張 寧

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代表室 上海200011）

空化對(duì)電磁計(jì)程儀傳感器的影響

張 寧

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代表室 上海200011）

以某型出口國(guó)外13米級(jí)高速艇為研究對(duì)象，具體分析一例電磁計(jì)程儀在高速情況下引起的失捕現(xiàn)象。首先介紹電磁計(jì)程儀傳感器的工作原理，對(duì)船體斷階處容易產(chǎn)生空泡及其危害進(jìn)行理論分析，接著對(duì)傳感器安裝處進(jìn)行壓力分布仿真分析。最后得出結(jié)論：在滿足一定船速和水溫的條件下，換能器突出船底產(chǎn)生氣泡將導(dǎo)致電磁計(jì)程儀無(wú)法測(cè)速。

空化；電磁計(jì)程儀；高速艇；船舶流體力學(xué)

引 言

某13米級(jí)高速艇目前在安裝使用的計(jì)程儀為電磁式計(jì)程儀。該艇在0～30 kn（1 kn=0.514 m/s）航速行駛時(shí)，測(cè)速精度在允許誤差范圍內(nèi)；當(dāng)艇速高于30 kn后，電磁計(jì)程儀測(cè)速誤差開(kāi)始偏大；當(dāng)艇速達(dá)到50 kn時(shí)，電磁計(jì)程儀測(cè)速卻顯示當(dāng)前艇速為1～2 kn。分析后認(rèn)為，致使電磁計(jì)程儀產(chǎn)生上述測(cè)速偏差的原因是在高速工況下所產(chǎn)生的空化現(xiàn)象。下面對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行闡述。

1 電磁計(jì)程儀傳感器工作原理

傳感器是電磁計(jì)程儀的一個(gè)敏感元件，將非電量的船舶速度變換為與航速成正比的電信號(hào)。電磁計(jì)程儀的傳感器分為平面式和導(dǎo)桿式兩種，工作原理完全相同，即根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將船舶相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生航速信號(hào)。［1］13米級(jí)高速艇采用的是平面式傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如下頁(yè)圖1所示。

倒“山”字形鐵芯的中間柱上繞有勵(lì)磁繞組，沿船舶橫向安裝在船底板開(kāi)孔處。傳感器的底部表面是環(huán)氧樹(shù)脂及防腐涂層，在涂層表面上裝有一對(duì)距離為L(zhǎng)的不銹鋼制成的電極a、b，用來(lái)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電極之間及周圍用非導(dǎo)磁性絕緣材料填封，防止移動(dòng)。當(dāng)勵(lì)磁繞組通入交流電時(shí)，便產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁力線從鐵芯的中間柱出發(fā)，經(jīng)過(guò)船底海水介質(zhì)和鐵芯兩側(cè)邊柱形成回路（如圖1中虛線所示）。

當(dāng)船舶航行時(shí)，水流即以船舶航速V相反的方向流過(guò)船底，因海水是導(dǎo)電的，兩電極之間的海水流動(dòng)可以看成無(wú)數(shù)根沿船舶橫向排列的導(dǎo)體作平行移動(dòng)，并切割傳感器的磁力線，于是在兩個(gè)電極a、b之間便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eg。Eg與船速V成正比，只要測(cè)得Eg就可求出船速V。［1］

圖1 平面式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

2 船體斷階處產(chǎn)生空泡的理論分析

13米級(jí)高速艇在高速滑行狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量主要依靠艇底水動(dòng)力產(chǎn)生的升力來(lái)支持，這時(shí)高速艇吃水與浸濕長(zhǎng)度都顯著減小，且浸濕面積的減小與速度的平方成反比。［2］

為提高滑行效率，沿艇底的縱向有兩處斷階，由于存在斷階，艇底的肋骨斷面出現(xiàn)不連續(xù)的階梯形狀，水流流經(jīng)斷階時(shí)離開(kāi)艇底，在斷階后形成空穴，經(jīng)過(guò)一定距離后再與第二階艇底接觸。這使艇底在斷階前后形成兩個(gè)滑行面，每個(gè)滑行面的長(zhǎng)度較短，即有較大的展弦比，從而提高滑行面的效率。此外，由于斷階可使浸濕表面積減小，因此可進(jìn)一步降低滑行狀態(tài)下的靜水阻力。

