CN114034464B - 一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，包括供气模块、喷气模块、噪声测试模块和趸船；舱段在试验水域依托趸船固定；供气模块包括储气装置、供气监控装置和供气管路；储气装置和供气监控装置安装于趸船上；供气管路包括一供气主管和若干供气支管，供气支管包括固定管段、活动管段和气密接头，固定管段在舱段两端的横舱壁中部区域集中布置，与横舱壁之间固定连接，活动管段与供气监控装置连接；喷气模块的喷气管段布置于舱段两端的横舱壁上以及舱段底部，并与相应位置处的固定管段连通；噪声测试模块包括多个水听器、水听器基架和噪声数据采集设备。本发明可以解决实验室缩比模型尺度换算难题，还能解决实船试验周期和经费过高问题。
Description
技术领域
本发明涉及于船舶降噪技术领域，具体涉及一种实尺度舱段气幕降噪技术参数优选和性能评价的试验系统。
背景技术
船体气幕技术不仅被用于船舶降噪，还被应用于船舶减阻等领域，其基本原理是通过在船壳外部水线以下设置的带有喷气孔的喷气管路，向海水中连续喷射出大量具有一定压力的空气，在水流作用下在船体外表面形成一层具有一定厚度和含气浓度的气膜层，利用气膜对水声传播的散射、反射作用和空气摩擦阻力小的原理，实现船舶水下辐射噪声的屏蔽、衰减和船体航行阻力减小。
开展船体气幕技术研究，通常的方法是实验室缩比模型试验或实船试验，实验室缩比模型由于缩尺太大、边界条件理想化等因素，很难准确进行实船条件换算。实船试验需要结合船舶改造和试验周期，成本巨大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的船体气幕技术实验室缩比模型试验面临的实船换算难题和实船试验面临的周期和经费问题，提供一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，该试验系统适用于船舶舱段模型在大型水池或开放式水域开展气幕技术参数验证，一方面，可以解决实验室缩比模型尺度换算难题，另一方面，可以解决实船试验周期和经费过高问题。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，该试验系统以船舶实尺度舱段作为试验对象；所述试验系统包括供气模块、喷气模块、噪声测试模块和趸船；所述舱段在试验水域依托所述趸船固定；
所述供气模块包括储气装置、供气监控装置和供气管路；所述储气装置和供气监控装置安装于所述趸船上；所述供气管路包括一供气主管和若干供气支管，所述供气主管一端与所述储气装置连接，另一端与所述供气监控装置连接后分为若干供气支管，每一供气支管均包括固定管段、活动管段和气密接头，所述固定管段在舱段两端的横舱壁中部区域集中布置，与横舱壁之间固定连接，所述活动管段与所述供气监控装置连接，并与所述固定管段之间采用所述气密接头连接；
所述喷气模块包括喷气管段，所述喷气管段布置于舱段两端的横舱壁上以及舱段底部，并与相应位置处的固定管段连通；
所述噪声测试模块包括多个水听器、水听器基架和噪声数据采集设备，所述多个水听器间隔布置于所述水听器基架上，所述水听器基架一端固定于所述趸船上，并设置于距所述舱段模型设计距离，所述噪声数据采集设备固定于所述趸船上并与所述水听器信号连接。
上述方案中，所述试验系统还包括水下视频拍摄模块，所述水下视频拍摄模块包括水下摄像头、摄像头基架和视频显示及采集器，所述水下摄像头安装于摄像头基架上，所述摄像头基架一端固定于所述趸船上，并设置于距所述舱段模型设计距离，所述视频显示及采集器固定于所述趸船上并与所述水下摄像头信号连接。
上述方案中，所述舱段与趸船之间采取支撑杆和缆绳方式连接，方便调整舱段状态与供气管路连接。
上述方案中，所述固定管段的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁中部，分别关于船体中线左右对称布置四道竖直的固定管段。
上述方案中，所述喷气管段的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁上，分别关于船体中线左右对称布置两道喷气管段，且喷气管段沿着舱壁底部边线附近设置，向上喷气；在舱段底部关于船体中线左右对称布置两组喷气管段，分别向两舷方向喷气，其中一组喷气管段从舱段艏端横舱壁沿纵向往后延伸，另一组喷气管段从舱段艉端横舱壁沿纵向往前延伸；每道喷气管段对应连通一道固定管段。
