基于高頻PIV技術(shù)淺水域船底水流結(jié)構(gòu)及其阻力特性研究.pdf

1、船舶在淺水航道中航行時(shí)，隨著水深與船舶吃水比的減小，船舶的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)發(fā)生很大變化，如阻力增加、船速下降、船體下沉與縱傾等，這些現(xiàn)象都是淺水效應(yīng)。發(fā)生淺水效應(yīng)時(shí)水流對(duì)船舶的作用過程相當(dāng)復(fù)雜，是航運(yùn)的經(jīng)典問題，但一直沒有明確其影響機(jī)理。目前水流結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究已取得一些成果，但進(jìn)展較為緩慢，鮮有涉及淺水航行方面的研究。而且西南水運(yùn)主要依托的上游山區(qū)河流段，多有淺水區(qū)，上行困難，常發(fā)生由此造成的水上交通事故，淺水效應(yīng)成為航運(yùn)蓬勃發(fā)展的阻礙之一。

2、淺水域船底水流結(jié)構(gòu)及其阻力特性的研究有著豐富的實(shí)踐意義和理論意義。本文基于高頻PIV流速測(cè)量系統(tǒng)對(duì)淺水域船底的水流場(chǎng)采樣，利用圖像處理得到流場(chǎng)流速，進(jìn)一步對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均和瞬態(tài)分析，得到淺水域船底水流結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合理論分析推導(dǎo)出阻力水平公式，計(jì)算分析水流結(jié)構(gòu)對(duì)阻力特性影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)均化處理，得到淺水域船底水流垂線流速和雷諾應(yīng)力分布符合明渠均勻紊流趨勢(shì)，但有所偏離，在船模邊界流速梯度極大，構(gòu)成了主要

3、的阻力貢獻(xiàn)區(qū);槽底和船模邊界以及船尾水流的紊動(dòng)程度極高。⑵基于瞬時(shí)流場(chǎng)分析得到淺水域船底水流不同區(qū)域的脈動(dòng)流速都在時(shí)均流速上下波動(dòng)。按照脈動(dòng)速度的象限分區(qū)，得出Q2和Q4結(jié)構(gòu)，尤其Q4，在淺水流場(chǎng)中占主導(dǎo)作用。Q4結(jié)構(gòu)從帶自由液面的明渠進(jìn)入船模底部到回到明渠整個(gè)過程中，歷了擠壓拉伸再上揚(yáng)的過程，在船尾變化劇烈。⑶淺水域船底水流中有不同形態(tài)的渦結(jié)構(gòu)。按形狀有圓形渦、橢圓形渦、帶狀渦和不規(guī)則渦;按位置分在船模到槽底的上中下均有分布;按旋轉(zhuǎn)方

4、向有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦;按傾斜方向分有水平渦、一三象限渦和二四象限渦。⑷發(fā)夾渦在流場(chǎng)中普遍存在，形成主要原因是不同等速流體團(tuán)之間的相互運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)烈的流速剪切面從而形成渦旋;水深主要影響渦帶的寬窄，吃水比愈小，整場(chǎng)發(fā)生渦旋概率愈大，而流速主要影響渦帶的位置分布，傅汝德數(shù)偏小，小概率區(qū)偏下。⑸在平板邊界層理論基礎(chǔ)上引入明槽尾流率公式，推導(dǎo)出適用于局部瞬態(tài)的阻力水平公式Rf=∫δ0ρudy(u*/Nn=船模邊界∑n=最大速度質(zhì)點(diǎn)(1