王運(yùn)龍， 張 欣， 金朝光， 管 官， 廉立晨

（大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

艦船在海上航行時，艦船尾部在海水中產(chǎn)生大量的氣泡，形成一條呈帶狀的氣泡場，這就是尾流。尾流形成的原因包括螺旋槳工作、海浪翻滾、破碎以及空氣卷吸入水等等［1］。尾流具有穩(wěn)定、持續(xù)時間長、物理性質(zhì)顯著、可被有效探測等特點(diǎn)［2］。從尾流的光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及電磁學(xué)等多種物理特性中可以獲取有關(guān)船舶的關(guān)鍵信息，如：速度、前進(jìn)方向、所在位置等，這也是目標(biāo)追蹤和反潛武器制導(dǎo)的物理學(xué)基礎(chǔ)［3］。

艦船尾流氣泡在一定的深度螺旋上浮，并且氣泡的上浮路徑受到螺旋槳所生成湍流場的影響［4-6］。船體和螺旋槳產(chǎn)生的氣泡離開艦船后，大氣泡會破碎和迅速上浮，微小氣泡會溶解而消失，艦船尾流主要剩下直徑80～300 μm的氣泡存留時間較長，它們形成的尾流場也是魚雷探測的主要目標(biāo)［7-10］。針對艦船尾流的研究大都是基于艦船進(jìn)行在海上試驗，花費(fèi)資金巨大、可視化差、時間不可控，同時海況也不利于規(guī)律的探索、總結(jié)［11］。實驗室中模擬生成氣泡尾流場的方法主要有如下幾種：電解水法、微孔噴氣法和化學(xué)反應(yīng)法等。上述方法存在一個共同的問題就是僅產(chǎn)生尾流中的氣泡而無法模擬艦船運(yùn)動產(chǎn)生的流場［12］。水池模擬尾流的強(qiáng)度測試主要是聲尾流測試系統(tǒng)，價格昂貴，且不利于學(xué)生對艦船尾流特性的直觀觀測。

針對上述問題，本文在構(gòu)建一種既能模擬艦船尾流氣泡場又能模擬尾流湍流場的新型艦船尾流模擬方法，實現(xiàn)在艦船氣泡尾流場初生、擴(kuò)散、消失全壽命周期要素模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)流場中的氣泡膜會使光的透射信號產(chǎn)生顯著變化這一特點(diǎn)，結(jié)合艦船模擬尾流在水池實驗測試過程中的實際需求，設(shè)計、開發(fā)了一種基于照度的艦船模擬尾流測試系統(tǒng)。

1 基于照度的艦船尾流數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)

測量照度的儀器稱作照度計，照度計通常是由硒光電池或硅光電池和微安表組成。硒光電池是把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。當(dāng)光線射到硒光電池表面時，入射光透過金屬薄膜到達(dá)半導(dǎo)體硒層和金屬薄膜的分界面上，在界面上產(chǎn)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生電位差的大小與光電池受光表面的照度有一定的比例關(guān)系。這時如果接上外電路，就會有電流通過，電流值可從以勒克斯為刻度的微安表上指示出來［13］。光電流的大小取決于入射光的強(qiáng)弱和回路中的電阻［14］。模擬尾流場中氣泡量的多少和氣泡尺寸的大小都會使尾流場的光學(xué)特性產(chǎn)生明顯的差異［15］。

針對艦船模擬尾流場中氣泡對光透射性的影響，自主設(shè)計、開發(fā)了基于照度的艦船尾流數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 模擬尾流數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)依據(jù)尾流場中氣泡密度和尺度等因素的變化引起照度計采集到的數(shù)據(jù)變化，對氣泡的存留時間和照度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試。艦船尾流數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由計算機(jī)、模擬量輸出模塊、空壓機(jī)、微孔陶瓷管、數(shù)據(jù)采集卡、照度計、高速攝像機(jī)和光源等構(gòu)成，具體參數(shù)見表1。

表1 照度尾流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設(shè)備清單

實驗過程中，密封在透明盒中的光源和照度計由支架安裝在水池船舶模型經(jīng)過的通道中，光源和照度計成一水平線，光源對準(zhǔn)照度計，其所處水深度與船舶模型的吃水相對應(yīng)，使船舶模型經(jīng)過所產(chǎn)生的尾流場正處于兩者中間?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的高壓空氣經(jīng)由通氣管通到微孔陶瓷管，在船模螺旋槳產(chǎn)生的流場作用下進(jìn)一步破碎和運(yùn)動，開啟光源和照度計，可以穩(wěn)定地采集水池實驗環(huán)境數(shù)據(jù)，圖2所示為實驗用照度計和水下光源，圖3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及水下部分安裝形式。

