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| 标准编号 | GB/T 47707-2026 (GB/T47707-2026) | | 中文名称 | 气层减阻分布式阻力测量模型试验方法 | | 英文名称 | Test method for distributed friction force measurement of air layer drag reduction | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | U11 | | 国际标准分类 | 47.020.20 | | 字数估计 | 26,273 | | 发布日期 | 2026-05-25 | | 实施日期 | 2026-12-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | GB/T 47707-2026: 气层减阻分布式阻力测量模型试验方法
GB/T 47707-2026 英文版: Test method for distributed friction force measurement of air layer drag reduction
ICS 47.020.20
CCSU11
中华人民共和国国家标准
气层减阻分布式阻力测量
模型试验方法
2026-05-25发布
2026-12-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
1 范围
本文件规定了船舶(平板)模型底部气层减阻分布式阻力测量的试验设备与仪器、试验模型、传感器
及测试观测设备安装要求、试验前测量要求、试验程序、试验数据处理与表达、气层状态识别方法及试验
报告。
本文件适用于在高流速的循环水槽试验设施中全附体船舶模型或三维平板模型气层减阻局部阻力
分布式和气层内壁面脉动压力测量、气层形态观测试验。拖曳水池中开展的相关试验参照使用。
2 规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
4 符号
表1给出的符号适用于本文件。
5 试验设备与仪器
5.1 可变压变速循环水槽
开展模型尺度10m以上气层分布阻力测量试验的循环水槽,应符合以下要求:
a) 试验段长度10m以上;
b) 宽度与高度1m以上;
c) 最大水速控制超过10m/s;
d) 最大压力调节超过300kPa。
5.2 测试仪器仪表
5.2.1 分布式局部阻力测量传感器
供分布式局部阻力测量的传感器(天平)布置及量程选择如下:
局部阻力分布测量的位置布置,应根据试验中船舶或平板模型主尺度,评估后拟形成气层的气穴长
度区间,在气穴中纵剖线上,选择至少3个不同阻力测量位置(可根据局部阻力测量个数等分气穴中纵
剖线)进行布置。
局部阻力测量传感器量程,应根据应变传感器分辨率及精度特点,并结合试验中最大试验流速(如
7m/s,肥大型油、散货船正常航行速度),选择合适尺寸的局部阻力测量单元测力板(如300mm×
300mm×10mm铝板),估算局部单元测力板下表面可能测量的阻力大小范围。各单元测力板下表面
阻力大小由摩擦阻力系数、最大试验流速及下表面湿表面(与流体接触相互作用面)面积决定。各单元
测力板摩擦阻力系数依据试验雷诺数(按喷气喷口到每个局部单元测力板中心距离作为雷诺数计算的
特征长度,并结合试验时水温tw,气温ta,试验用水密度ρ查相关参数计算),按海桑公式估算,按公式
(1)计算:
5.2.2 气层状态观测摄像设备
5.2.2.1 用于气层状态观测用的摄像设备(常规CCD)在连续灯光下正常工作,像素优于1024×
1024,记录画面不小于25帧/s。
5.2.2.2 用于气层动态特征观测用的摄像设备(高速摄像机)也可采用连续光下正常工作,且其最高拍
摄频率不小于2000帧/s,最低图像质量不小于30万像素。
5.2.3 压电式微型脉动压力传感器
供平板与气层表面脉动压力测量的压力传感器应符合以下要求:
a) 外形直径不大于10mm;
b) 感压膜片最大直径不大于6mm;
c) 测量频响范围大于20kHz;
d) 分辨率可达Pa级(压电型传感器),静压过载能力大于200kPa。
5.2.4 直流放大器
用于阻力测量中直流信号放大的直流放大器,其最大放大倍数不小于1000倍,精度不大于
0.1%,且有多挡位选择。同时直流放大器应提供最大外部激励电源,具有多挡位选择和低通滤波
功能。
5.2.5 电荷放大器
5.2.5.1 用于电荷信号放大的电荷放大器,应符合以下要求:
a) 增益不小于10mv/pc;
b) 精度不大于0.1%;
c) 输出阻抗小于40Ω;
d) 最大频响不小于50kHz。
