CN111959676A - 一种船舶气层减阻气层监测方法 - Google Patents

一种船舶气层减阻气层监测方法 Download PDF

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周伟新
黄国富
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Abstract

本发明涉及一种船舶气层减阻气层监测方法，包括如下操作步骤：第一步：在船体各舱室下方的船底板上间隔安装多个脉动压力传感器；第二步：每个脉动压力传感器通过引线与电荷放大器连接，经放大后信号接入高速采集与分析处理器；第三步：利用处理器实时显示与保存脉动压力信号1/3oct压力总级与0‑8kHz频谱曲线；第四步：比较有无喷气状态下脉动压力信号1/3oct压力总级与0‑8kHz频谱曲线与判断标准的总级幅值区别是否超过指定值如AdB,且存在典型曲线特征，确认船底是否形成气层。特征明显、经济可靠，可为未来气层减阻节能产品大规模应用提供有效判断输入条件，为船舶气层减阻自适应控制系统智能控制与调节喷气量提供判断依据。

Description

一种船舶气层减阻气层监测方法
技术领域
本发明涉及气层监测方法技术领域，尤其是一种应用于船舶气层减阻气层 监测方法。
背景技术
目前，国际海事组织(IMO)对船舶节能要求越来越高，除了提高船舶单位 载重吨的经济效益外，还需减少污染气体的排放，改善全球生态环境。
因此IMO发布了船舶能效指数EEDI，要求未来船舶在2025年营运船舶比 2010年营运船舶EEDI降低30％，达到三阶段排放要求。
目前，除优化船舶线型，改进推进器设计外，大量节能装置，减阻措施被 发明或完善。船舶喷气减阻是非常有发展前景的研究课题之一，也越来越被人 们所熟知和研究，也是未来船舶最有前景的新型节能产品之一。
实船在应用气层减阻新型节能技术产品时，由于实船船底面积巨大，且在 船底下表面漆黑无光线，通过安装摄像头，无论是外置还是内置(镶嵌透明玻 璃)等视觉测量方法不太现实也不经济。通过安装气隙率仪等设备价格昂贵， 且单点测量，不适合于实船营运环境。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种适用于气层减阻船舶 的气层监测方法，更是一种船底气层是否形成的快速判断方法，且特征明显、 经济可靠，可为未来气层减阻节能产品大规模应用提供有效判断输入条件，为 船舶气层减阻自适应控制系统智能控制与调节喷气量提供判断依据。
本发明所采用的技术方案如下：
一种船舶气层减阻气层监测方法，包括如下操作步骤：
第一步：在船体各舱室下方的船底板上间隔安装多个脉动压力传感器；
第二步：每个脉动压力传感器通过引线与电荷放大器连接，经放大后信号 接入高速采集与分析处理器；
第三步：利用处理器实时显示与保存脉动压力信号1/3oct压力总级与 0-8kHz频谱曲线；
第四步：比较有无喷气状态下脉动压力信号1/3oct压力总级与0-8kHz频 谱曲线与判断标准的总级幅值区别是否超过AdB且存在典型曲线特征，确认船 底是否形成气层。
其进一步技术方案在于：
单个脉动压力传感器的安装结构为：包括船底板，所述船底板上开有通孔， 所述通孔内配合安装有螺纹套，所述螺纹套的截面成“T”字型结构，所述螺纹 套通过橡胶密封圈密封安装，所述螺纹套的中部开有穿孔，所述穿孔内壁面和 螺纹套的顶面均安装有硅胶，所述螺纹套的顶面安装橡胶垫和垫块，并通过螺 钉锁紧，所述垫块的中部开有与穿孔对应的圆孔，所述圆孔的内壁面同样安装 有硅胶，所述螺纹套的穿孔内安装脉动压力传感器，所述脉动压力传感器的顶 部电缆穿过垫块的圆孔。
所述船底板所开的通孔为螺纹孔，孔周围直径100mm区域表面光洁度达3.2 要求。
第一步中，船底板上安装多个脉动压力传感器。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，是一种基于水听器原理的平面脉动压 力传感器，测量船底表面边界层内压力脉动(伪声)的特征信号，监测船舶底 部喷气过程中的压力脉动，确认其是否生成气层的方法。
