水下浮筒平台流体阻力试验研究

仝志永 刘金标

摘  要：为研究水下浮筒平台在河道内受到的流体阻力，设计了水下浮筒平台模型流体受力水池试验，研究了不同流线体外型随河道流速变化的阻力系数和升力系数，为浮筒平台结构设计和水下平台外型设计提供了参考。

关键词：水下浮筒平台;流体阻力系数;试验研究

中图分类号：P75 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）16-0017-03

Abstract： In order to study the fluid resistance of the underwater buoy platform in the river， the fluid force pool test of the underwater buoy platform model is designed， and the resistance coefficient and lift coefficient of different streamline body with the river velocity are studied. It provides a reference for the structural design of buoy platform and the appearance design of underwater platform.

Keywords： underwater buoy platform; fluid resistance coefficient; experimental study

引言

水下浮筒平台是某水下浮动平台的主体结构，其在河道内受到的流体阻力直接影响浮筒平台的结构变形、姿态和晃动。本文借鉴国内研究水下工程结构流体阻力的通用方法，通过模型水池拖曳试验研究水下浮筒平台不同流线外型在不同流速场中的阻力系数和升力系数，为浮筒平台结构设计和水下平台外型设计提供了参考。

1 试验模型及原理

如表1所示，缩比0.432制作钢制的强制拖曳水池模型原型结构，表面油漆抛光。

如图1所示，试验模型4个：模型M01为原型，M02为周围加围板，声纳座附近开口，M03是围板加尾部导流板，M04尾部有导流板。支柱上端部安装六分力天平。模型上下两端安装封板，起止流作用，防止端部涡流产生及减少支柱与测试体之间的水流干扰。测试模型翼型支柱连接在拖车上，支柱与模型之间用端板隔开，减少之间的水流干扰。

水下平台工作在距离水面较深的流场中，自由面的影响可以忽略不计，受到的主要是流体的粘性力，因此试验过程中满足粘性相似，即满足雷诺数相等。水池试验中为了减少自由面的干扰，按照水下航行体试验的相关规程，测试体上端点距离水面大于2倍测试体直径。试验过程测试体上端点距离水面约0.36m，自由面对测试体的流体力可以忽略不计。

模型流体力按雷诺相似准则进行，即在满足雷诺数相等的前提下，作用在模型上的流体力系数和作用在实物上的相等。试验状态设计如表2所示。

2 测试设备

2.1 拖车系统

水池拖车是由四台22kW直流电机驱动，拖车主要作用拖曳试验模型在水面作匀速运动。拖车控制系统采用德国SIEMENS 6R24 全数字直流调速系统，该系统所有控制、调节、监视、都由功能极强的16位微处理器来实现。整个拖车由计算机自动控制，因此具有较高的稳速精度。

拖车系统的主要技术指标为：

（1）速度运行范围：0.1～8.0m/s

（2）稳速精度：0.1%

2.2 六分力天平

六分力天平的主要技术指标为：

（1）量程：20kg

（2）精度：0.1%

2.3 数据采集系统

本系统主要由硬件，软件两部分组成。如图2所示，硬件包括多组十六路信号放大处理器、采集卡和计算机等，软件主要包括窗体模块和标准数学分析模块。

信号放大处理器主要技术指标：

（1）采样通道：16路

（2）输入阻抗：>2MΩ

（3）零点漂移：0.05%

（4）精度：0.05%

（5）D/A转换板：12位    精度  0.015%

3 试验结果

在水温20.0℃，水密度：101.8kg.s2/m4，运动粘性系数1.0067×10-6m2/s的条件下开展试验，测试连接支柱的流体力、各模型的流体阻力和升力等，连接支柱的流体力如表3所示，扣除连接支柱流体力后各模型的受力结果如表4所示。

统计表4数据，可得各模型阻力及升力系数曲线。

4 试验结论

通过分析图3和4所示数据，可得如下结论：

（1）平台两圆柱体之间的流体干扰力较大，加装围板对减少流体两柱体之间的流体干扰非常有用。

（2）加装了围板后对阻止平台柱体之间的水流干扰起到了明显的作用，从结果也可以看到平台的阻力相对于原型有一定程度的减小，低速时升力有明显降低，但当速度较高时，升力有所增加。

（3）在加裝围板的基础上加装尾导流板后，阻力和升力明显降低，说明此时对平台稳定性有较有利。

（4）若平台两柱体之间开口，加装导流板的效果不好，且加上导流板后，增加了平台流向的长度，柱体之间的扰动水流在尾导流板上形成了较大的扰动力矩，不利于平台在水中的稳定工作，因此不建议采用此种状态。

（5）平台上下不对称流动导致受到的升力方向发生了根本性的变化，M01和M04由于试验中平台上方安装了声纳，相当于阻止了上部的水流窜向下部，致使平台受到向上的流体力;而当加装围板后，由于声纳座一侧开口，水流从声纳一侧窜向平台柱体之间，导致产生向下的升力，升力的方向完全改变。

参考文献：

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