船舶喷气减阻模型试验中的阻力分布测量机构的制作方法

本发明涉及船舶水动力学试验技术领域，具体涉及喷气减阻模型试验，尤其涉及喷气减阻模型试验中的阻力测量机构。

背景技术：

传统的小尺度模型喷气减阻性能研究，主要是通过测量一块小尺度平板在喷气状态时总阻力的变化而获得。从大量试验研究以及少量实船结果反馈表明，目前，此类模型试验方法获得减阻效果与实船有着巨大差别，主要原因有二：一方面，试验模型尺度小，雷诺数低以及边界条件的不同，流体在模型表面的运动与实船不相似；另一方面，在小尺度平板上，气泡能很地的包裹平板而不至于过早逃逸扩散出平板外侧。试验中平板尺寸越小或水速越高，其减阻效果越明显，而实船底部平板尺度远大于模型，气泡在小尺度平板上的吸附特性并不会根据尺度的增大而保持，气泡喷出后很快扩散及逃逸，达不到小尺度模型试验时取得的减阻效果。因此，船舶喷气减阻利用小尺度模型试验的方法存在固有缺陷，无法根据模型试验结果准确预报实船喷气减阻的效果与持续距离，而在大尺度模型试验中，因模型尺度大，气体在水中上浮逃逸及扩散快，影响试验则量的准确性。常规的总阻力测量方法由于气泡边缘边界条件与实船相差较大而无法进行有效换算，同时总阻力测量方法，无法模拟气泡减阻持续距离，不利于实船应用。

技术实现要素：

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种船舶喷气减阻模型试验中的阻力分布测量机构，其能够有效测量喷气状态下离喷口不同距离位置的减阻效果及气体持续减阻经济距离，测量结果准确可靠。

本发明的技术方案如下：

本发明所述船舶喷气减阻模型试验中的阻力分布测量机构，包括沿待测模型纵向间隔布置的至少三个测力单元，所有测力单元至少分布在待测模型纵向的头部、中部和尾部；测力单元包括测力板及固接在测力板上方的测力传感器；待测模型为双层平板结构，测力传感器上端与待测模型的上层平板固接，待测模型的下层平板设有贯穿的安装槽，测力板悬置于所述安装槽内，且测力板的四周与所述安装槽的四周留有气隙；每个测力单元的四周均设有挡板，挡板的上、下两端分别与上层平板、下层平板之间密封固接，测力单元的四周挡板、上层平板、下层平板、测力板形成带有气隙的测力腔，所述测力腔的六个面中，只有下底面与测力板之间有气隙供气体进入，其它五个面为密封面，气体及水流无法流通。

其进一步技术方案为：

所述测力腔内设有绕流分隔板，绕流分隔板设在测力传感器的四周，绕流分隔板的上端与上层平板固接，绕流分隔板的下端悬设于上层平板上方。

所述绕流分隔板下端与下层平板之间的垂直距离小于上层平板与下层平板之间垂直距离的二分之一。

所述测力腔内设有气层观测单元，所述气层观测单元包括ccd，ccd通过固定架固定在所述测力腔内，下层平板上正对ccd摄像头的位置处设有透光窗口。

所述待测模型为按照一比一比例模拟实船船底的局部单元格的双层平板模型。

所述测力板上设有压力测量孔。

所述气隙的宽度为1mm。

所述测力板设在待测模型的横向中心位置处，且在高度方向上，测力板的上、下端与所述安装槽四周的下层平板上、下端齐平。

本发明的技术效果：

本发明使用大尺度模型进行水动力试验，并针对其大尺度模型试验在其纵向不同位置设置多个测力单元，能够测量沿喷气流程纵向阻力的分布规律；进一步将测力单元设置成仅带有气隙的密封测力腔，一方面可以使得气体通过该气隙上浮进入测力腔快速形成与外界的压力平衡，另一方面，能够防止气、水混合物在测力腔中形成紊流，有效解决了气泡上浮在测力腔内扰动水体对测量结果的干扰而导致的测量失真的问题，提高了阻力测量的准确性和可靠性；进一步在测力单元中在测力传感器的四周设置绕流分隔板，能够快速增加喷气状态下力的稳定性，进一步提高测量准确及可靠性。

本发明进一步在每个测力腔内设置气层观测单元，能够观测喷气状态下测力板下表面形成的气层形态，通过喷气量、压力条件、喷口形式的改变，与测量单元的结合使用，能够建立气泡特征与减阻特性之间的对应关系。

