王运龙， 张 欣， 金朝光， 管 官， 廉立晨
（大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024）
舰船在海上航行时，舰船尾部在海水中产生大量的气泡，形成一条呈带状的气泡场，这就是尾流。尾流形成的原因包括螺旋桨工作、海浪翻滚、破碎以及空气卷吸入水等等［1］。尾流具有稳定、持续时间长、物理性质显著、可被有效探测等特点［2］。从尾流的光学、声学、热学以及电磁学等多种物理特性中可以获取有关船舶的关键信息，如：速度、前进方向、所在位置等，这也是目标追踪和反潜武器制导的物理学基础［3］。
舰船尾流气泡在一定的深度螺旋上浮，并且气泡的上浮路径受到螺旋桨所生成湍流场的影响［4-6］。船体和螺旋桨产生的气泡离开舰船后，大气泡会破碎和迅速上浮，微小气泡会溶解而消失，舰船尾流主要剩下直径80～300 μm的气泡存留时间较长，它们形成的尾流场也是鱼雷探测的主要目标［7-10］。针对舰船尾流的研究大都是基于舰船进行在海上试验，花费资金巨大、可视化差、时间不可控，同时海况也不利于规律的探索、总结［11］。实验室中模拟生成气泡尾流场的方法主要有如下几种：电解水法、微孔喷气法和化学反应法等。上述方法存在一个共同的问题就是仅产生尾流中的气泡而无法模拟舰船运动产生的流场［12］。水池模拟尾流的强度测试主要是声尾流测试系统，价格昂贵，且不利于学生对舰船尾流特性的直观观测。
针对上述问题，本文在构建一种既能模拟舰船尾流气泡场又能模拟尾流湍流场的新型舰船尾流模拟方法，实现在舰船气泡尾流场初生、扩散、消失全寿命周期要素模拟的基础上，根据流场中的气泡膜会使光的透射信号产生显著变化这一特点，结合舰船模拟尾流在水池实验测试过程中的实际需求，设计、开发了一种基于照度的舰船模拟尾流测试系统。
测量照度的仪器称作照度计，照度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表组成。硒光电池是把光能直接转换成电能的光电元件。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上产生光电效应。产生电位差的大小与光电池受光表面的照度有一定的比例关系。这时如果接上外电路，就会有电流通过，电流值可从以勒克斯为刻度的微安表上指示出来［13］。光电流的大小取决于入射光的强弱和回路中的电阻［14］。模拟尾流场中气泡量的多少和气泡尺寸的大小都会使尾流场的光学特性产生明显的差异［15］。
针对舰船模拟尾流场中气泡对光透射性的影响，自主设计、开发了基于照度的舰船尾流数据采集测试系统，其构成如图1所示。
图1 模拟尾流数据采集测试系统构成
系统依据尾流场中气泡密度和尺度等因素的变化引起照度计采集到的数据变化，对气泡的存留时间和照度变化进行数据采集测试。舰船尾流数据采集处理系统主要由计算机、模拟量输出模块、空压机、微孔陶瓷管、数据采集卡、照度计、高速摄像机和光源等构成，具体参数见表1。
表1 照度尾流数据采集系统主要设备清单
实验过程中，密封在透明盒中的光源和照度计由支架安装在水池船舶模型经过的通道中，光源和照度计成一水平线，光源对准照度计，其所处水深度与船舶模型的吃水相对应，使船舶模型经过所产生的尾流场正处于两者中间。空压机产生的高压空气经由通气管通到微孔陶瓷管，在船模螺旋桨产生的流场作用下进一步破碎和运动，开启光源和照度计，可以稳定地采集水池实验环境数据，图2所示为实验用照度计和水下光源，图3为数据采集系统及水下部分安装形式。
图2 照度计和水下光源
图3 数据采集系统及水下部分安装形式
为进行对比验证，实验采用垂向声尾流测试系统进行数据测量。声尾流测试系统配备中心频率为400 kHz，包括水下测试部分和水上测试部分，可获取尾流的垂直散射强度、深度等随时间的变化。水下测试部分包含应答定位设备、尾流测试信号源、发射机、发射阵、接收阵、程控滤波、高速数据采集传输设备；
水上测试部分装载姿态及光学图像显示，尾流测试数据实时控制、处理、存储显示等；
水下测试部分和水上测试部分之间通过由光纤电缆组成的脐带连接。在水池模拟尾流测试过程中数据采集端（水下测试部分）直接悬挂与池壁的预定深度，数据接收端（水上测试部分）位于拖车轨道外，布置如图4所示。
图4 声尾流测试系统
3.1 实验方案设计
针对舰船尾流模拟的研究内容及拟解决的关键性问题，提出利用高压空气和微孔陶瓷管喷气造微泡的方法进行气泡场的模拟和利用模型自航实验进行湍流场的模拟相结合的舰船尾流实验水池模拟方法，在自航模型尾部舵叶的位置安装舵形微孔陶瓷管，舵形微孔陶瓷管外形可按照模型舵叶尺寸进行设计加工，通气后可均匀产生微泡，该方法既不会破坏由自航产生的尾部湍流场，又能够产生大小相当、数量足够的舰船尾流气泡。
根据前面讲述的模拟方法，设计了舰船尾流模拟系统，如图5所示。
