水下浮筒平臺(tái)流體阻力試驗(yàn)研究

仝志永 劉金標(biāo)

摘? 要：為研究水下浮筒平臺(tái)在河道內(nèi)受到的流體阻力，設(shè)計(jì)了水下浮筒平臺(tái)模型流體受力水池試驗(yàn)，研究了不同流線體外型隨河道流速變化的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，為浮筒平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水下平臺(tái)外型設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：水下浮筒平臺(tái);流體阻力系數(shù);試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：P75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0017-03

Abstract： In order to study the fluid resistance of the underwater buoy platform in the river， the fluid force pool test of the underwater buoy platform model is designed， and the resistance coefficient and lift coefficient of different streamline body with the river velocity are studied. It provides a reference for the structural design of buoy platform and the appearance design of underwater platform.

Keywords： underwater buoy platform; fluid resistance coefficient; experimental study

引言

水下浮筒平臺(tái)是某水下浮動(dòng)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)，其在河道內(nèi)受到的流體阻力直接影響浮筒平臺(tái)的結(jié)構(gòu)變形、姿態(tài)和晃動(dòng)。本文借鑒國(guó)內(nèi)研究水下工程結(jié)構(gòu)流體阻力的通用方法，通過(guò)模型水池拖曳試驗(yàn)研究水下浮筒平臺(tái)不同流線外型在不同流速場(chǎng)中的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，為浮筒平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水下平臺(tái)外型設(shè)計(jì)提供了參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸?/p>

如表1所示，縮比0.432制作鋼制的強(qiáng)制拖曳水池模型原型結(jié)構(gòu)，表面油漆拋光。

如圖1所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ?個(gè)：模型M01為原型，M02為周圍加圍板，聲納座附近開口，M03是圍板加尾部導(dǎo)流板，M04尾部有導(dǎo)流板。支柱上端部安裝六分力天平。模型上下兩端安裝封板，起止流作用，防止端部渦流產(chǎn)生及減少支柱與測(cè)試體之間的水流干擾。測(cè)試模型翼型支柱連接在拖車上，支柱與模型之間用端板隔開，減少之間的水流干擾。

水下平臺(tái)工作在距離水面較深的流場(chǎng)中，自由面的影響可以忽略不計(jì)，受到的主要是流體的粘性力，因此試驗(yàn)過(guò)程中滿足粘性相似，即滿足雷諾數(shù)相等。水池試驗(yàn)中為了減少自由面的干擾，按照水下航行體試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)程，測(cè)試體上端點(diǎn)距離水面大于2倍測(cè)試體直徑。試驗(yàn)過(guò)程測(cè)試體上端點(diǎn)距離水面約0.36m，自由面對(duì)測(cè)試體的流體力可以忽略不計(jì)。

模型流體力按雷諾相似準(zhǔn)則進(jìn)行，即在滿足雷諾數(shù)相等的前提下，作用在模型上的流體力系數(shù)和作用在實(shí)物上的相等。試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)計(jì)如表2所示。

2 測(cè)試設(shè)備

2.1 拖車系統(tǒng)

水池拖車是由四臺(tái)22kW直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，拖車主要作用拖曳試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒孀鲃蛩龠\(yùn)動(dòng)。拖車控制系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS 6R24 全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)所有控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、都由功能極強(qiáng)的16位微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)拖車由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，因此具有較高的穩(wěn)速精度。

拖車系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）速度運(yùn)行范圍：0.1～8.0m/s

（2）穩(wěn)速精度：0.1%

2.2 六分力天平

六分力天平的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）量程：20kg

（2）精度：0.1%

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由硬件，軟件兩部分組成。如圖2所示，硬件包括多組十六路信號(hào)放大處理器、采集卡和計(jì)算機(jī)等，軟件主要包括窗體模塊和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)分析模塊。

信號(hào)放大處理器主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）采樣通道：16路

（2）輸入阻抗：>2MΩ

（3）零點(diǎn)漂移：0.05%

（4）精度：0.05%

（5）D/A轉(zhuǎn)換板：12位? ? 精度? 0.015%

3 試驗(yàn)結(jié)果

在水溫20.0℃，水密度：101.8kg.s2/m4，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)1.0067×10-6m2/s的條件下開展試驗(yàn)，測(cè)試連接支柱的流體力、各模型的流體阻力和升力等，連接支柱的流體力如表3所示，扣除連接支柱流體力后各模型的受力結(jié)果如表4所示。

統(tǒng)計(jì)表4數(shù)據(jù)，可得各模型阻力及升力系數(shù)曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)分析圖3和4所示數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：

（1）平臺(tái)兩圓柱體之間的流體干擾力較大，加裝圍板對(duì)減少流體兩柱體之間的流體干擾非常有用。

（2）加裝了圍板后對(duì)阻止平臺(tái)柱體之間的水流干擾起到了明顯的作用，從結(jié)果也可以看到平臺(tái)的阻力相對(duì)于原型有一定程度的減小，低速時(shí)升力有明顯降低，但當(dāng)速度較高時(shí)，升力有所增加。

（3）在加裝圍板的基礎(chǔ)上加裝尾導(dǎo)流板后，阻力和升力明顯降低，說(shuō)明此時(shí)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性有較有利。

（4）若平臺(tái)兩柱體之間開口，加裝導(dǎo)流板的效果不好，且加上導(dǎo)流板后，增加了平臺(tái)流向的長(zhǎng)度，柱體之間的擾動(dòng)水流在尾導(dǎo)流板上形成了較大的擾動(dòng)力矩，不利于平臺(tái)在水中的穩(wěn)定工作，因此不建議采用此種狀態(tài)。

（5）平臺(tái)上下不對(duì)稱流動(dòng)導(dǎo)致受到的升力方向發(fā)生了根本性的變化，M01和M04由于試驗(yàn)中平臺(tái)上方安裝了聲納，相當(dāng)于阻止了上部的水流竄向下部，致使平臺(tái)受到向上的流體力;而當(dāng)加裝圍板后，由于聲納座一側(cè)開口，水流從聲納一側(cè)竄向平臺(tái)柱體之間，導(dǎo)致產(chǎn)生向下的升力，升力的方向完全改變。

參考文獻(xiàn)：

[1]Geometrics，Inc.G-882 CESIUM MARINE MAGNEIDMEIE opIiTation manual[R].2005.

[2]宋文洋，陳榮貴，赫崇本.水下拖曳體有關(guān)問(wèn)題的初步探討[J].海洋與湖沼，1982（2）：154-164.

[3]LIU Han-Lieh，HUANG Thomas T. Summary of DARPA Suboff Experimental Program Data[R].Naval Surface Warfare Center， Carderock Division（NSWCCD）.1998：19-23.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].清華大學(xué)出版社，2011：22-47.