隧道流体动力分析

隧道流体动力分析摘要：流体力对船航速的影响。船体隧道内外流体力的生成，与方向的操控正确与否决定着船各种设计性能的达标，直接影响经济效益。层流、涡流、湍流、低压吸合力的形成与消失，降低艉下沉量，减小艏仰角，降耗提速减排。关键词：影响设计经济效益流体力学排水量流体的宏观运动规律和涡流吸合力的分析。据流体力学概念，该隧道与假尾的配合不符合经济型设计，增加的航行阻力会使航速降低两节以上。1.隧道前段（车叶以前）涡流的形成以及对航速的影响。水受外力的影响生成压力差，使之流动，由于流体斜压性和速度不一、方向不同，使流体形成小规律的旋转，成为漩涡。在航行时，水流迅速进入隧道流向车叶的同时，水流本身要克服路途中的漩涡对它的吸引粘合力，同时增加了水流阻力。只有流体不形成涡流，不通过表面粗糙及弯曲度大的船壳（船壳弯曲度大，流体流动曲线弧度就小），才能减小水流阻力。车叶前边的水流流动曲线弧度越大吸入阻力就越小，弧度越小吸入阻力就会越大（没有隧道的船壳，流体流动曲线弧度基本是平直的），弧度小会在船的下部进水，使尾部产生向下的吸力，航行时加大后倾斜角度，增加航行阻力。隧道在前方来水会增加向前的吸力，能提高航速。因此，隧道起点越向前越好。隧道内三维流体各线型必须是自然流体式流线型，线型光顺，不要有忽扩忽缩、高低不平现象，以免形成涡流，影响航速。该7901#船隧道进水曲线弧度太小，前来直流水突然改变流动方向，马上会产生两个不利于航速的作用力。一个是船下水向隧道进水的同时产生了尾部向下的吸力，增加纵向倾斜角度（后倾角）。二是水进入隧道的同时马上形成湍流（比层流阻力大），后形成漩涡。漩涡的方向是：在船的右侧看时，漩涡是顺时针旋转，在船的左侧看时，漩涡是逆时针旋转。该漩涡生成粘合吸引力，两个吸力都是航行阻力，影响航行速度。2.推力、反作用力分析、假尾（跳水版）的负面影响。车叶旋转形成车叶前后压力差，车叶向压力小的一方移动，升成推力，使船体前进。该船在主机马力不变，车叶规格型号、性能、转速不变，船体排水量不变，水下型线阻力不变的前提下，要想再提高航速，只有减小隧道水流阻力和增强喷流反作用力。减小隧道阻力就是隧道内前来水要畅通，让推进器（车叶）“吃个饱”。增加喷流反作用力就是，束缚住喷流柱，推向反作用力强的区域，使船得到更大的前进力，迎来速度的经济性。船在行驶时，船尾部形成空穴低压区（尾封板以后、船底线以上区域），此处区域低于大气压更低于水压，因这个区域的水面低于船周围的水面，周围的水流都想马上来补充，但空气先到水后到，船壳更想回来补充，可是推进器正推着它前进。要是没有空气来补充（假尾底部低于水面，隔绝了空气与这个低压区域的联系，空气无法进入），就加大了“真空度”。对周围水流的吸力会更大，更想把水吸进来，把船拉回来（增加了航行阻力）。所以假尾底部低于吃水线会影响航速。水补充就要艉底部和两舷部位以及隧道的水来补充。隧道喷出的水柱先补充（因为隧道喷口距空穴低压区最进），其它部位的水后来补充（凑集来的水流又形成了大面积规律的湍流、涡流低压区），（隧道喷口上沿与船底平齐的，和没有隧道的船，就不用考虑哪里来水补充了，因为当水柱喷出船壳时，水柱已经完成了推向反作用力强的区域）。高速时，隧道喷口以上、左、右全是低密度区域。