图5 舰船尾流模拟系统结构图
所述舰船流场模拟系统主要由船模、螺旋桨、传动轴、推进电动机、舵形微孔陶瓷管、高压气源、压力控制阀、气体压力计、通气管等组成。推进电动机通过传动轴带动螺旋桨提供船模自航所需的动力，通过调节推进电动机的转速和船模吃水，实现不同航速、不同装载条件下舰船尾部模拟流场的生成。气源（空气压缩机）经由通气管依次连通的压力控制阀、气体压力计、最终在微孔陶瓷管表面均匀产生微气泡。通过调整气体压力的大小，可调整产生微气泡的大小和数量，使其最终达到舰船尾流模拟的要求。在船模自航过程中，按设定的压力向形微孔陶瓷管中注入气体，生成含有大量微气泡湍流场，实现气泡场与船舶尾部湍流场的耦合模拟。
3.2 实验系统简介
实验采用一艘货船模型进行实验验证和数据采集分析。模型船长5.4 m，船宽0.85 m，型深0.45 m，设计吃水0.30 m，自航速度0.5～1.0 m/s。
实验过程中利用4根0.1 μm的微孔陶瓷管组合作为微泡发生器固定于舵叶的位置，布置安装如图6所示。
图6 船模下微孔陶瓷管固定图
气源（空气压机0.8 MP）等固定在拖曳水池拖车上。舰船尾流数据采集测试系统和声尾流测试系统按实验要求分区域布置在船池内航道上。
3.3 实验数据采集及分析
船模在出发端进行气体压力调整，使微孔陶瓷管均匀地产生大小和数量达到要求的微气泡后，船模以设定的速度直线自航，同时测试系统进行数据采集。记录整个实验过程。图7～9所示为实验过程图片。
图7 水池拖车下的自航尾流模拟
图8 船模经过照度测试系统
根据文献资料，舰船尾流中的有效气泡尺寸约为80～300 μm，本次实验中通过参照对比法，即通过与头发丝（直径：64 μm）和细铁丝（半径：437 μm）拍照对比的方法进行气泡尺寸的验证。通过对比发现，大部分的气泡尺度都在头发丝和细铁丝的半径范围内（见图10），由此判断本实验模拟装置产生的尾流气泡尺度符合实际情况。实验中，自航条件下尾流的扩散宽度约为2倍船模宽度，尾流深度约为模型吃水的2.4倍，与实际舰船尾流特征情况相符。
图9 船模经过后照度测试场中的模拟尾流场扩展
图10 微泡尺寸分析对比图
3.3.1 数据采集系统测试数据分析
经由系统数据处理生成的图像如图11所示。可见，在照度计稳定后，出现一个照度突然下降到1200lx左右又马上恢复的过程，此时正好是船舶经过时船体挡住照度计，后续照度持续下降又逐渐恢复，就是因为水中尾流气泡的散射、折射等引起的，随着时间的推移，微气泡逐渐减少，最终照度值又恢复到初始值。在ΔT这段时间内，照度强度出现明显变化，这段时间中尾流产生的微气泡比较集中，消失时间在31.92 s左右，说明在微气泡场和湍流场相融合的模拟方式是有效的，能模拟实际尾流场。由于考虑到照度计的精度，当气泡量减少到一定数量后，照度计将不能测量。实验测试数据与某滚装船尾流测试声尾流测试系统进行对比［8］，如图12所示，其尾流声散射强度随时间的变化是在一个时间段内，声散射强度先逐渐变小再逐渐增大，在少量气泡存在的情况下仍有散射强度的变化。总体而言，两者的变化趋势一致，验证了实验室模拟效果的可行性和有效性。
图11 模拟尾流照度E随时间的变化（ΔT=31.92 s）
图12 滚装船声尾流声散射强度随时间的变化［8］
3.3.2 声尾流测试数据分析
为验证舰船尾流模拟方法及基于照度的舰船尾流数据采集系统的有效性，实验过程中同时用声尾流测试系统对尾流声散射强度进行测试，实验数据经处理后，选择比较有代表性的3、4单程（见图13），在同一航次测试过程中，声尾流散射强度随时间的变化逐渐减小，随时间的推移，微泡逐渐消失，且微泡在湍流场中消失缓慢，存留时间较长。图14为某船实际尾流在不同航速下的声尾流散射强度随时间的变化［8］。由图13、14比较可见，其数据曲线变化趋势一致，说明模拟尾流与实船尾流场的声散射强度随时间变化趋势一致。进一步证明了舰船尾流模拟方法的可行性和基于照度的舰船尾流数据采集系统测试数据的有效性。
图13 模拟尾流声散射强度随时间的变化
图14 不同航速下尾流声散射强度随时间的变化［8］
将科学研究与实验教学相结合是实验教学改革的重要手段，对教学水平的提升和学生综合素质的培养非常重要。本文在构建一种微气泡场与湍流场相融合的舰船尾流实验水池模拟方法的基础上，根据流场中气泡数量及尺寸会使光的透射信号产生显著区别这一特点，研发了一种基于照度的舰船模拟尾流测试系统，并通过水池实验验证了系统的可行性和有效性。实验中的模拟装置和测试系统都不会产生污染，满足绿色实验的要求。基于照度的舰船模拟尾流测试方法具有结构明易、操作简单、便于观察、成本低等特点，便于学生直观了解和掌握舰船尾流特性。
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