但是由于船底板的突然階梯彎折，使水流至斷階處邊界層分離，當(dāng)艇速較高時(shí)會(huì)在斷階處形成漩渦，如圖2所示。

圖2 13米級(jí)高速艇斷階示意圖

漩渦中心的壓力非常低，并且隨著航速的增加，漩渦中心的壓力會(huì)隨之降低，當(dāng)壓力降低至水的汽化壓力時(shí)，水中的空氣微核開(kāi)始迅速膨脹，形成空泡，便產(chǎn)生空化現(xiàn)象。斷階除產(chǎn)生空化現(xiàn)象外，由于空泡在低壓區(qū)形成，隨水流進(jìn)入高壓區(qū)以后，在高壓區(qū)潰滅。空泡在艇底高壓區(qū)潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速微射流射向艇底板，對(duì)艇底板及接觸式計(jì)程儀的平面?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象。［3］

圖3 空泡潰滅時(shí)的微射流的形成過(guò)程

圖3所示為T(mén)omita和Shima在1990年用高速攝像機(jī)拍攝的空泡在固壁附近潰滅時(shí)的一組著名照片，展示了空泡潰滅的整個(gè)過(guò)程。每張照片的拍攝間隔為2 μs，照片的上部為固壁；空泡潰滅時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊波，使周圍流場(chǎng)壓力驟然增大，甚至高達(dá)數(shù)百大氣壓。

螺旋槳在水下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉上的水流速度越大、壓力也就越低，當(dāng)壓力低于水的汽化壓力時(shí)，空泡便產(chǎn)生。圖4展示了空泡潰滅對(duì)螺旋槳的槳葉的侵蝕。同理，斷階產(chǎn)生的空泡對(duì)傳感器表面的侵蝕現(xiàn)象也是存在的，長(zhǎng)期高速航行使突出艇體的平面?zhèn)鞲衅鞑黄秸?，最終會(huì)影響計(jì)程儀的測(cè)速精度。

圖4 空泡潰滅對(duì)螺旋槳葉面的侵蝕

3 傳感器安裝處壓力分布仿真分析

13米級(jí)高速艇上所使用的平面式傳感器，其下底面高出艇底板3 mm，如圖5所示。

雖然僅有3 mm的高度差，但在艇高速行駛時(shí)，如20 m/s甚至更高速度，此高度差足以改變傳感器周圍水流場(chǎng)的特性，并導(dǎo)致電磁式計(jì)程儀無(wú)法測(cè)速。

下面針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行Fluent仿真，并進(jìn)行分析［4］。

傳感器的長(zhǎng)度選用100 mm，取左邊階梯處為坐標(biāo)0點(diǎn)，右邊為來(lái)流方向。圖6顯示的是傳感器安裝處的網(wǎng)格模型，這是網(wǎng)格模型放大之后的顯示效果。

圖5 傳感器安裝示意圖

圖6 傳感器安裝處的網(wǎng)格模型

將修改后的13米級(jí)高速艇網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真，設(shè)置來(lái)流速度為20 m/s，水的汽化壓力為2 367.9 Pa。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，得到如圖7所示的空泡云圖。

圖7 傳感器安裝處的空泡云圖

從圖7明顯可見(jiàn)，由于電磁計(jì)程儀傳感器的下底面高出艇底板3 mm，導(dǎo)致傳感器在來(lái)流方向的一邊，即圖6中顯示的右邊階梯處出現(xiàn)空化現(xiàn)象，其原因是傳感器安裝處突出船底板，導(dǎo)致傳感器下底面的流體流速增加，根據(jù)伯努利方程［5］可知：隨著流速增加，傳感器下底面的壓力便會(huì)降低；當(dāng)壓力降低至水的氣化壓力2 367.9 Pa時(shí)，空化現(xiàn)象便會(huì)產(chǎn)生。傳感器下底面的壓力分布曲線如圖8所示。

表1是水的氣化壓力值。在某一水溫條件下低于對(duì)應(yīng)的氣化壓力時(shí)，水便發(fā)生氣化現(xiàn)象，不同溫度對(duì)應(yīng)于不同的氣化壓力。由圖8可見(jiàn)，傳感器下底面的壓力值在來(lái)流方向的一邊最低，最低值從表2查出為2 173，低于仿真時(shí)設(shè)置的水的氣化壓力2 367.9，因此空化現(xiàn)象一定會(huì)發(fā)生。

圖8 傳感器下底面的壓力分布曲線

表2為傳感器下底面的部分壓力數(shù)值，第一列為位置量，起始零點(diǎn)在左邊階梯處，右邊階梯處坐標(biāo)為100 mm，傳感器來(lái)流方向與增長(zhǎng)方向相反，第二列為每個(gè)位置點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力值。