用同样的力量和速度推向气体、液体和固体得到的反作用力是不同的，密度大的反作用力就强，密度小的反作用力就弱。当上喷流（船底以上的喷流，就是喷流柱范畴内的上一小部分）喷出船壳时马上向上补充空穴低压区，这个低压区如同“真空吸尘器”，向上吸曲整个喷流柱向上推，提前推向上水层（上水层比下水层密度小），提前来到水面，缩短了推力柱的受力长度，减小了船应该得到的反作用力（由于“真吸器”的吸力，该船喷流柱不得不进入这个“黑洞”）。喷出的水柱向左推，船尾就向右摆；向右推就向左摆；向上推船艉就向下落。隧道本身没有排水量，还加大了自重，隧道进水产生向下的吸力，又把水推向高于船底的方向，速度越快后倾角越大，使船抬头拖尾，改变了水流与船底壳之间的滑动角，船底下的水流不能畅通地滑向尾后，而是顶着船底向两舷压出，艉部拖着水流向前航行，两边卷起大的波浪，大大增大了水流阻力。隧道口上沿要是与船底壳平齐，（在尾后向前看，看不到隧道口）水流向后下方推去，船会得到大的反作用力和升尾力，减小倾斜角，速度越快升尾力越大，隧道进水处再向前蔓延三米半以上，向下的吸力会变为向前的引力，速度越快艏部水流托力越大，艏艉同步升起，减小了水线面，减小了水流阻力，达到了设计要求。隧道前段有两个航行阻力，后段喷口又太高，喷向了反作用力低的区域，假尾又隔绝了空气对空穴区的补充，更加大了空穴区的“真空度”，提前把喷水柱吸曲到水面，等，这一切足以降低航速两节以上。3.隧道内流体的高效应用设施隧道目的是减小吃水，提高浅滩通过性。设计不合理反而会加大吃水，1．隧道使尾部减少排水量、2．多了本身的重量、３．船下的水抽到尾部又推到上水层、４．水供应不足船体来补充、使艉部下降，加大了吃水量。因此，要想吃水小，作用力大。隧道必须从前方供水，（增加向前的引力）。水流必须喷向尾后下方（增加升尾力）。总之前来畅束下方（隧道进水从前方畅通过来，束缚住水流推向后下方）。只有这样才吃水小，提高航海经济性。不是越快越仰头，而是越快（艏艉同升）越想飞！优良隧道的船（流体射流与导流）比没有隧道的船航速快。4.关于该船隧道修缮的看法一、填充隧道前端,形成自然流体式线型，杜绝涡流的形成；二、降低喷口。在隧道上壁，从车叶中间向后56毫米处开始，以中心线角度≥尾轴推力角度向后流线型填充，逐渐下拉蔓延到喷口边为止，喷口要缩口，杜绝喇叭口，缩口率在6％左右，使之把水流集中向后下方反作用力强的区域推去，增强反作用力，提高航速。隧道喷口边的上沿要与船底平齐，（在尾部向前看，看不到隧道口）。这样就要求://://有一个准确的点，这个点就是船体（底面）横剖线（肋骨线）与隧道纵中剖线的交点，这个交点就是尾封板的位置，也是隧道的终点。这样一来，该船尾部（水线下）就要加长，才能找到这个准确的点。三、假尾（跳水板）底部与尾封板接触处要高于水线70——80毫米，以便空气补充这“黑洞”。5.怎样建造吃水浅的船船艏水下线是分水和压浪综合型的，艏中是分水型，两侧是压浪型，之间是隧道供水渠道（双机），整体水下线是压浪型的。底部两舷进水角≤4度以下，隧道从艏到艉铺设整个船体，（前来畅束下方）。车叶可高于水面，（车叶径的六分之一以下），车叶与船壳距离为车叶径的十分之一左右（根据航行要求设计）。0.830米左右的水深，游船就可通过。（单体单机、单体双机、双体单机、双体双机各种隧道不同）。