5.2.5.2 电压输出型压电式压力传感器,不需要电荷放大器,可直接由具备供电功能的采集卡驱动。
5.2.6 气体流量计
对气层减阻试验过程中气体流量进行测量,气体流量计应具备温度与压力修正功能,即为气体质量
流量测量(模拟不同吃水沉深,剔除气体压缩性对气体流量测量的影响)。量程根据船体模型或平板模
型下表面气穴内表面积SP,按等效名义气层厚度t=0.007m预估,计算所需气体流量Q,见公式(3):
Q=SP×t×3600 (3)
气体流量计最大量程宜为计算所需气体流量的1.5倍~2倍,且精度不低于1.5%。气体流量计宜
采用涡街式流量计,减小管路中潮湿气体对流量测量的影响。
5.2.7 动态信号采集卡
动态信号采集用的数据采集 A/D卡,其通道数应不少于脉动压力测量点数,各个通道可同时采
样,每通道的最高采样频率不小于50kHz,A/D转换分辨率优于16bit。
5.2.8 水速及环境压力测量仪器
闭式循环水槽中供试验水速及负压测量用压力变送器最大量程应不大于150kPa,且精度不大于
0.5%;供试验正压测量用压力变送器最大量程不大于600kPa,且精度不大于0.5%。拖曳水池中开展
试验,速度由拖车速度决定,测量精度不大于0.005m/s,环境压力以米尺测量沉深,测量精度不大于
1mm。
5.2.9 气压计
气压计测量范围宜为80kPa~110kPa,精度不大于0.1kPa。
5.2.10 温度计
气温计测量范围应达到-20℃~50℃,精度不大于0.1℃。
水温计测量范围应达到10℃~50℃,精度不大于0.1℃。
5.2.11 空气压缩机
压缩机及其与之配套的气体储存罐在安全储存气体后,其气体流量能维持试验过程中最大喷气流
量30s以上。
5.2.12 其他测试仪器
气层减阻试验中若增加其他的测试设备如空隙率仪、电导率仪以及进行其他状态如横摇、纵倾下的
试验,可在本试验方法基础上,根据各自传感器安装、测试方法以及模型装配方法进行拓展。
6 试验模型
6.1 船舶/平板模型
6.1.1 船舶模型
船舶模型(包括船体和附体)应与实尺度方案几何相似,外形光顺,表面光洁,并应具有产品合格证
书。船体模型加工设计水线以下部分,全附体船舶模型总长误差在±0.1%Lpp以内且最大不超过
10mm,横截面各剖面线型误差在±0.5mm以内,各附体加工精度与船模相同。试验中如采用船体模
型,通过吊杆将模型紧贴试验段顶部或模型安装架之上,水槽中典型安装示例见附录A中图A.1。
6.1.2 三维平板模型
船底气穴所在典型区域局部缩比试验的三维平板模型应与实尺度局部平板(气穴区域)几何相
似,外形光顺,表面光洁。三维平板模型设计为一定厚度(如150mm,厚度过低,其刚度小变形大,不利
于模型安装及试验测量)的箱体结构,并在其头部设置半椭圆结构导流段,在其尾部设置三角楔形顺流
段。三维平板模型总长误差在±0.1%L 以内,横截面各剖面线型误差在±0.5mm以内,平板表面不
平整度在±1mm以内。对于5m以上的大型平板模型,其内部应布置纵横钢骨架,并采用多把翼型剑
杆悬挂三维平板模型,保证模型刚度,模型纵向变形量小于2mm,水槽中典型安装示例见图A.2。
6.2 气穴模型
气穴模型包括艏部气层生成装置(楔形块或其他形状)、喷孔模块、挡板模块、艉部气体驻留模块、稳
压腔、气体管路等。整个船舶底部或三维平板模型所在的气穴区域无气体逃逸的孔、缝等(局部阻力测
量单元板周边细缝除外,且气体上浮等需特殊处理,不可逃逸致模型外)。气层生成装置与艉部驻气模
块贯穿于模型横向位置,防气层逃逸有机玻璃挡板布置于模型两侧,且挡板艏艉与气体生成装置楔形块
及驻气模块光顺连接。挡板在模型纵向不同位置上标示刻度线。
6.3 气体稳压腔及管路模型
气体稳压腔根据喷孔的位置布置于船体或平板模型内部适当位置,且稳压腔进气口与喷孔在模型
纵向位置错开100mm以上。气体稳压腔布置多个进气口与气源管路相连,且在气源与管路之间布置
气体流量计,流量计前后直管段距离应满足流量使用要求。
7 传感器及测试观测设备安装要求
7.1 局部阻力测量传感器安装要求
局部阻力测量传感器阻力方向与模型中心线平衡,沿模型纵向平行线位置在气穴内一字并列设置
多只,阻力传感器一端与单元测力板相连,另一端与模型内部固定基座相连,且单元测力板与平板模型
的间隙约为1mm,测力板及阻力传感器上方设置密封腔及隔板,确保气体从间隙中进入后而不外泄,进
入的气体聚积平衡后趋于稳定。水槽中典型安装示例见图A.3和图A.4。
7.2 脉动压力传感器安装要求
脉动压力传感器根据气层可能形成区域,合理选择,并嵌入气穴所在平板之上,表面与气穴所在平
板表面齐平且边缘光滑无凸点。脉动压力传感器也可嵌入单元测力板之上,脉动压力传感器感压面与
测力板下表面齐平。
7.3 气层状态观测摄像设备安装要求
7.3.1 在局部阻力测量单元板旁边的平底区域,镶嵌透明有机玻璃板,在有机玻璃板上方且模型内设
