基于 PIV 的船首气泡下扫现象试验研究

张福民，张 勇，魏少鹏，郭春雨，赵庆新

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于 PIV 的船首气泡下扫现象试验研究

张福民1，张 勇1，魏少鹏2，郭春雨2，赵庆新2

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

以某载人潜水器支持母船为研究对象，通过气泡发生器产生气泡来模拟该船在正常航行时的气泡条件，气泡的位置通过 PIV 测量系统观测与拍摄，从而捕捉到气泡流的运动轨迹。通过对试验结果的分析，较为有效的显现了气泡下扫以及气泡流迹的现象，同时证明了船体邻近水域内气泡流迹并不是简单的水平和垂向速度的合成。

气泡发生器；PIV；下扫；气泡流迹

0 引 言

船舶航行过程中，破碎波产生的白色泡沫，浪花水滴和气泡云是海洋中存在的普遍现象[1]。当风速大于 10 m/s（5 级及 5 级以上风速）时，气泡将加剧海气相互作用，且在 1～20 kHz 频带内海洋噪声的产生与海洋波浪破碎产生的气泡直接相关[2]。当气泡浓度过大时，会影响声波在海洋中的传播速度[3]，同时由于水的粘性，及球首自由液面压力较低，会造成气泡没入水面，甚至随流线下洗到船舶底部。这些现象不仅影响了船舶水下设备的工作性能，更缩减了器材的使用寿命。因此，研究水下气泡流的运动轨迹对避免气泡所产生的危害有着十分重要的意义。

关于静水中单一气泡运动特性研究，对较小的气泡，Ishii 等[4]建立了两群界面浓度运输方程表征不同尺寸气泡动力特性，较大气泡运动特性。李仲春等[5]通过高速摄像机捕捉，数字图像处理技术得到。关于气泡群的研究，蒋炎坤等[6]通过改进的 RKF 法获得水下气泡群三维运动特性，得出相邻气泡碰撞聚集成大气泡概率低的结论。潘华辰[7]通过对不同尺度气泡群的试验研究，得出了气体流量对气泡尺度的上升变化趋势影响不大的结论。而在运动水域气泡流轨迹研究上，2001 年 Waniewski 等[8]对船首破波气泡流进行试验测量，得出气泡云扰动频率与破波气泡分布规律。Matias Perret 等[9]以尺度 6 m 科考船船模为选定模型，通过 Double-tip sapphire 光学探针技术对船模气泡流进行观测，得出了不同航速、水体盐度工况下气泡流运动轨迹及分布规律。数值模拟上，D.Rolland 等[10]进行了夹杂空气的气泡流模拟得到了气泡流的轨迹并对比多种消泡装置的消泡效果。

已有的研究工作多从单一气泡、气泡云运动特性和分布规律上考虑，而船体型线对气泡运动特性影响的研究较少，也并未对单一气泡流沿船体表面流动轨迹进行试验研究。

本试验中通过摄像定点捕捉和图像处理技术，得出单一气泡流运动轨迹及其运动规律。初步证明了船体邻近流域内气泡流的运动轨迹并不是气泡水平和垂向速度的简单合成。这对研究船体在复杂水域气泡流运动规律有着一定的参考作用，对科考船流域气泡轨迹的初步预测具有相当的实用价值。

1 试验设备

1.1 试验模型与试验工况

图 1 为某载人潜水器支持母船，选定该船型为气泡测量模型。该船实船与模型具体参数见表 1，试验工况见表 2。

图 1 潜水器母船的模型Fig. 1 Submersible mother ship model

表 1 载人潜水器支持母船船体参数Tab. 1 Parameters of the manned submersible mother ship

表 2 载人潜水器支持母船试验工况Tab. 2 Test conditions of manned submersible vessel

1.2 DANTEC 随车式水下 PIV 测量系统

监测设备为粒子成像测速仪（PIV），如图 2 所示。具体设备如下：

CCD 分辨率 2 048 × 2 048 pixels；

激光器最大脉冲能量 1 200 mJ；

激光光束持续时间 4 ns；

激光波长 532～1 064 nm；

片光厚度 0.6 mm；

测量区域大小 400 mm × 400 mm；

PIV 示踪粒子见图 2，聚酰胺示踪粒子（PSP-50 μm）。

图 2 粒子成像测速仪（PIV）与示踪粒子Fig. 2 Particle image velocimetry and seeding particle

图 3 气泵Fig. 3 Air pump

图 4 通气孔Fig. 4 Air vents

1.3 气泡生成装置

在常压水池条件下，试验模型的尺度不产生或产生较少的气泡，且水池水体中气核分布状况与实际有所不同，故而采用人工气泡的方式来满足船舶实际航行的气泡条件。在试验过程中试验气泡由气泵（见图 3）产生，经由通气孔（见图 4）进入水体通气。通气孔安装位置为球鼻首顶端，以距基线以上每 40 mm 一个孔位埋装，自液面向下分别对应气水交界面产生的气泡，破波气泡，球首下降气泡。拖曳试验在哈尔滨工程大学拖曳水池进行。

2 试验方法与结果分析

2.1 试验方法

用通气管将气泵及船首部的通气孔相连，通过调节气泵阀门的大小来控制气体的流量从而模拟出不同大小的气泡。船体由拖曳系统带动船模并给定航速航行，Vm = 1.68 m/s（缩尺比为 14，相当实船 12 kn），从而使得气泡随船体附近水域流线流动。向水池中播撒 PIV 示踪粒子，通过随动 PIV 雷体发射与船体行进方向垂直的激光片光照亮水中的粒子，通过摄像系统记录照亮区域内水域情况，进而进行单帧照片分析，从一次航向中取若干照片组作为此位置母船的水下气泡生成预报。通过多次不同位置测量确定气泡生成，发展，泻出的状况及流动轨迹。本文选取 3 个观测点进行测量，测量区域见示意图 5，试验监测系统如图 6所示。