上述方案中，所述喷气管段的喷气孔直径为1mm～4mm，喷气孔间距为10mm～30mm。
上述方案中，所述喷气管段的通径满足管段通气截面积不小于喷气孔截面积和的50％，每一段喷气管段长度通常不大于2m，当需要大于2m时，采用非均匀孔间距和孔径方式调节。
上述方案中，所述储气装置为压缩空气储存装置，压缩空气储存装置与供气主管之间的管路上依次设有截止阀、减压阀，所述截止阀与减压阀之间设有压力表，所述减压阀与供气主管之间设有压力表；所述供气主管之后分为多道供气支管分别为多道喷气官道供气；所述供气支管与喷气管段之间依次设置流量计和流量控制阀。
上述方案中，所述截止阀、减压阀、压力表、流量计和流量控制阀均与所述供气监控装置信号连接。
上述方案中，所述水听器基架为L型，包括水平基架主支撑杆和竖直基架主支撑杆，其上分别均布水听器固定支架，用于安装水听器，竖直基架主支撑杆上端设有布放用吊耳；水平基架主支撑杆和竖直基架主支撑杆之间设计转角结构，避免基架变形。
本发明的有益效果在于：
1、本发明试验系统能够真实地模拟实尺度舱段结构表面气幕覆盖效果，可观测静态条件下模拟舱段表面气幕覆盖特性；能够模拟开放水域环境条件下，气幕降噪效果；气幕参数可调，可支撑实船气幕方案相关参数优选，满足船体气幕参数优化试验需求，为船体气幕系统设计提供数据支撑。
2、本发明的水下视频拍摄模块可实现水下气泡运动轨迹的动态分析。
3、本发明试验系统为模块化设计，具有同类试验项目的可拓展性。
4、本发明试验系统可解决实验室缩尺模型尺度换算问题，可大幅缩减实船模拟试验方式进行设计优化所需的时间周期和试验成本，可作为小尺度水面船气幕系统设计原型，具有较大的经济效益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统的结构示意图；
图2是本发明实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统的气幕系统原理图；
图3是本发明实施例中供气管路及喷气管路的布置示意图；
图4是本发明实施例中喷气管段设计图；
图5是本发明实施例中噪声测试模块的基架布置图；
图6是本发明实施例中水下视频拍摄模块的基架布置图。
图中：11、储气装置；12、供气监控装置；13、固定管段；
21、喷气管段；
31、水听器；32、水听器基架；321、基架主支撑杆；322、水听器固定支架；323、吊耳；33、噪声数据采集设备；
41、水下摄像头；42、摄像头基架；421、固定底座；43、视频显示及采集器；
50、舱段；60、趸船；70、缆绳。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，该试验系统以船舶实尺度舱段50作为试验对象。试验系统包括供气模块、喷气模块、噪声测试模块、水下视频拍摄模块和趸船60，舱段在试验水域依托趸船60固定。鉴于本系统测试内容包含噪声测试，舱段尺度应大于2m，布放水域深度应大于25m，背景噪声满足测试需求。
供气模块包括储气装置11、供气监控装置12和供气管路。储气装置11和供气监控装置12安装于趸船60上。供气管路包括一供气主管和若干供气支管，供气主管一端与储气装置连接，另一端与供气监控装置连接后分为若干供气支管。为了避免对舱段水线以下结构开孔，确保试验系统供气管路与舱段之间的相对独立性，供气支管包括固定管段13、活动管段和气密接头，固定管段13在舱段两端的横舱壁中部区域集中布置，与横舱壁之间采用管卡形式固定连接；活动管段与供气监控装置12连接，采用软管实现，与固定管段13之间采用气密接头连接，解决舱段模型与供气模块独立运转的问题。
为了确保实验过程中喷气参数可调并且可记录，供气监控装置12具备压力监控和流量监控两项功能，并且方便调节。为避免压缩空气设备工作引起噪声干扰，储气装置11采用压缩空气储存装置。如图2所示，压缩空气储存装置与供气主管之间的管路上依次设有截止阀、减压阀，截止阀与减压阀之间设有压力表，减压阀与供气主管之间设有压力表；供气主管之后分为多道供气支管分别为多道喷气官道供气；供气支管与喷气管段之间依次设置流量计和流量控制阀；截止阀、减压阀、压力表、流量计和流量控制阀均与供气监控装置12信号连接。供气管路及供气监控装置12采用多路分支管设计模式，可实现供气参数精细化监控。