本发明通过纵向上设置的多个测力单元，不仅能够测量沿喷气流程纵向阻力的分布规律，通过喷气状态的改变，能够确定不同喷气状态时气泡减阻效果，根据喷气时待测模型纵向不同位置设置的多个测力单元获得的减阻率以及喷气时外界压缩机提供气源时所需的总功率，可获得喷气减阻总体效果以及最佳减阻经济效果的持续距离。

本发明优选使用与实船船底局部单元格按照1:1比例模拟的模型，在试验水池进行试验时，选择高雷诺数使得模型与实船的流体运动相似，确保本发明测量结果能够直接应用于实船喷气减阻性能预报。

附图说明

图1为本发明所述阻力分布测量机构的主视图，图中，仅示出设在待测模型纵向头部、中部、尾部的三个所述测力单元。

图2为图1中拆除上层平板后的俯视图。

图3为图1中在待测模型纵向上设置的单个所述测力单元的结构示意图。

图4为图3中a部放大图。

图5为图3的侧视图，图中示出了所述气层观测单元的具体构成。

图6为图5中拆除上层平板和横向上的两侧挡板后的俯视图。

图7为所述测力板的结构示意图。

图8为采用现有的平板模型试验在一定喷气状态下(喷气速度v＝3.0m/s,喷气量q＝120m³/h)下测得的阻力随喷气时间的变化曲线图。

图9为采用本发明所述阻力测量机构在一定喷气状态下(喷气速度v＝3.0m/s,喷气量q＝120m³/h)下测得的阻力随喷气时间的变化曲线图。

图10为采用本发明所述阻力测量机构在一定喷气速度下(喷气速度v＝5.0m/s)下通过阻力测量绘制的喷气量与无因次阻力系数的关系曲线图。

其中：1、待测模型；101、上层平板；102、下层平板；2、测力单元；201、测力板；202、测力传感器；3、气隙；4、挡板；5、绕流分隔板；6、气层观测单元；601、ccd；602、固定架；7、透光窗口；8、压力测量孔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2，本发明所述船舶喷气减阻模型试验中的阻力分布测量机构包括沿待测模型1纵向间隔布置的至少三个测力单元2，所有测力单元2至少分布在待测模型1纵向的头部、中部和尾部；见图3、图4，所述测力单元2包括测力板201及固接在测力板201上方的测力传感器202，待测模型1为双层平板结构，测力传感器202上端与待测模型1的上层平板101固接，待测模型1的下层平板102设有贯穿的安装槽，测力板201悬置于所述安装槽内，且测力板201的四周与所述安装槽的四周留有气隙3，优选在高度方向上，测力板201的上、下端与所述安装槽四周的下层平板102上、下端分别齐平，即测力板201在高度方向上正好填充整个所述安装槽；见图2、图3，每个测力单元2的四周均设有挡板4，挡板4的上、下两端分别与上层平板101、下层平板102之间密封固接，测力单元2的四周挡板4、上层平板101、下层平板102、测力板201形成带有气隙3的测力腔，通过四周挡板4使得所述测力腔形成除了气隙3与外界联通之外、其他地方均完全密封的腔体，可以防止气、水混合物在所述测力腔中形成紊流，气隙3的设置，是为了在喷气时，上浮的气体中的极少量气体可从该气隙3进入所述测力腔并快速形成与外界的压力平衡，从而消除气体上浮的紊流流动对被测量测力板201的下表面阻力测量的影响。

进一步地，见图3，所述测力腔内设有绕流分隔板5，绕流分隔板5设在测力传感器202的四周，绕流分隔板5的上端与上层平板101固接，绕流分隔板5的下端悬设于上层平板101上方，优选地，所述绕流分隔板5下端与下层平板102之间的垂直距离小于上层平板101与下层平板102之间垂直距离的二分之一。绕流分隔板5的设置，用以减小绕流，能够快速增加喷气状态下的力的稳定性，进一步防止因气体的紊流导致的其他阻力干扰，防止测量结果的失真，进一步确保测量的准确可靠性、

