圍阱內流體振蕩載荷試驗研究

史澤宇 胡景豐

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

圍阱結構在水面艦船及海洋平臺中有很廣闊的應用，如在水面艦船中為保證聲吶、潛水系統等設備的正常工作，設置了相應的圍阱結構［1-2］，自升式平臺的樁靴往往被包圍在圍阱結構內，圍阱結構作為平臺主體與樁腿及升降系統連接的主要受力區域，是整個平臺最為關鍵的部位。

因圍阱結構的特殊形式及其對整體結構的重要性，學者們對這類結構開展了大量研究。許維軍等［3］人對一個聲吶圍阱在水下爆炸載荷作用下的變形展開分析，選取圍阱頂部剖面、圍阱平臺剖面等5個剖面作為研究對象，計算求得這些剖面在水下非接觸爆炸載荷作用下的變形量，并對局部變形過大的區域進行優化設計。胡博生等［4］對自升式鉆井船圍阱區的建造工藝進行研究，對圍阱區分段建造的步驟和技術要求進行了詳細的討論。關國偉和甘作為［5］針對自升式鉆井平臺圍阱結構的設計展開研究，充分考慮建造工藝、節點優化設計及強度要求，從材料選取和結構設計兩大方面對圍阱結構進行優化設計，并通過有限元計算驗證其優化設計的可靠性。這些針對圍阱結構研究的主要關注點都在圍阱結構自身結構的特點上，對圍阱結構所受到的載荷關注較少。

在艦船圍阱結構的設計中，對圍阱結構載荷一般只考慮圍阱壁面所承受的靜水壓力，然而在船舶航行過程中，圍阱內的流體在外部來流及波浪的激勵下將產生劇烈的晃蕩運動，流體的運動對圍阱內的壁面將產生較大的砰擊載荷。與之類似的是船舶中的液艙晃蕩問題［6-7］，但相較于液艙晃蕩，圍阱內的載荷更加復雜，圍阱隨邊的壁面還額外受到一個由導邊分離出的自由剪切層沖擊的載荷［8］。

考慮到國內外對圍阱壁面載荷特征尚缺乏認知，本文通過模型試驗，對圍阱內流體振蕩載荷的規律進行系統研究，討論了不同開口形式、不同腔型以及不同流速下圍阱內流體振蕩載荷的特性，并分析了圍阱內載荷分布的空間規律，可為圍阱結構的設計提供參考。

1 試驗系統

1.1 試驗裝置

本次模型試驗在水洞中開展，水洞由2個罐體、各類泵、閥門、試驗段和蓄水池共同構成一個循環系統。試驗段可根據不同的試驗要求進行設計，罐體分布在試驗段的上游和下游，可以起到穩定流速和調節試驗段水位的作用，通過各類水泵可以對試驗段的流量進行控制，模擬不同流速環境。水洞試驗段的長度為10 m，最大流量為1.2 m3/s，蓄水池的最大容積3 000 m3，試驗場地參見圖1。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗模型

本次的試驗模型見下頁圖2。其主要分為2個部分，下方的流道和上方的圍阱模型，流道主要是為了模擬船底外部來流的環境，為方便安置圍阱模型，且為方便觀測，流道的截面選擇為長方形。流道的尺寸要合理設計，保證流道兩側平板及底部的邊界層不會對流道上方圍阱結構處的流動產生干擾，通過CFD模擬速度場可以確定圍阱處邊界層的范圍，保證流道的其他3個面要遠離圍阱的邊界層，CFD計算的流場如下頁圖3所示。

假設圍阱內吃水為h，流道高度為0.6h時即可保證流道下方平板對圍阱處流場速度不造成影響；圍阱沿流向的長度為L，則流向上導邊向前取L即可保證圍阱處流場速度基本不受影響；圍阱的寬度為B，流道橫向向兩邊分別取0.4B時即可保證圍阱處流場速度基本不受影響。

圍阱模型尺寸由實船1 : 4縮比獲得，圍阱主尺度為0.45 m×0.45 m×0.625 m，根據以上分析，流道模型橫截面的尺寸為0.9 m×0.405 m。

圖2 試驗模型圖

圖3 CFD模擬結果

為考察不同腔型及不同開口形式對圍阱內載荷的影響，圍阱和流道設計為可拆卸的形式，且圍阱模型設計成底座+腔體的形式。

本試驗共考慮7種不同的腔型或開口形式：第1種為基準形式（下文中稱為5號船原型腔），具體形式見圖4（a）；第2種和第3種分別為在5號船原型腔的基礎上增加1個87.5 cm或75 cm的圓臺，具體形式見圖4（b）；第4種和第5種為在5號船原型腔的基礎上增加87.5 cm圓臺的并設計不同的倒角，如圖4（c）所示；第6種為在5號船原型腔的基礎上增加異形附體，見圖4（d）；第7種將腔型尺寸改為0.45 m×0.35 m×0.625 m。