本发明利用船底下表面镶嵌一种微形圆柱状压电式脉动压力传感器，使传 感器底部与船底下表面齐平，利用船舶在运动过程中，在有无喷气状态时，边 界层内微小的压力脉动被传感器接收、采集分析后，获得压力脉动频谱特征曲 线。当船底形成气层时，在中低频段(100Hz-8000Hz)脉动压力1/3oct声压谱 总级与不喷气时差别在AdB以上，并且在频谱特性曲线上有典型特征。利用声 压总级及频谱曲线上的典型特征曲线可作为判断船舶底部是否生成气层的一种 有效方法。
本发明主要用于船舶气层减阻节能新产品应用时，船底气层状态监测，作 为气层减阻自适应系统的控制策略调整的判断条件之一。有效实现气层减阻系 统的自适应控制。也可作为各类试验设施中进行船舶、平板模型气层减阻试验 研究中气层形成的定量判断依据。本专利发明的船底气层监测方法，可适用实 船船底及实验室条件下船舶模型(平板模型)的气层状态的测量与判断。
同时，本发明还具备如下优势：
1)具有测量Pa级微小压力脉动的压电晶体测试设备；
2)具有电荷信号放大与高速数据采集与频谱分析设备；
3)船舶底部气穴(拟形成气层的船底区域)内传感器的安装流程；
4)区别气层生成与否的脉动压力声压总级与谱级典型曲线特征标准。
图1为本发明船底板与脉动压力传感器的安装示意图。
图2为本发明脉动压力传感器的结构示意图。
图3为本发明V0＝1.0m/s有无喷气时传感器频谱特性比较示意图。
图4为本发明V0＝1.0m/s有无喷气时传感器1/3oct谱比较示意图。
图5为本发明V0＝1.0m/s稳定气层形态示意图(斜线表示气层)。
图6为本发明压阻式压力传感器测量有无气层处压力值比较示意图 (V＝5m/s)。
图7为本发明喷气试验中，采用传统压阻式压力传感器的结构示意图。
图8为本发明船底板各测量仪器的布置图。
图9为图8的俯视图。
其中：1、船底板；2、电缆；3、螺钉；4、垫片；5、硅胶；6、螺纹套；7、 橡胶密封圈；8、脉动压力传感器；9、橡胶垫；10、导流楔形块；11、压力传 感器；12、测力天平。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的船舶气层减阻气层监测方法，包括如下操 作步骤：
第一步：在船体各舱室下方的船底板1上间隔安装多个脉动压力传感器8；
第二步：每个脉动压力传感器8通过引线与电荷放大器连接，经放大后信 号接入高速采集与分析处理器；
第三步：利用处理器实时显示与保存脉动压力信号1/3oct压力总级与 0-8kHz频谱曲线；
第四步：比较有无喷气状态下脉动压力信号1/3oct压力总级与0-8kHz频 谱曲线与判断标准的总级幅值区别是否超过AdB且存在典型曲线特征，确认船 底是否形成气层。
单个脉动压力传感器8的安装结构为：包括船底板1，船底板1上开有通 孔，通孔内配合安装有螺纹套6，螺纹套6的截面成“T”字型结构，螺纹套6 通过橡胶密封圈7密封安装，螺纹套6的中部开有穿孔，穿孔内壁面和螺纹套6的顶面均安装有硅胶5，螺纹套6的顶面安装橡胶垫9和垫块4，并通过螺钉 3锁紧，垫块4的中部开有与穿孔对应的圆孔，圆孔的内壁面同样安装有硅胶5， 螺纹套6的穿孔内安装脉动压力传感器8，脉动压力传感器8的顶部电缆2穿 过垫块4的圆孔。
船底板1所开的通孔为螺纹孔，孔周围直径100mm区域表面光洁度达3.2 要求。
实际试验过程中：
当船底形成气层时，船底板1下表面与水体完全被气体所隔离。因此喷气 过程中被水覆盖区域与被气体覆盖区域特征不同，如在船底局部气穴1：1大平 板模型喷气减阻试验中。气层产生时，底部气层区域如图5所示。
当在船底形成气层时，脉动压力信号1/3oct压力总级与0-8kHz频谱曲线, 与判断标准的总级幅值区别是否超过AdB且存在典型曲线特征。
而对于常规的压阻式压力传感器，在有无气层时差别很小，特征不明显， 不易判断与区分。
如图7所示：
包括压力传感器11和测力天平12。
其中Pc指试验时刻平板底表面环境压力，
P0指头部平直段无气层处压力，
P2和P3为形成气层时两个不同位置处压力，两条线绝对压力不同为试验 中环境压力变化引起，与各传感器之间测得压力相对关系无关。
Pc、P0、P2、P3在同平板(全长11.2m)底部同一水平高度，其中Pc指试验 平板模型头部底表面环境压力(第一处参考压力，在喷气前方一直在水中)，
P0指喷口前方平直段处压力(一直在水中，第二处参考压力)，
P2，P3指拟喷气气穴中不同位置处测量点。
在不喷气时，不同位置处压力区别很小，特别是P2和P3两点差别小，且 与P0参考压力之间区别很小，不明显。
