基于阻力性能最優(yōu)的新型救生裝置總體設(shè)計(jì)

曹稼秀， 李永正， 張瑞瑞

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

當(dāng)發(fā)生海難時(shí)，救生裝置是主要的救援設(shè)備[1]，救生裝置能夠及時(shí)高效、快速展開(kāi)營(yíng)救關(guān)系著遇險(xiǎn)人員的生命安全[2]?，F(xiàn)有用于海上救援的設(shè)備較少，主要為救生圈、救生衣和救生艇等，在救援時(shí)其施救效果并不太理想[3]。救生圈和救生衣主要用于遇險(xiǎn)人員落水時(shí)的營(yíng)救，而不是發(fā)生海難后的逃生設(shè)備，救生艇則因其體積大、重量重，不便于攜帶。

徐峻楠等[4]在傳統(tǒng)救生圈的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型救生圈急救拋投裝置。此款裝置對(duì)救生圈加以改造，能夠在夜間滿足救援要求。別凱文[5]設(shè)計(jì)的新型救生圈包括3個(gè)內(nèi)部可充氣并可浮于水面上的充氣體，充氣體上均設(shè)有充氣嘴，便于攜帶，使用方便。陳啟祥等[6]針對(duì)現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶和不夠智能等缺點(diǎn)自主研制一種可智能識(shí)別溺水并自動(dòng)充氣的便攜式救生裝置。劉燕等[7]研制一款新型爆脹式氣囊裝置，此款救生裝置與傳統(tǒng)潛航器應(yīng)急救援手段相比，具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高及發(fā)揮作用快等優(yōu)點(diǎn)。

所設(shè)計(jì)的新型三體式救生裝置(簡(jiǎn)稱“救生裝置”)是一種能夠快速到達(dá)落水人員身邊的救生設(shè)備，包括裝置前體、裝置側(cè)體和連接橋。救生裝置由于體積較小，便于攜帶和使用，能夠?qū)崿F(xiàn)快速救援。通過(guò)對(duì)救生裝置的總體位置布局設(shè)計(jì)介紹，以阻力性能最優(yōu)為研究指標(biāo)，為后期新型救生裝置的設(shè)計(jì)提供思路和數(shù)據(jù)支撐。

1 計(jì)算模型

救生裝置的設(shè)計(jì)需滿足《國(guó)際救生設(shè)備規(guī)則》的具體要求，如尺度、技術(shù)與功能要求等。根據(jù)這些要求確定救生裝置的總體設(shè)計(jì)方案，在滿足這些要求的同時(shí)以阻力性能最優(yōu)為主要指標(biāo)。

救生裝置內(nèi)部布置有電機(jī)、電池、噴水推進(jìn)器、套管、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和控制板；裝置外部布置有攝像頭、指示燈、控制面板和自拉式自鎖把手。救生裝置總布置如圖1所示。

救生裝置有2個(gè)側(cè)體，每個(gè)側(cè)體上均裝有噴水推進(jìn)器，噴水推進(jìn)器與電池連接，電池容量為1 W，電機(jī)功率為1 500 W，選用大功率的電機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速有效的救援。配套的電機(jī)、電池和噴水推進(jìn)器等部件布置于救生裝置內(nèi)部，通過(guò)調(diào)整其布置位置，可組合生成總布置方案，如表1所示。

圖1 救生裝置總布置

表1 新型三體式救生裝置內(nèi)部部件排布方案

方案1：救生裝置艉部吃水為-0.095 m，噴水推進(jìn)器導(dǎo)管中心軸線距裝置下邊緣為0.041 m，初始浮態(tài)為艏傾，艉部推進(jìn)器沒(méi)有浸沒(méi)在水中。方案2：救生裝置艉部吃水為0.061 m，初始浮態(tài)為艉傾，艉部推進(jìn)器吃水達(dá)到95%的浸沒(méi)。對(duì)比2種方案救生裝置艉部吃水浸沒(méi)情況，考慮方案2。在方案2的基礎(chǔ)上增加1～7 kg的配重，增加間隔為1 kg。根據(jù)救生裝置部件初排布后剩余的位置來(lái)看，配重排布位置在距救生裝置艏部0.44～0.46 m內(nèi)，間隔為0.05 m。根據(jù)配重的不同重量和不同排布位置組合出35種方案，以噴水推進(jìn)器全部浸沒(méi)和救生裝置適度的艉傾作為選取方案指標(biāo)進(jìn)行選擇。當(dāng)噴水推進(jìn)器全浸沒(méi)、艉吃水為0.063 m時(shí)，有2種方案滿足方案選取的指標(biāo)。救生裝置增加配重后的排布方案如表2所示。