表1 水的氣化壓力值

表2 傳感器下底面的部分壓力值

仿真中設(shè)置的來(lái)流速度為20 m/s，水的氣化壓力為2 367.9 Pa，13米級(jí)高速艇的理論最高航速遠(yuǎn)高于20 m/s。隨著航速的增高，如從20 m/s向上增高，電磁計(jì)程儀傳感器安裝處的空化現(xiàn)象會(huì)更加劇烈。同時(shí)，從表1可知，隨著水溫增高，水的氣化壓力也隨之增高，從而加劇空化現(xiàn)象。

空化現(xiàn)象分為三個(gè)階段：氣泡狀空泡、片狀空泡和全空泡，見(jiàn)圖9。

圖9 空泡發(fā)展圖

隨著空化現(xiàn)象的加劇，電磁計(jì)程儀傳感器的下底面會(huì)依次經(jīng)歷氣泡狀空泡、片狀空泡，直至全空泡。

4 結(jié) 論

空泡即氣泡，其內(nèi)部為空氣和水蒸氣，無(wú)法切割磁力線，所以電磁計(jì)程儀傳感器周圍的空泡增多會(huì)嚴(yán)重影響海水切割磁力線，并影響測(cè)速精度。當(dāng)傳感器下底面為全空泡時(shí)，空泡腔會(huì)包圍傳感器下底面，當(dāng)兩個(gè)電極處于空泡腔內(nèi)部時(shí)，電極被氣體包圍而無(wú)法導(dǎo)電，直接導(dǎo)致電磁計(jì)程儀無(wú)法測(cè)速。從理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果來(lái)看，船底的各類斷階在船舶設(shè)計(jì)中是必須要考慮的問(wèn)題。斷階產(chǎn)生空泡的兩個(gè)必要條件是水溫和船速，高水溫和過(guò)快的船速更容易產(chǎn)生空泡，導(dǎo)致安裝于船底的水聲設(shè)備無(wú)法工作。另外，船體各類構(gòu)件長(zhǎng)期在空泡中工作，產(chǎn)生的侵蝕也是不容忽視的問(wèn)題。以上對(duì)換能器突出船體3 mm的分析不僅適用于水聲設(shè)備的換能器，也適用于各種突出和凸進(jìn)船體的各種構(gòu)件如碰墊、首側(cè)推等。

對(duì)于中低速航行的排水型船來(lái)說(shuō)，計(jì)程儀一般安裝在自船首柱起船長(zhǎng)的1/3到1/2 處，以保證該船在最小吃水和最大搖擺時(shí)傳感器不會(huì)露出水面。但高速艇在高速航行時(shí)，由于吃水淺、有斷階和尾傾導(dǎo)致其艇底的流場(chǎng)特性與低速時(shí)有很大的不同。首先，如上文分析，斷階產(chǎn)生的空化現(xiàn)象使安裝在艇體中部的計(jì)程儀測(cè)速誤差較大；其次，高速艇首部流場(chǎng)復(fù)雜，水流速度和壓力變化與艇速不是線性關(guān)系，計(jì)程儀無(wú)法修正，所以安裝在首部也有較大的測(cè)速誤差；另外，由于螺旋槳和機(jī)艙在尾部，計(jì)程儀較難布置，所以很少在船尾安裝計(jì)程儀。高速艇（包括氣墊船等船型）較好的解決方式是使用無(wú)線多普勒計(jì)程儀，傳感器安裝在水線以上，從而解決了接觸式計(jì)程儀受水流場(chǎng)影響較大的問(wèn)題。

［1］中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)：電氣分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997：597-602.

［2］董祖舜.快艇動(dòng)力學(xué)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1991：43-45.

［3］張寧.不同種類計(jì)程儀在高速船上運(yùn)用效果分析［J］.船舶，2014（6）：86-87.

［4］常欣.Fluent船舶流體力學(xué)仿真計(jì)算工程應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011：14-75.

［5］夏國(guó)澤.船舶流體力學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003：45-50.

Inf uence of cavitation on electromagnetic log sensor

ZHANG Ning
(Naval Representative Off ce of Warship Design & Research, Shanghai 200011,China)

Taking example by a 13 m high-speed vessel exported abroad, this paper analyzes a case of electromagnetic log signal missing under the high speed condition.It introduces the working principle of the electromagnetic log sensor, and theoretically analyzes the cavitation at the ship stepped bottom and its hindrance.Then it numerically simulates the pressure distribution of the installation site of the sensor.It finally concludes that the cavitation will be caused by the transducer standing outside the hull bottom at a certain ship speed and water temperature, thus leading the electromagnetic log unable to measure velocities.

cavitation; electromagnetic log; high-speed vessel; ship flow mechanics

U666.152

A

1001-9855（2016）06-0076-05

2016-04-22；

2016-05-13

張 寧（1968-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船設(shè)計(jì)審查。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.076