喷气模块包括喷气管段21，为了实现静态条件下模拟舱段表面气幕覆盖，本专利采用了底部喷气方式，利用气泡在水中自然上浮特点，在舱段底部沿纵向布置两道喷气管段21，分别向两舷方向喷气；在舱段两端横舱壁上，沿着横舱壁底部边线附近设置喷气管段21，向上喷气。各喷气管段21通过管卡固定在舱段模型上，并与相应位置处的固定管段13一一对应相连。
喷气管段21设计，根据气幕降噪理论及降噪频段需要，喷气孔直径可在1mm～4mm之间，喷气孔间距设计在10mm～30mm之间选择。为了控制喷气管段21内流速和确保喷气孔喷气均匀性，喷气管段21通径满足管段通气截面积不小于喷气孔截面积和的50％，每一段喷气管段21长度通常不大于2m，当需要大于2m时，可采用非均匀孔间距和孔径方式调节。
噪声测试模块包括多个水听器31、水听器基架32和噪声数据采集设备33，多个水听器31布置于水听器基架32上，水听器基架32一端固定于趸船60上，并设置于距舱段模型设计距离，噪声数据采集设备33固定于趸船60上并与各个水听器31信号连接。本发明噪声测试模块采用基架式多水听器31设计，有效消除了噪声测试系统在水中抖动和单水听器31测试数据的随机性误差。
水下视频拍摄模块包括水下摄像头41、摄像头基架42和视频显示及采集器43，水下摄像头41安装于摄像头基架42上，摄像头基架42一端固定于趸船60上，并设置于距舱段模型设计距离，视频显示及采集器43固定于趸船60上并与水下摄像头41信号连接。水下摄像头41前端具备自补光和水平角度可调功能。本发明水下视频拍摄模块可实现水下气泡运动轨迹的动态分析。
图1中，a代表舱段模型中心与趸船边沿距离，b代表垂直布置水听器与舱段模型中心距离，c代表水平布置水听器阵长度。
进一步优化，舱段50与趸船60之间采取支撑杆和缆绳70连接，方便调整舱段状态与供气管路连接。
进一步优化，如图3所示，从减小气幕覆盖范围角度，固定管段13的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁中部，分别关于船体中线左右对称布置四道竖直的固定管段13，实现舱段底部和端部供气。喷气管段21的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁上，分别关于船体中线左右对称布置两道喷气管段21，且喷气管段21沿着舱壁底部边线附近设置，向上喷气；在舱段底部关于船体中线左右对称布置两组喷气管段21，分别向两舷方向喷气，其中一组喷气管段21从舱段艏端横舱壁沿纵向往后延伸，另一组喷气管段21从舱段艉端横舱壁沿纵向往前延伸；可实现局部气幕覆盖和整体气幕覆盖效果。每道喷气管段21对应连通一道固定管段13。
本实施例中，船舶实尺度舱段尺寸为3.3m×2.5m×2.0m。如图4所示，根据喷气管段21长度控制原则，底部管段长度及数量设计方案为1.65m×4，两端设计方案为1.2m×4，管段通径为10mm，材质为不锈钢管，喷气孔直径为1mm，孔间距为10mm均匀分布设计。
进一步优化，如图5所示，水听器基架32为L型，包括水平基架主支撑杆321和竖直基架主支撑杆321，其上分别均布水听器固定支架322，用于安装水听器31，竖直基架主支撑杆321上端设有布放用吊耳323。水平基架主支撑杆321和竖直基架主支撑杆321之间设计转角结构，避免基架变形。本实施例中，水平基架主支撑杆321和竖直基架主支撑杆321的长度均为6m，水听器固定支架322的间距为1m，最上端的水听器固定支架322距布放用吊耳0.5m。
进一步优化，如图6所示，摄像头基架42为L型，基架左端固定于趸船60上，基架垂直低端设置摄像头固定底座421。本实施例中，根据摄像头布置需要，基架水平部分长度为5m，垂直部分长度为2.5m。