表2 救生裝置增加配重后排布方案

根據(jù)增重方案更新方案1與方案2。對(duì)這2種方案以阻力性能最優(yōu)為指標(biāo)進(jìn)行阻力性能驗(yàn)證，同時(shí)還需考慮救生裝置在航行時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)艏部抬升或埋艏現(xiàn)象。

根據(jù)上述電機(jī)、電池等相關(guān)參數(shù)和位置布局設(shè)計(jì)出救生裝置的型線，救生裝置的主要參數(shù)如表3所示。

表3 救生裝置主要參數(shù) m

2 阻力性能驗(yàn)證

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

選用STAR-CCM+軟件對(duì)救生裝置進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值模擬，裝置航行速度選取0.5～2.0 m/s。經(jīng)計(jì)算，救生裝置的雷諾數(shù)Re為3.990×105～1.595×106。

計(jì)算的控制方程[8]為

(1)

(2)

重正化群(Renomalization Group, RNG)k-ε湍流模型能夠捕捉多個(gè)尺度的湍流擴(kuò)散，可提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，因此采用RNGk-ε湍流模型描述救生裝置周圍流體動(dòng)力性質(zhì)。具體方程[9]為

(3)

(4)

2.2 阻力性能計(jì)算結(jié)果分析

救生裝置受到的阻力記為R，則阻力系數(shù)為

(5)

式中：S為救生裝置的濕表面積；u為救生裝置的航行速度。

圖2給出2種方案下不同速度時(shí)救生裝置阻力系數(shù)隨速度的變化曲線。

圖2 2種方案救生裝置阻力系數(shù)隨速度變化曲線

由圖2可知：2種方案的阻力系數(shù)隨速度的增大而減小。由計(jì)算的對(duì)比結(jié)果可以看出：方案1的阻力系數(shù)大；方案2的阻力系數(shù)小。當(dāng)救生裝置航行速度在0.5 ～1.5 m/s時(shí)，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值明顯；當(dāng)救生裝置航行速度在1.5 ～2.0 m/s時(shí)，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值變??；當(dāng)救生裝置速度變大時(shí)，方案1與方案2的阻力系數(shù)差值變小。當(dāng)救生裝置航行速度在0.5～1.0 m/s時(shí)，2種方案的阻力系數(shù)下降趨勢(shì)較陡；當(dāng)救生裝置航行速度在1.0 ～2.0 m/s時(shí)，2種方案的阻力系數(shù)下降趨勢(shì)較緩。從2個(gè)方案的阻力系數(shù)來(lái)看，方案2最優(yōu)，證明方案2部件排布和配重重量及位置相對(duì)合理。

2.3 裝置表面壓力分布

選取方案2對(duì)救生裝置周圍的流場(chǎng)壓力分布進(jìn)行分析。圖3為方案2在不同速度下救生裝置表面壓力分布。

由圖3可知：救生裝置處于艉傾狀態(tài)，高壓區(qū)域出現(xiàn)在艉部，高壓區(qū)域范圍隨救生裝置航行速度增加而變大且向前擴(kuò)大。當(dāng)救生裝置航速為低速時(shí)，其高壓區(qū)域集中在艉部，當(dāng)速度增加時(shí)，高壓區(qū)域范圍往前移動(dòng)，其艏部也出現(xiàn)高壓區(qū)域；低壓區(qū)域出現(xiàn)在救生裝置的艏部，當(dāng)速度增加時(shí)，低壓區(qū)域范圍往后移。從救生裝置的表面壓力看，其出現(xiàn)抬艏現(xiàn)象，艏部布置有電子零部件，從安全角度考慮，方案2的部件排布和配重重量及位置是合理的。

圖3 不同速度下方案2救生裝置表面壓力分布

3 結(jié) 論

從新型救生裝置使用要求出發(fā)，采用三體船理念，對(duì)救生裝置開(kāi)展總體設(shè)計(jì)，獲得其總體設(shè)計(jì)方案，且采用數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行性能分析，掌握部件的不同排布位置和不同重量配重及位置對(duì)裝置阻力的性能影響情況，并研究救生裝置的阻力性能。從計(jì)算結(jié)果看，方案2為最優(yōu)選擇。在方案2中，救生裝置的總長(zhǎng)為1.108 78 m，型寬為0.815 29 m，型深為0.147 20 m，重心坐標(biāo)位置為(0.493 80，0，0.083 10)，增加的配重重量為7 kg，配重的坐標(biāo)位置為(0.46，0，0.90)，初始浮態(tài)為艉傾9.20°。上述成果可為后續(xù)開(kāi)展船機(jī)槳匹配等研究提供重要數(shù)據(jù)支撐。