圖2 照度計和水下光源

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及水下部分安裝形式

2 聲尾流測試系統(tǒng)

為進(jìn)行對比驗證，實驗采用垂向聲尾流測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。聲尾流測試系統(tǒng)配備中心頻率為400 kHz，包括水下測試部分和水上測試部分，可獲取尾流的垂直散射強(qiáng)度、深度等隨時間的變化。水下測試部分包含應(yīng)答定位設(shè)備、尾流測試信號源、發(fā)射機(jī)、發(fā)射陣、接收陣、程控濾波、高速數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備；水上測試部分裝載姿態(tài)及光學(xué)圖像顯示，尾流測試數(shù)據(jù)實時控制、處理、存儲顯示等；水下測試部分和水上測試部分之間通過由光纖電纜組成的臍帶連接。在水池模擬尾流測試過程中數(shù)據(jù)采集端（水下測試部分）直接懸掛與池壁的預(yù)定深度，數(shù)據(jù)接收端（水上測試部分）位于拖車軌道外，布置如圖4所示。

圖4 聲尾流測試系統(tǒng)

3 實驗驗證

3.1 實驗方案設(shè)計

針對艦船尾流模擬的研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵性問題，提出利用高壓空氣和微孔陶瓷管噴氣造微泡的方法進(jìn)行氣泡場的模擬和利用模型自航實驗進(jìn)行湍流場的模擬相結(jié)合的艦船尾流實驗水池模擬方法，在自航模型尾部舵葉的位置安裝舵形微孔陶瓷管，舵形微孔陶瓷管外形可按照模型舵葉尺寸進(jìn)行設(shè)計加工，通氣后可均勻產(chǎn)生微泡，該方法既不會破壞由自航產(chǎn)生的尾部湍流場，又能夠產(chǎn)生大小相當(dāng)、數(shù)量足夠的艦船尾流氣泡。

根據(jù)前面講述的模擬方法，設(shè)計了艦船尾流模擬系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 艦船尾流模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所述艦船流場模擬系統(tǒng)主要由船模、螺旋槳、傳動軸、推進(jìn)電動機(jī)、舵形微孔陶瓷管、高壓氣源、壓力控制閥、氣體壓力計、通氣管等組成。推進(jìn)電動機(jī)通過傳動軸帶動螺旋槳提供船模自航所需的動力，通過調(diào)節(jié)推進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和船模吃水，實現(xiàn)不同航速、不同裝載條件下艦船尾部模擬流場的生成。氣源（空氣壓縮機(jī)）經(jīng)由通氣管依次連通的壓力控制閥、氣體壓力計、最終在微孔陶瓷管表面均勻產(chǎn)生微氣泡。通過調(diào)整氣體壓力的大小，可調(diào)整產(chǎn)生微氣泡的大小和數(shù)量，使其最終達(dá)到艦船尾流模擬的要求。在船模自航過程中，按設(shè)定的壓力向形微孔陶瓷管中注入氣體，生成含有大量微氣泡湍流場，實現(xiàn)氣泡場與船舶尾部湍流場的耦合模擬。

3.2 實驗系統(tǒng)簡介

實驗采用一艘貨船模型進(jìn)行實驗驗證和數(shù)據(jù)采集分析。模型船長5.4 m，船寬0.85 m，型深0.45 m，設(shè)計吃水0.30 m，自航速度0.5～1.0 m/s。

實驗過程中利用4根0.1 μm的微孔陶瓷管組合作為微泡發(fā)生器固定于舵葉的位置，布置安裝如圖6所示。

圖6 船模下微孔陶瓷管固定圖

氣源（空氣壓機(jī)0.8 MP）等固定在拖曳水池拖車上。艦船尾流數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)和聲尾流測試系統(tǒng)按實驗要求分區(qū)域布置在船池內(nèi)航道上。

3.3 實驗數(shù)據(jù)采集及分析

船模在出發(fā)端進(jìn)行氣體壓力調(diào)整，使微孔陶瓷管均勻地產(chǎn)生大小和數(shù)量達(dá)到要求的微氣泡后，船模以設(shè)定的速度直線自航，同時測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。記錄整個實驗過程。圖7～9所示為實驗過程圖片。

