表层高浓度藻水采集技术之一浅吃水船型技术研究

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1、2015第十六届船艇发展与水系旅游学术会议论文集2015年10月29-30日天津滨海新区表层高浓度藻水采集技术之一浅吃水船型技术研究侯樱倪其军，眭爱国，杨栋(中国船舶科学研究中心江苏无锡214082)摘要：自上世纪八十年代以来，由于太湖流域经济高速发展，环境保护工作相对滞后，太湖水质污染与湖泊富营养化日益突出。水质恶化、蓝藻爆发、生态退化等一系列问题，直接威胁沿湖及流域供水安全。实践证明，在蓝藻暴发的情况下，直接打捞蓝藻是迅速改善水质最为直接、安全、有效、环保的“标本兼治”措施之一。本课题系“十一五”国家科技支撑计划重点项目“蓝藻机械打捞及无害化资源化处置关键技术研究与示范”的第

2、1课题的研究专题1表层高浓度藻水采集技术及装置开发中的浅吃水船型设计技术研究，为蓝藻高效及时打捞及水环境综合治理提供了一种实用装备，本文简要介绍该类船型的研发情况。关键词：藻水采集浅吃水船型阻力1前言藻类的比重接近与水，但爆发期间的蓝藻由于体内气囊充气的影响其比重略小于水，漂浮在水面形成水华，并随风逐流向下风处聚集、堆积，通常愈接近岸边愈是密集。此外，太湖属于典型的大型浅水湖泊，其通航水深通常限制在1.1～1.2m。一般的船舶为了提高稳性和装载量，大都采用吃水较深船型，但根据蓝藻的特性及太湖的特点，课题组对降低蓝藻打捞船的吃水进行进一步研究，使其能够尽可能适应近岸作业。2研究情况

3、从20世纪60年代开始，国内就有人提出研制浅吃水船的设想，这种提法反映了浅吃水船在技术上还存在一系列难题。的确，这类船在快速性、操纵性、耐波性、稳性等方面，存在与常规船不同的地方，各项性能指标变化趋势都不同，一般都趋于恶化，因此浅吃水船型设计是蓝藻打捞船研制中首先待解决的难题。2.1粘性阻力粘性阻力主要是由船体周围的流场决定的。浅水所引起的流场变化，主要反映在船体周围，特别是船底的流速增大，致使粘性阻力增大；同时由流场变化导致船的航态变化使粘性阻力进一步增大。2.1.1回流速度增大由于浅水对流场影响使回流速度增大的现象称为浅水阻塞效应。90万方数据2015第十六届船艇发展与水系旅

4、游学术会议论文集2015年10月29-30日天津滨海新区υh=∞Δυ1(a)υΔυ2>Δυ1(b)υΔυ3>Δυ2(c)图1浅水中的流动状态比较图1（a）为在水深h=∞的理想流体中的流动情况。当流体流经船体时，由于船体曲率的影响，除船首尾两端部外，船体周围水的流速度有所增大，其量△v1与船速方向相反，称为回流速度。图1（b）为在浅水理想流体中的流动情况。由于水深受限制，使船底和水底之间的间隙较小。当水流流经船体时，船底的流速较无限水深情况必然增加，即回流增加，显然△v2＞△v1。图1（c）为在浅水实际流体中的流动情况。由于流体的粘性影响，在船底形成由前向后逐渐变厚的边界层，且随船

5、前进。由于存在回流速度，在水底也将形成另一边界层，其厚度亦是前段薄，后端厚。由于船底、水底边界层的存在，使两界层之间的势流区变窄，所以此时流体速度更快，即回流速度进一步增大，显然△v3＞△v2＞△v1。2.1航态变化（a）由于船底流速增加，压力降低，从而使船体下沉，吃水增加；（b）由于船底和河床边界层厚度均自船首向船尾逐渐增加，因而船尾与河床的间隙较船首处为小，流速增加更大，压力下降更甚，船尾下沉较船首大，因而产生尾倾现象。91万方数据2015第十六届船艇发展与水系旅游学术会议论文集2015年10月29-30日天津滨海新区图2深水和浅水航行的沉浮量(a)深水航行的沉浮量；(b)浅

6、水航行的沉浮量。2.1对粘性阻力的影响（a）由于浅水船周围的流速比深水船为大，且其舷侧湿面积因船体下沉而有所增加，所以必然使摩擦阻力增大。（b）因浅水中回流增加，即水流与船体的相对速度有明显的增大，压力下降亦大，所以压力梯度增大；同时船尾与河床的间隙小，易于产生旋涡，粘压阻力随之增加。图3浅水对粘性阻力的影响2.2浅水引起波浪图形的变化92万方数据2015第十六届船艇发展与水系旅游学术会议论文集2015年10月29-30日天津滨海新区Frh=0Frh<1.0Frh≈1.0Frh>1.0υsυssinβs ssβ(a)(b)(c)图4不同Frh时浅水对兴波图形的影响(a)Frh＝0

7、(h＝∞)和Frh＜1.0；(b)Frh≈1.0；(c)Frh＞1.0。在深水情况下的船行波，可近似用凯尔文波系说明（a）；在浅水情况下，凯尔文角、凯尔文波以及船舶航态均发生不同程度的变化，如图（b）、（c）。2.1浅水引起波浪变化对阻力的影响实验表明：浅水中兴波阻力较相同深水情况的兴波阻力有所不同。所有曲线的峰点所对应得速度均为Vs/gh=1.0，在该速度时的阻力较深水情况的阻力值要大很多；但在高速时，反较深水情况为小，具体结果见下图。图5浅水对兴波阻力的影响2.2浅水阻力曲线