喷气时，在P2和P3处完全形成气层，且被气体覆盖，两点的压力差别只 有同样很小，且与参考点压力P0差别很小，在传统压阻式脉动压力传感器测量 精度内，可信度低。
因此采用传统的压阻式压力传感器难易分辨是否形成气层时，压力区别。
实施例一：
使用环境解释：
在船舶底部平底之上靠近舶艏部适当位置设置一定角度的导流楔形块10 与顺流喷射转换模块，在其后方适当位置设置第一道驻气多孔软壁面楔形模块， 此首尾楔形块在船舶底面沿船宽方向延伸，在靠近船体两侧向下设置气体跳逸 挡板模块。基于上述艏部导流与顺流喷气模块、驻气楔形块、两侧挡板共同形 成一个局部封闭区域，为气层生成与保持创造约束，简称气穴气穴。在第一道 驻气楔形模块后连接顺流喷射转换模块形成第二个气穴中的驻气顺流喷射模 块，这样沿船长方向设置多个驻气顺流喷射模型在舶艉部合适位置，即可在船 舶平底之上建立多个串联气穴，为船舶平底下表面生成气层创造条件。在此气 穴内，艏部导流、顺流喷射模块及后方驻气顺流喷射模块台阶高度中心布置一 系列直角转换的顺流喷射喷孔，此喷孔通过气管与船舶内稳压腔、管路、压缩 空气相连。压缩空气经顺流喷射孔与船舶前进速度共同作用下在船底围挡内形 成稳定气层，在此气层内，船底与水体完全隔断，局部阻力近似为0，减阻率 达到100％。通过上述船底上多个气穴叠加减阻，船舶综合节能可达8％-15％，是 未来三大主力船舶气层减阻最有前景的方式之一。
针对某实船，取其中一个气穴采用局部1：1模型进行试验。
如图8和图9所示，试验中在船底板1上安装了脉动压力传感器8、CCD 观测窗以及空隙率仪。
根据船底板1的实际空间大小，布置了14只压电式脉动压力传感器8，编 号为1#－14#、3扇透明有机玻璃气层状态观测窗及一只空隙率仪。其中脉动 压力传感器8下表面与船底板1底面齐平，空隙率仪探针尖端距平板底面距离 约20mm。
在其它方案，水速1m/s-7m/s对应船舶航速2-14节时，形成气层脉动压力 测量结果，总幅值否超过AdB且存在典型曲线特征。
无气层或气水混合时其频率特征如下：离喷口位置不一样，其特征与幅值 相对关系亦不一样，没有典型的曲线特征。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参 见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.一种船舶气层减阻气层监测方法，其特征在于：包括如下操作步骤：
第一步：在船体各舱室下方的船底板(1)上间隔安装多个脉动压力传感器(8)；
第二步：每个脉动压力传感器(8)通过引线与电荷放大器连接，经放大后信号接入高速采集与分析处理器；
第三步：利用处理器实时显示与保存脉动压力信号1/3oct压力总级与0-8kHz频谱曲线；
第四步：比较有无喷气状态下脉动压力信号1/3oct压力总级与0-8kHz频谱曲线与判断标准的总级幅值区别是否超过AdB且存在典型曲线特征，确认船底是否形成气层。
2.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻气层监测方法，其特征在于：单个脉动压力传感器(8)的安装结构为：包括船底板(1)，所述船底板(1)上开有通孔，所述通孔内配合安装有螺纹套(6)，所述螺纹套(6)的截面成“T”字型结构，所述螺纹套(6)通过橡胶密封圈(7)密封安装，所述螺纹套(6)的中部开有穿孔，所述穿孔内壁面和螺纹套(6)的顶面均安装有硅胶(5)，所述螺纹套(6)的顶面安装橡胶垫(9)和垫块(4)，并通过螺钉(3)锁紧，所述垫块(4)的中部开有与穿孔对应的圆孔，所述圆孔的内壁面同样安装有硅胶(5)，所述螺纹套(6)的穿孔内安装脉动压力传感器(8)，所述脉动压力传感器(8)的顶部电缆(2)穿过垫块(4)的圆孔。
3.如权利要求2所述的一种船舶气层减阻气层监测方法，其特征在于：所述船底板(1)所开的通孔为螺纹孔，孔周围直径100mm区域表面光洁度达3.2要求。
4.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻气层监测方法，其特征在于：第一步中，船底板(1)上安装多个脉动压力传感器(8)。
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