圖4 圍阱下方底座示意圖

1.3 測試設備

為獲得圍阱內流體的載荷，本試驗主要測試設備為壓力傳感器，考慮圍阱腔口處剪切層附近流場變化較大，因此在圍阱腔口處布置了更多的測點。雖然結構、邊界條件、初始條件具備對稱性，但是圍阱底部的非定常運動具備不穩定性，因此在兩側均布置測點。圍井內測點位置參見圖5，壓力傳感器見圖6。

圖5 測點布置圖

圖6 壓力傳感器

2 結果分析

2.1 圍阱腔口周向壓力分布規律

首先，對圍阱腔口周向的壓力分布進行分析，在圍阱腔口處傳感器布置的原則是每隔30°布置一個傳感器，為兼顧其他試驗的需求，在導邊和隨邊中點使用動壓傳感器，而由于空間上的沖突，取消一個靠近隨邊中點的傳感器；因此在腔口底部共布置9個傳感器，布置的示意圖見圖7。測試過程中采用測量多次取平均的方法，無量綱后的測試結果見下頁圖8。共考慮5種不同流速，對7個不同腔型的圍阱進行試驗。

圖7 圍阱腔口傳感器布置示意圖

從試驗結果可知，不同航速下，圍阱底部壓力分布的規律基本相同，在150°（6號傳感器所在位置）處達到峰值，考慮到180°和210°沒有進行測量，因此可以認為在隨邊位置壓力將達到最大。造成這種現象的原因主要是剪切層的沖擊作用。此外可以發現壓力在導邊與側壁連接的角隅處最小，說明該區域的局部流速較快。

圖8 圍阱底部壓力分布規律

通過對比不同腔型或腔口形狀的圍阱數據，可以看出：圍阱開口形式和腔型的變化雖未改變圍阱底部載荷空間分布規律，但在載荷的數值上卻展現較大差異；載荷最小的開口形式是在圍阱底部增加1個75 cm圓臺，將圍阱底部開口形式變為圓形。雖然下沉倒角型圓臺在流速較高時的載荷更小，但是該形式圍阱在低流速下的載荷較高，且其加工難度較大，因此設置75 cm圓臺的工程意義更大。

2.2 導邊壁面壓力分布規律

在導邊的壁面上共布置2個測點，2個測點均布置在導邊壁面的中心線上，1個布置在自由液面附近，1個布置在導邊壁面的中點。由測試結果可見：不同航速下，導邊壁面上壓力分布規律非常類似，自由液面附近的壁面的壓力要顯著低于壁面中間位置的壓力。造成這種現象的原因是圍阱內的渦運動對導邊壁面中點位置的沖擊作用。同樣通過對比不同開口形式及不同腔型的圍阱結果，可以看出在圍阱底部增加75 cm圓臺仍然是降低圍阱內載荷的最優措施，在所有流速下均能保證圍阱內的載荷處于較低水平。

圖9 導邊壁面壓力分布規律

2.3 隨邊壁面壓力分布規律

與導邊類似，在隨邊壁面上也設置2個測點，分別在自由液面附近和隨邊中點，從隨邊的壓力結果中可以看出，導邊和隨邊展現出截然相反的規律，在不同流速下，隨邊壁面上靠近自由液面附近的載荷要遠大于隨邊中點位置的載荷。造成這種現象的原因是剪切層沖擊隨邊下緣后一部分繼續向下游流動，另一部分貼著隨邊壁面向上運動，其流速遠高于圍阱內的渦運動，因此在隨邊中點附近的壓力較低。通過對比不同開口形式及腔型的圍阱載荷數值，可以得到與上文相同的結論，即在圍阱下方增加75 cm圓臺可以顯著降低圍阱內的載荷。

圖10 隨邊壁面壓力分布規律

2.4 圍阱后方流向壓力分布規律

最后，對圍阱后方壓力的分布規律進行簡要分析，在圍阱后方設置4個壓力傳感器；圍阱后方沿流向壓力的分布規律是先顯著增大后逐漸減小（見圖11），這些測點處于同一水平面上，因此壓力的差異主要是源自流速上的差別。

圖11 圍阱后方壓力分布規律

3 結 論

通過模型試驗，對圍阱內載荷分布規律進行了系統研究，得到以下結論：

（1）不同航速下，圍阱底部以及隨邊、導邊壁面等區域壓力分布的規律基本相同；

（2）圍阱開口形式和腔型的變化沒有改變圍載荷的空間分布規律，但會改變載荷的數值；

（3）綜合分析圍阱不同位置處的載荷規律和不同航速下的結果可以發現，在圍阱下方增加75 cm圓臺可以顯著降低圍阱內的載荷。