本发明一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统的安装及调试顺序具体为：首先，将舱段模型吊出水面，按照喷气管段21和供气管路固定管段13布置图连接固定固定管段13与喷气管段21后，再次入水；其次，通过气密接头连接供气管路的活动管段与固定管段13；接着，将舱段模型布置在预设水域，根据噪声测试系统布置要求和视频拍摄需求，确定噪声测试系统及摄像头固定基架安装位置，分别固定至趸船60；接着，打开供气阀门，调试相关仪器；最后，关闭趸船60声源设备、开启舱段模型声源设备，将舱段再次布置到位后，可开展气幕系统参数优化试验。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，该试验系统以船舶实尺度舱段作为试验对象；所述试验系统包括供气模块、喷气模块、噪声测试模块和趸船；所述舱段在试验水域依托所述趸船固定，所述舱段与趸船之间采取支撑杆和缆绳方式连接，方便调整舱段状态与供气管路连接；
所述供气模块包括储气装置、供气监控装置和供气管路；所述储气装置和供气监控装置安装于所述趸船上；所述供气管路包括一供气主管和若干供气支管，所述供气主管一端与所述储气装置连接，另一端与所述供气监控装置连接后分为若干供气支管，每一供气支管均包括固定管段、活动管段和气密接头，所述固定管段在舱段两端的横舱壁中部区域集中布置，与横舱壁之间固定连接，固定管段的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁中部，分别关于船体中线左右对称布置四道竖直的固定管段，所述活动管段与所述供气监控装置连接，并与所述固定管段之间采用所述气密接头连接；
所述喷气模块包括喷气管段，所述喷气管段布置于舱段两端的横舱壁上以及舱段底部，并与相应位置处的固定管段连通，喷气管段的布置方式具体为：在舱段两端的横舱壁上，分别关于船体中线左右对称布置两道喷气管段，且喷气管段沿着舱壁底部边线附近设置，向上喷气；在舱段底部关于船体中线左右对称布置两组喷气管段，分别向两舷方向喷气，其中一组喷气管段从舱段艏端横舱壁沿纵向往后延伸，另一组喷气管段从舱段艉端横舱壁沿纵向往前延伸；每道喷气管段对应连通一道固定管段；
所述噪声测试模块包括多个水听器、水听器基架和噪声数据采集设备，所述多个水听器间隔布置于所述水听器基架上，所述水听器基架一端固定于所述趸船上，并设置于距所述舱段模型设计距离，所述噪声数据采集设备固定于所述趸船上并与所述水听器信号连接。
2.根据权利要求1所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括水下视频拍摄模块，所述水下视频拍摄模块包括水下摄像头、摄像头基架和视频显示及采集器，所述水下摄像头安装于摄像头基架上，所述摄像头基架一端固定于所述趸船上，并设置于距所述舱段模型设计距离，所述视频显示及采集器固定于所述趸船上并与所述水下摄像头信号连接。
3.根据权利要求1所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述喷气管段的喷气孔直径为1mm～4mm，喷气孔间距为10mm～30mm。
4.根据权利要求3所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述喷气管段的通径满足管段通气截面积不小于喷气孔截面积和的50％，每一段喷气管段长度通常不大于2m，当需要大于2m时，采用非均匀孔间距和孔径方式调节。
5.根据权利要求1所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述储气装置为压缩空气储存装置，压缩空气储存装置与供气主管之间的管路上依次设有截止阀、减压阀，所述截止阀与减压阀之间设有压力表，所述减压阀与供气主管之间设有压力表；所述供气主管之后分为多道供气支管分别为多道喷气官道供气；所述供气支管与喷气管段之间依次设置流量计和流量控制阀。
6.根据权利要求5所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述截止阀、减压阀、压力表、流量计和流量控制阀均与所述供气监控装置信号连接。
7.根据权利要求1所述的实尺度舱段气幕降噪技术验证试验系统，其特征在于，所述水听器基架为L型，包括水平基架主支撑杆和竖直基架主支撑杆，其上分别均布水听器固定支架，用于安装水听器，竖直基架主支撑杆上端设有布放用吊耳；水平基架主支撑杆和竖直基架主支撑杆之间设计转角结构，避免基架变形。
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