圖7 水池拖車下的自航尾流模擬

圖8 船模經(jīng)過照度測試系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)資料，艦船尾流中的有效氣泡尺寸約為80～300 μm，本次實驗中通過參照對比法，即通過與頭發(fā)絲（直徑：64 μm）和細(xì)鐵絲（半徑：437 μm）拍照對比的方法進(jìn)行氣泡尺寸的驗證。通過對比發(fā)現(xiàn)，大部分的氣泡尺度都在頭發(fā)絲和細(xì)鐵絲的半徑范圍內(nèi)（見圖10），由此判斷本實驗?zāi)M裝置產(chǎn)生的尾流氣泡尺度符合實際情況。實驗中，自航條件下尾流的擴(kuò)散寬度約為2倍船模寬度，尾流深度約為模型吃水的2.4倍，與實際艦船尾流特征情況相符。

圖9 船模經(jīng)過后照度測試場中的模擬尾流場擴(kuò)展

圖10 微泡尺寸分析對比圖

3.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析

經(jīng)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理生成的圖像如圖11所示?？梢?，在照度計穩(wěn)定后，出現(xiàn)一個照度突然下降到1200lx左右又馬上恢復(fù)的過程，此時正好是船舶經(jīng)過時船體擋住照度計，后續(xù)照度持續(xù)下降又逐漸恢復(fù)，就是因為水中尾流氣泡的散射、折射等引起的，隨著時間的推移，微氣泡逐漸減少，最終照度值又恢復(fù)到初始值。在ΔT這段時間內(nèi)，照度強(qiáng)度出現(xiàn)明顯變化，這段時間中尾流產(chǎn)生的微氣泡比較集中，消失時間在31.92 s左右，說明在微氣泡場和湍流場相融合的模擬方式是有效的，能模擬實際尾流場。由于考慮到照度計的精度，當(dāng)氣泡量減少到一定數(shù)量后，照度計將不能測量。實驗測試數(shù)據(jù)與某滾裝船尾流測試聲尾流測試系統(tǒng)進(jìn)行對比［8］，如圖12所示，其尾流聲散射強(qiáng)度隨時間的變化是在一個時間段內(nèi)，聲散射強(qiáng)度先逐漸變小再逐漸增大，在少量氣泡存在的情況下仍有散射強(qiáng)度的變化?？傮w而言，兩者的變化趨勢一致，驗證了實驗室模擬效果的可行性和有效性。

圖11 模擬尾流照度E隨時間的變化（ΔT=31.92 s）

圖12 滾裝船聲尾流聲散射強(qiáng)度隨時間的變化［8］

3.3.2 聲尾流測試數(shù)據(jù)分析

為驗證艦船尾流模擬方法及基于照度的艦船尾流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性，實驗過程中同時用聲尾流測試系統(tǒng)對尾流聲散射強(qiáng)度進(jìn)行測試，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，選擇比較有代表性的3、4單程（見圖13），在同一航次測試過程中，聲尾流散射強(qiáng)度隨時間的變化逐漸減小，隨時間的推移，微泡逐漸消失，且微泡在湍流場中消失緩慢，存留時間較長。圖14為某船實際尾流在不同航速下的聲尾流散射強(qiáng)度隨時間的變化［8］。由圖13、14比較可見，其數(shù)據(jù)曲線變化趨勢一致，說明模擬尾流與實船尾流場的聲散射強(qiáng)度隨時間變化趨勢一致。進(jìn)一步證明了艦船尾流模擬方法的可行性和基于照度的艦船尾流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的有效性。

圖13 模擬尾流聲散射強(qiáng)度隨時間的變化

圖14 不同航速下尾流聲散射強(qiáng)度隨時間的變化［8］

4 結(jié)語

將科學(xué)研究與實驗教學(xué)相結(jié)合是實驗教學(xué)改革的重要手段，對教學(xué)水平的提升和學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常重要。本文在構(gòu)建一種微氣泡場與湍流場相融合的艦船尾流實驗水池模擬方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)流場中氣泡數(shù)量及尺寸會使光的透射信號產(chǎn)生顯著區(qū)別這一特點(diǎn)，研發(fā)了一種基于照度的艦船模擬尾流測試系統(tǒng)，并通過水池實驗驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。實驗中的模擬裝置和測試系統(tǒng)都不會產(chǎn)生污染，滿足綠色實驗的要求?；谡斩鹊呐灤M尾流測試方法具有結(jié)構(gòu)明易、操作簡單、便于觀察、成本低等特點(diǎn)，便于學(xué)生直觀了解和掌握艦船尾流特性。