基于阻力性能最优的新型救生装置总体设计

曹稼秀， 李永正， 张瑞瑞

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

当发生海难时，救生装置是主要的救援设备[1]，救生装置能够及时高效、快速展开营救关系着遇险人员的生命安全[2]。现有用于海上救援的设备较少，主要为救生圈、救生衣和救生艇等，在救援时其施救效果并不太理想[3]。救生圈和救生衣主要用于遇险人员落水时的营救，而不是发生海难后的逃生设备，救生艇则因其体积大、重量重，不便于携带。

徐峻楠等[4]在传统救生圈的基础上设计出一种新型救生圈急救抛投装置。此款装置对救生圈加以改造，能够在夜间满足救援要求。别凯文[5]设计的新型救生圈包括3个内部可充气并可浮于水面上的充气体，充气体上均设有充气嘴，便于携带，使用方便。陈启祥等[6]针对现有救生装置体积较大、不便携带和不够智能等缺点自主研制一种可智能识别溺水并自动充气的便携式救生装置。刘燕等[7]研制一款新型爆胀式气囊装置，此款救生装置与传统潜航器应急救援手段相比，具有操作简单、可靠性高及发挥作用快等优点。

所设计的新型三体式救生装置(简称“救生装置”)是一种能够快速到达落水人员身边的救生设备，包括装置前体、装置侧体和连接桥。救生装置由于体积较小，便于携带和使用，能够实现快速救援。通过对救生装置的总体位置布局设计介绍，以阻力性能最优为研究指标，为后期新型救生装置的设计提供思路和数据支撑。

1 计算模型

救生装置的设计需满足《国际救生设备规则》的具体要求，如尺度、技术与功能要求等。根据这些要求确定救生装置的总体设计方案，在满足这些要求的同时以阻力性能最优为主要指标。

救生装置内部布置有电机、电池、喷水推进器、套管、电机转轴和控制板；装置外部布置有摄像头、指示灯、控制面板和自拉式自锁把手。救生装置总布置如图1所示。

救生装置有2个侧体，每个侧体上均装有喷水推进器，喷水推进器与电池连接，电池容量为1 W，电机功率为1 500 W，选用大功率的电机可实现快速有效的救援。配套的电机、电池和喷水推进器等部件布置于救生装置内部，通过调整其布置位置，可组合生成总布置方案，如表1所示。

图1 救生装置总布置

表1 新型三体式救生装置内部部件排布方案

方案1：救生装置艉部吃水为-0.095 m，喷水推进器导管中心轴线距装置下边缘为0.041 m，初始浮态为艏倾，艉部推进器没有浸没在水中。方案2：救生装置艉部吃水为0.061 m，初始浮态为艉倾，艉部推进器吃水达到95%的浸没。对比2种方案救生装置艉部吃水浸没情况，考虑方案2。在方案2的基础上增加1～7 kg的配重，增加间隔为1 kg。根据救生装置部件初排布后剩余的位置来看，配重排布位置在距救生装置艏部0.44～0.46 m内，间隔为0.05 m。根据配重的不同重量和不同排布位置组合出35种方案，以喷水推进器全部浸没和救生装置适度的艉倾作为选取方案指标进行选择。当喷水推进器全浸没、艉吃水为0.063 m时，有2种方案满足方案选取的指标。救生装置增加配重后的排布方案如表2所示。

表2 救生装置增加配重后排布方案

根据增重方案更新方案1与方案2。对这2种方案以阻力性能最优为指标进行阻力性能验证，同时还需考虑救生装置在航行时是否会出现艏部抬升或埋艏现象。

根据上述电机、电池等相关参数和位置布局设计出救生装置的型线，救生装置的主要参数如表3所示。

表3 救生装置主要参数 m

2 阻力性能验证

2.1 数值计算方法

选用STAR-CCM+软件对救生装置进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值模拟，装置航行速度选取0.5～2.0 m/s。经计算，救生装置的雷诺数Re为3.990×105～1.595×106。

计算的控制方程[8]为

(1)

(2)

重正化群(Renomalization Group, RNG)k-ε湍流模型能够捕捉多个尺度的湍流扩散，可提高计算的准确度，因此采用RNGk-ε湍流模型描述救生装置周围流体动力性质。具体方程[9]为

(3)

(4)

2.2 阻力性能计算结果分析

救生装置受到的阻力记为R，则阻力系数为

(5)

式中：S为救生装置的湿表面积；u为救生装置的航行速度。

图2给出2种方案下不同速度时救生装置阻力系数随速度的变化曲线。

图2 2种方案救生装置阻力系数随速度变化曲线

由图2可知：2种方案的阻力系数随速度的增大而减小。由计算的对比结果可以看出：方案1的阻力系数大；方案2的阻力系数小。当救生装置航行速度在0.5 ～1.5 m/s时，方案1与方案2的阻力系数差值明显；当救生装置航行速度在1.5 ～2.0 m/s时，方案1与方案2的阻力系数差值变小；当救生装置速度变大时，方案1与方案2的阻力系数差值变小。当救生装置航行速度在0.5～1.0 m/s时，2种方案的阻力系数下降趋势较陡；当救生装置航行速度在1.0 ～2.0 m/s时，2种方案的阻力系数下降趋势较缓。从2个方案的阻力系数来看，方案2最优，证明方案2部件排布和配重重量及位置相对合理。

2.3 装置表面压力分布

选取方案2对救生装置周围的流场压力分布进行分析。图3为方案2在不同速度下救生装置表面压力分布。

由图3可知：救生装置处于艉倾状态，高压区域出现在艉部，高压区域范围随救生装置航行速度增加而变大且向前扩大。当救生装置航速为低速时，其高压区域集中在艉部，当速度增加时，高压区域范围往前移动，其艏部也出现高压区域；低压区域出现在救生装置的艏部，当速度增加时，低压区域范围往后移。从救生装置的表面压力看，其出现抬艏现象，艏部布置有电子零部件，从安全角度考虑，方案2的部件排布和配重重量及位置是合理的。

图3 不同速度下方案2救生装置表面压力分布

3 结 论

从新型救生装置使用要求出发，采用三体船理念，对救生装置开展总体设计，获得其总体设计方案，且采用数值方法对其进行性能分析，掌握部件的不同排布位置和不同重量配重及位置对装置阻力的性能影响情况，并研究救生装置的阻力性能。从计算结果看，方案2为最优选择。在方案2中，救生装置的总长为1.108 78 m，型宽为0.815 29 m，型深为0.147 20 m，重心坐标位置为(0.493 80，0，0.083 10)，增加的配重重量为7 kg，配重的坐标位置为(0.46，0，0.90)，初始浮态为艉倾9.20°。上述成果可为后续开展船机桨匹配等研究提供重要数据支撑。