见图2、图5、图6，所述测力腔内设有气层观测单元6，气层观测单元6包括ccd601(ccd全称为chargecoupleddevice，中文翻译为电荷藕合器件)，ccd601通过固定架602固定在所述测力腔内，下层平板102上正对ccd601摄像头的位置处设有透光窗口7；从图2可知，气层观测单元6与测力单元2设在所述测力腔内，且二者沿着待测模型1的横向并排设置，且测力板201设在待测模型1的横向中心位置处，绕流分隔板5设在测力传感器202与气层观测单元6之间。气层观测单元6通过ccd601对下层平板102上的气层形态的摄像，从而能够观测喷气状态下下层平板102下表面的气层形态。

与传统的小尺度平板模型不同，本发明所述待测模型1采用大尺度平板模型，优选采用按照一比一比例(即1:1比例)模拟实船船底的局部单元格的双层平板模型，所述气隙3的宽度优选为1mm；见图7，为了能够同时监测喷气状态下下层平板102下表面的气层压力变化，在测力板201上设有压力测量孔8。

当整个待测模型1置于试验水池中，选择较高雷诺数(如大于2×10⁷，以模型总长为特征长度)确保与实船的流体运动尽可能相似，本发明通过设置在待测模型1纵向上的多个测力单元2，可以测得距离喷气口不同位置处的阻力，从而确定阻力在待测模型1纵向上的分布规律，即确定喷气流程纵向上的阻力分布规律；通过改变喷气状态，通过测力单元2在不同喷气状态下的阻力测量，可以获得阻力随喷气状态的变化规律；通过气层观测单元6，观测喷气状态时的测力板201下表面的气层状态，从而确定不同喷气状态时气层减阻特性与气层形成的气膜形态之间的对应关系，根据喷气时沿待测模型1纵向测量获得的减阻率以及喷气时外界压缩机提供气源时所需的总功率，可获得喷气减阻总体效果以及最佳减阻经济效果的持续距离。图8为采用现有的平板模型试验在一定喷气状态下(喷气速度v＝3.0m/s,喷气量q＝120m³/h，待测模型纵向头部、中部的两个测力单元处已形成气膜)下测得的阻力随喷气时间的变化曲线图，图中，横轴为喷气时间，纵轴为测得的阻力，从图8可以看出，气体从测力板201四周的气隙3上浮在所述测力腔内形成扰动，测力板201的下表面受力很不稳定，且其平均力不但不为阻力，且显示为向前(与来流方向相反)的力，显示测量结果受气体上浮扰动的干扰，致使其他表面阻力也被测量，导致测量结果失真。在相同喷气状态(喷气速度v＝3.0m/s,喷气量q＝120m³/h)下，图9为采用本发明所述阻力测量机构在该喷气状态下测得的阻力随喷气时间的变化曲线图，图中，横轴为喷气时间，纵轴为测得的阻力，从图9可以看出，测得的测力板201下表面阻力维持在零附近，由于采用了所述测力腔的密封措施和绕流分隔板5的设置，喷气时，一方面，气体从气隙3上浮进入所述测力腔，并在腔内快速形成与外界的压力平衡，同时于所述测力腔除气隙3以外的密封处理及绕流分隔板5的设置，可消除气体上浮的紊流流动对测力板201下表面阻力测量的干扰，确保测量的稳定及准确。以图2所示的三个测力单元2为例，图10为采用本发明所述阻力测量机构在一定喷气速度下(喷气速度v＝5.0m/s)下通过阻力测量绘制的喷气量与无因次阻力系数的关系曲线图，图中，横轴为喷气量，纵轴为无因次阻力系数，图10显示了图2中待测模型1纵向不同位置处利用所示三个测力单元2测得并处理得到的减阻效果，图中1#、2#、3#所示曲线分别代表图2中沿待测模型1纵向头部、中部、尾部位置设置的三个测力单元2测得并通过数据处理得到的阻力系数与喷气量的关系曲线，从图10中的三条曲线可知，随着喷气量的增加，待测模型1纵向头部、中部、尾部的减阻效果随着喷气量的增加而变优，当喷气量q＝100m³/h时，在待测模型1纵向头部的减阻效果要优于其他位置的减阻效果，而当喷气量q在230m³/h左右时，待测模型1纵向中部的减阻效果要差于尾部和头部的气层减阻效果，当喷气量q达到3000m³/h左右时，待测模型1纵向头部、中部、尾部的减阻效果相差不大，考虑到喷气量达到一定程度时，减阻效率并未有明显提升，且对于装置能耗将会增加，因此可根据图10所述曲线选取待测模型纵向各位置减阻效果趋于平缓的点确定最佳喷气量范围。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。