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1、第29卷第1期武汉理工大学学报(交通科学)Vol.29No.1与工程版2005年2月JournalofWuhanUniversityofTechnologyFeb.2005(TransportationScience&Engineering)表面波引起的水底压力脉动3张万平1)张志宏2)顾建农2)王家楣1)(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(海军工程大学2)武汉430033)摘要:依据研制的表面波和水底压力联合测量系统,对舰船兴波、规则波、非规则波和舰船在波浪中航行的水面波形以及它们在水底引起的压力脉动进行了测量,初步分析了表
2、面波与水底压力脉动之间的关系.实验结果表明,规则波与水底压力变化曲线峰谷对应,规则波引起的水底压力脉动与理论计算结果一致;非规则波在水底引起的压力变化频率降低、周期变长,两者之间的峰谷对应并非完全一致;亚临界航速条件下舰船兴波波形与水底压力曲线之间的对应关系差别较大,而跨临界或超临界航速条件下则有所改善.关键词:舰船兴波;规则波;非规则波;压力脉动中图法分类号:U661.10引言舰船航行和波浪运动均会引起水底压力脉动,有关表面波作用下的水底动态响应问题已越来越引起人们的重视[1～3].获取表面波浪要素与水底压力的定量关系,重要途径之一是
3、通过实验方法确定.文中依据研制的表面波浪2水底压力测量系统[4],对舰船兴波、规则波、非规则波、舰船在波浪中航行时的表面波形以及它们在水底引起的压力脉动进行了测量和分析.1波浪引起的水底压力变化特征1.1规则波水压场实验在武汉理工大学交通学院拖曳船池中进行,水池长108m,宽10.8m,水深0～2.1m,可调.该船池采用摇板造波机造波.实验水深h=2.0m,根据实测的波浪曲线可以计算出波浪平均周期v及圆频率X.设造波机T造出的波浪为微幅波,由有限水深色散关系X2=kgtanh(kh)(1)可以计算出波数k或波长.K收稿日期:200412
4、24张万平:男,30岁,硕士生,主要研究领域为环境水压场3船舶工业国防科技预研基金资助(批准号:00J44.5.10)规则波在水底引起的压力变化pb可通过下式计算.QXQGcopb=gAcos(kx-t)=g(2)cosh(kh)sh(kh)v式中:X=2PöT;k=2PöK;A为波幅;Q为流体密度;g为重力加速度;G为波浪水面变化.通过浪高仪和压力传感器记录的规则波水位变化和水底压力变化如图1所示.图1波面与压力曲线v=2.37m;K=8.02mT波浪平均周期v=2.37m,根据式(1)计算出T波长K=8.02m,再根据式(2)计算
5、出水底压力变化.另外,在v=4.07m,K=16.53m条件下进T行实验,测量记录的浪高、水底压力以及相应条件武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2005年第29卷下计算得到的压力曲线如图2所示.率不断增大,尽管波高逐渐增加,但水底压力脉动图2波面与压力曲线v=4.07m;K=16.53mT对不同周期的规则波在水底引起的水压场的理论计算和实验结果进行对比,发现两者之间具有较好的一致性.因此,规则波在水底引起的压力分布,可以依据表面波的测量结果通过理论计算预报出来.理论和实验结果表明,频率较高、波长较短的波,水中压力衰减幅度较大,图1中压
6、力衰减系数约为2.5,图2中压力衰减系数约为1.3.1.2非规则波水压场1.2.1等周期、变波高波浪在水深h=2.0m条件下,根据要求使造波机产生周期基本相同但波高不同的波浪,同时记录浪高和水底压力变化.从浪高仪记录的波高曲线中计算出波浪平均周期,类似规则波的压力计算方法,进一步计算出水底压力变化的历时曲线,并与实验结果进行对比,发现两者也具有较好的一致性,如图3所示.说明对周期相同但波高不同的表面波,其水底压力变化也可依据水面波形测量结果通过式(1)和式(2)预报出来.图4变周期、变波高的波高与压力变化反而逐渐减小.在此时段内,表面
7、波与水底压力曲线仍然峰谷对应.(3)在t>35s以后,先期通过的波浪已反射回来,与造波机产生的波浪在压力传感器附近激起更大的波浪,此时波高明显增加,水底压力也有所增加,但是两者增加的幅度并不成比例.(4)在t>50s以后,波高仍然大幅度振荡,并具有一定的随机性,此时水底压力针对水面波浪的跟随性不好,有些压力峰值被抹平,压力变化的周期也随之变大,在此阶段,根据水面波浪要素预报水底压力变化有一定困难,文献[5]采用波浪等效周期的概念提出了一种估算方法.2船波引起的水底压力变化特征2.1舰船兴波水压场在水深h=0.2L(L=2.4m为船模长度
8、)、水深佛劳德数Frh=vö(gh)1ö2(v为船模速度)的情况下,进行不造波条件下的船模水压场实验,同时记录横距y=0.25L的水面兴波和水底压力变化,实验结果如图5所示.图3等周期、变波高的波面与压力曲
