻力中扣除某一數值Fd，使得實艇總阻力Rts與Rtm-Fd成λ3的關系，即

(1)

式中：Rts為實艇總阻力；Rtm為艇模總阻力；Fd為強制力；ρs為淡水密度；ρm為海水密度；λ為艇模與實艇縮尺比。

對于艇模來說，由于潛艇有很大流水孔[10]阻力，該阻力無法通過試驗進行模擬，只能根據實艇經驗估計，因次強制力計算還必須考慮艇模的粗糙度修正。選取粗糙度修正系數▽cf=1.2×10-3。

由式(1)可以推出

式中：sm為艇模濕表面積；Cfm為艇模摩擦阻力系數；Cfs為實艇摩擦阻力系數；Vm為艇模速度。

實船摩擦阻力系數Cfs和船模摩擦阻力系數Cfm，按1957 ITTC公式計算。

(3)

當艇模速度為Vm時，其阻力為Rtm，強制力為Fd，根據自航試驗曲線查得強制力為Fd時的螺旋槳轉速nm,推力Tm,轉矩Qm,此時螺旋槳模型推力Tm所克服的艇模阻力為Rtm-Fd。

螺旋槳艇后推力系數和轉矩系數分別為

(4)

(5)

根據等推力法從螺旋槳敞水曲線可讀出相應進速系數J，敞水轉矩系數kq，敞水效率ηo。

螺旋槳進速Vam=JnmDm

(6)

由式(6)得艇模伴流分數wm為

(7)

自航試驗結果見表2。

3.2 三向伴流測試

槳盤面處伴流測試測量半徑為r/R=0.4～1.2,為更好地捕捉艉舵對流場的影響，測量角度在艉舵附體后面對應的區域進行加密，拖曳速度3 m/s。伴流測試結果見圖5～9。

軸向伴流等值線規律明顯，伴流分數從內半徑到外半徑逐漸減小，即主艇體尾部的粘性邊界層使得水流速度從內半徑向外半徑逐漸增大。在外半徑的0°、90°、180°及270°處產生尖峰，此處恰體現了指揮臺圍殼及尾翼的粘性尾流使得附體后對應位置伴流速度發生的變化。切向、徑向伴流矢量圖見圖6。

表2 自航分析結果

由6可以看到，徑向伴流大于切向伴流，各半徑處徑向伴流基本呈現向心流動，切向伴流以順時針流動為主(從艇艉向前看)，且內半徑流動明顯強于外半徑。

各個方向伴流周向分布見圖7、8。

軸向伴流對稱性較好，在內半徑45°、120°、240°及315°附近出現高伴流區域，此處位于尾翼之間，可能產生了一定的漩渦運動，而在外半徑則在0°、90°、180°和270°附近還有小范圍的峰值，此處恰好在尾翼后，即尾翼的存在使得此處相對水流速度變小，隨著半徑增大，伴流分數逐漸減小，此與軸向伴流等值線圖也是對應的。

徑向伴流的周向分布較為對稱，且內半徑伴流大于外半徑，在內半徑的45°、120°、240°及315°處出現相對小峰值，隨著半徑增大，徑向伴流周向分布逐漸變得較為均勻。

各半徑處伴流周向平均值為

(8)

各半徑處伴流體積平均值為

(9)

式中:rh為槳榖半徑;R為螺旋槳半徑。

各半徑處三向伴流周向平均值與體積平均值見表3。

從表3數值上看，軸向伴流最大，切向伴流最小，軸向伴流與徑向伴流都隨著半徑的增大逐漸減小，從內半徑到外半徑，切向伴流由逆時針過渡到順時針。上表值均為標稱伴流值，從軸向伴流看，艇模槳盤面處所測標稱伴流為0.423，而實效伴流為0.385，由于自航中螺旋槳在后方的抽吸作用，使得槳盤面處水流速度增大，伴流自然比無螺旋槳時要小，這也是符合實際流場狀態的，說明試驗結果可靠。

表3 各半徑處伴流值

注：wr<0為向心流動；wt<0為逆時針流動(從艇艉向前看)

4 結論

1)艇模槳盤面處伴流以軸向為主，徑向伴流與切向伴流均為小量，軸向與徑向伴流分布對稱性較好，且隨著半徑增大，軸向與徑向伴流均逐漸減小，徑向伴流周向分布逐漸變的較為均勻，切向伴流由逆時針過渡到順時針。

2)由于附體的影響，軸向伴流而言，內半徑在兩舵之間(45°、120°、240°及315°)產生了范圍較大的高伴流區，而在外半徑剛好在舵后(0°、90°、180°及270°)產生范圍較小峰值，徑向伴流在內半徑的45°、120°、240°及315°出現小峰值。

3)由于螺旋槳后方的抽吸作用，槳盤面處流速增大，導致自航試驗分析所得實效伴流較伴流

測試系統所得標稱伴流偏小，符合實際流場狀態。

4)相比風洞中采用風速儀研究潛艇尾流場，測量系統直接工作于水下，精確性及可靠性很高，更能模擬實際潛艇三維流場狀態，對改善潛艇尾部流場特性，抑制螺旋槳噪聲及振動具有重要意義。

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(中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

The Underwater Measurement and Experimental Research on the Wake of Submarine Model

WANG Xiao-xiang, XU Jing-feng, Li Xu, LIAN Zi-ding

(China Special Vehicle Research Institute, Jingmen Hubei 448035, China)

Experimental research on underwater powering performance of submarine model was conducted to analyzing its effective wake fraction. The nominal wake and the 3D wake distribution at the propeller disk were obtained by using 3D wake testing system. The results showed that the wake at the propeller disk is mainly axial wake, the major high-wake part is observed between two rudders at the inside radius, but at the outside radius, the lower-wake peak exactly appears behind the rudders. Because of the pumping action of the propeller, the velocity at the propeller disk increases and the effective wake is less than nominal wake.

submarine model; underwater powering performance; effective wake; nominal wake

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.008

2016-04-12

汪小翔(1989—)，男，碩士，工程師研究方向:水池試驗方法及航行體水動性能

U661.7

A

1671-7953(2017)01-0032-05

修回日期：2016-05-04