图 5 测量区域Fig. 5 Measurement area

图 6 监测系统Fig. 6 Monitoring system

2.2 试验分析

试验通过选取 3 点不同位置进行单帧照片分析，得出对应位置的气泡位置，生成云图。进而得出某一通气孔的连续气泡迹线。考虑到试验结果的相似性，本文以球首下降气泡进行单独分析。分析结果如图 7 所示。

在图（a）中，气泡区域相当于实船声学测量装置后方。气泡区域到基线的距离为 15 cm，气泡中心区域坐标为（45，15），在 3 个观测面中气泡所占区域最大。

在图 7（b）中，气泡区域相当于实船声学测量装置前方，气泡区域到基线的距离为 18 cm，气泡中心区域坐标为（28，18），在 3 个观测面中气泡所占区域适中。

在图 7（c）中，气泡区域相当于实船球鼻首区域，气泡区域到基线的距离为 23 cm，气泡中心区域坐标为（8，23），在 3 个观测面中气泡所占区域最小。

由 3 个观测面气泡流分布可知，当气泡沿船体随流线运动时，气泡流逐渐向下运动并向四周发散，气泡域逐步扩大。并且由于气泡的脉动性不规律性，气泡流并非单一气泡构成的轨迹，而是以气泡团的形式振荡流动。

2.3 结果分析

最终，根据选定点气泡流动轨迹信息得到气泡流轨迹云图 8。图中船体分界线为自由液面，流线表示为气泡流的轨迹线，可以明显看出船舶航行时，由于气泡本身的浮力，气泡流先自球首上升，后可观测到明显的下洗现象，而不是静水螺旋上升与水平航速的简单合成。气泡流在船舯时位于船舶舭部，这对实船型线优化前气泡团流经船底有着明显的改善，可见该船体型线在优化过后，能够一定程度减缓气泡流的下洗，减小了对船底声呐等可靠设备的干扰。对于气水交界面产生的气泡，破波气泡，该船型具有同样降低气泡干扰的效果。

图 7 不同截面对应的气泡分布Fig. 7 Bubble distribution in different section

图 8 连续气泡迹线Fig. 8 Trail of Continuous bubbles

3 结 语

本文试验较好验证了科考船在以设计航速航行时气泡流迹的下洗现象，但气泡并未下洗到船舶底部。通过摄像观察，气泡最终在船中舭部上浮直至最终溃灭。证实了气泡流在船体表面的运动速度和方向并不是水平和垂向运动的简单合成，气泡流运动是以气泡团的形式振荡扩散向船尾流动的。由于试验条件的限制，本文仅是对单一工况下进行基础性试验研究。对风浪流相互耦合作用，气泡尺寸大小及分布的不规则性，船舶不同航速不同吃水等复杂工况的后续研究本试验仍有很大的借鉴意义。

[1]刘凤, 刘志华, 郑君杰, 等. 基于双针光纤探头改进的破碎波卷入气泡尺寸测量方法研究[J]. 水动力学研究与进展, 2013, 28(3): 283–290.

[2]FARMER D M, MCNEIL C L, JOHNSON B D. Evidence for the importance of bubbles in increasing air-sea gas flux[J]. Nature, 1993, 361(6413): 620–623.

[3]FARMER D M, VAGLE S V. Waveguide propagation of ambient sound in the ocean-surface bubble layer[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1989, 86(5): 1897–1908.

[4]ISHII M, HIBIKI T. Thermo-fluid dynamics of two phase flow[M]. US: Springer, 2006: 79–105.

[5]李仲春, 宋小明, 姜胜耀, 等. 静水中较大气泡运动特性实验研究[J]. 核动力工程, 2015, 36(1): 161–164.

[6]蒋炎坤. 水下气泡群运动特性及其三维数值模拟研究[J]. 武汉理工大学学报, 2005, 27(4): 72–74. JIANG Yan-kun. Research on movement characteristic and 3D numerical simulation of many bubbles in water[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2005, 27(4): 72–74.

[7]潘华辰, 章慧. 静水中气泡群上升规律的实验研究[J]. 水动力学研究与进展, 2012, 27(5): 575–581.

[8]WANIEWSKI T A, BRENNEN C E, RAICHLEN F. Measurements of air entrainment by bow waves[J]. Journal of Fluids Engineering, 2001, 123(1): 57–63.

[9]PERRET M, CARRICA P M. Bubble–wall interaction and two-phase flow parameters on a full-scale boat boundary layer[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2015, 73: 289–308.

[10]Rolland D, FORGACH K, CLARK P, et al. Hull and sonar mount design for reducing bubble sweepdown on oceanographic research vessels[C]//Proceedings of the 2010 oceans IEEESydney. Sydney: IEEE, 2010: 1–7.

Research on the test of phenomenon of bow bubbles sweeping down based on PIV

ZHANG Fu-min1, ZHANG Yong1, WEI Shao-peng2, GUO Chun-yu2, ZHAO Qing-xin2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Researching on a manned submersible carrier, producing bubbles by the bubble generator to simulate the ship sailing in the normal condition, the position of bubbles was observed and shot by the PIV measurement system. And the trajectory of the bubble flow was captured. Through analyze the results of the test, showing the phenomena of the bubbles sweeping down and the trail of the bubbles, and proves that the velocity of the bubbles was not a simple synthetic of horizontal and vertical velocity.

the bubble generator；PIV；sweep down；trail of bubble

O427.4

A

1672–7619(2016)12–0026–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.005

2016–04–05；

2016–07–07

国家自然科学基金资助项目(51209048)

张福民(1956–)，男，研究员，研究方向为船舶总体设计。