置水密气层状态观测设备,其焦距设置在平板下方3cm~5cm之内,用于气层状态的观测。
7.3.2 在试验段外透明窗处,可根据视角合理设置高速摄像机、照明光源,并最大限度减少透明窗反光
对所拍摄的照片或影像视频资料的影响,利用模型两侧透明挡板上的刻度标记线,对形成气层中某些关
心区域进行动态特征的拍摄与气层识别。
8 试验前测量要求
8.1 试验设备及仪表要求
试验前试验设备及仪表应符合以下要求:
a) 试验用水清洁、透明,且相对空气含量小于0.85;
b) 船体/平板及气层生成装置模型标识唯一;
c) 试验用仪器仪表均在计量有效期内;
d) 测量前仪器仪表开机预热15min以上。
8.2 试验参数的确定
试验参数确定应符合以下要求:
a) 试验压力:确保在喷气过程中,试验段环境压力小于脉动压力传感器最大量程或压力过载
能力;
b) 试验水速:满足超临界雷诺数、指定的试验流速或船舶实际营运航行速度。
9 试验程序
9.1 模型装配
试验模型装配具体要求如下:
a) 船体/平板模型吊装到试验工作段,使模型艏艉中心线与试验段中心线平行,即模型艏部/艉部
中心线分别至试验工作段一侧壁面之间距离差异小于2mm,艏部/艉部中心线分别至试验段
底部高度差异小于2mm;
b) 局部阻力单元测力板、脉动压力传感器安装,应保证单元测力板及压力传感器感压面与气穴
内模型表面齐平,且测试区域周边无毛刺与粗糙点;
c) 检查气穴区域及挡板与模型之间有无任何气体泄漏的孔洞、裂纹、间隙等;
d) 连接气源、气体流量计、管路及管系、稳压腔、喷孔等,注气检查,确保整个气体管路系统除喷
孔外无漏气现象产生,且各个喷孔之间喷出的气体速度均匀、稳定,可用风速仪或注满水根据
喷出气体运动状态检查。
9.2 测试系统综合联调
为降低喷气过程中压力变化对测试仪表的影响以及后续试验过程中不同气层状态下,合理的气体
流量设置要求,应按如下步骤对测试系统进行综合联调:
a) 试验前在一定流速下,向气穴中喷气,观测喷出的气体是否均匀、稳定,同时观测气体从气穴头
部喷出后,确保在整个气穴内部区域无气体上浮泄漏现象产生;
b) 测试几个流速,并进行多个流量下气体的喷射,检查整个模型的安全与可靠性,同时测试在喷
气过程中,水槽试验段环境压力增加值;
c) 在水中,各设备运行正常条件下,根据步骤b)中环境压力增加值区间分成3个~4个间隔,在
v=0时,测试各个局部阻力传感器对压力变化的敏感度,并指定其中某一压力,标定测力传感
器在压力上升、下降过程中恢复至指定压力时,其输出的稳定性,并经多次重复测量,获取环境
压力对局部阻力传感器的影响曲线;
d) 在几个不同流速条件下,确定气穴区域形成气层(或局部气层)时需求的大致气体流量;
e) 检查在不同流速及全湿、气泡、气层状态下,脉动压力传感器工作是否正常,是否有较好的分
辨率;
f) 检查两侧挡板刻度标识是否合理,能否在典型工况及气层不同长度下清晰区分与读数。
9.3 试验测量
试验测量应按以下步骤进行。
a) 在流速v=0时,采集各个传感器(阻力、压力)的输出,作为整个测试系统的零点。
b) 在试验流速范围内,不喷气及不同流速条件下,测量各个单元测力板下表面摩擦阻力,并计算
其摩擦阻力系数,比较测量所获得的摩擦阻力系数与海桑公式计算的摩擦阻力系数;同时测
量各个脉动压力传感器信号(测量采集频率应大于20kHz,分析频率取20Hz~8kHz),比较
不同流速压力脉动变化规律。
c) 重新从最低试验流速开始,在不喷气时,测量并保存局部阻力、脉动压力、视频影像资料。根据
前期标定的气体流量,选择几个不同的气体流量,从最小气体流量开始喷气,当气体均匀喷
出,流量读数稳定时,测量局部阻力、脉动压力并拍摄视频影像资料一起保存,逐步增加气体流
量,直至形成气层,测量气穴区域分别在全湿、气泡、过渡区、局部气层、完全形成气层状下各个
物理量,同时记录各个状态下试验段环境参数(水速,绝对压力)。根据形成气层时的气体流量
进行多次测量,确认气层状态是否稳定可靠,并在形成气层后,逐步减小气体流量供应,测量维
持气层时所需要的最小气体流量。
d) 改变流速,重复步骤c),完成整个试验测量,并保存相应的试验数据(含影像资料)。
10 试验数据处理与表达
10.1 局部阻力测量的数据处理与表达
根据试验中测量获取的电压信号,基于各个位置处局部阻力传感器的校验系数及压力修正曲线,计
算每个单元测力传感器在不同航速是否喷气时阻力,并计算相应的阻力系数,利用海桑公式计算各个阻
力传感器在对应位置全湿状态下的阻力系数。比较全湿状态下,测量结果与计算结果一致性是否在合
理范围之内,并以此确认喷气过程中其他测量数据的有效性。
10.2 脉动压力测量的数据处理与表达
不同气层状态下表面脉动压力由压电型传感器测量,并在一定频率范围内能量积分,获得脉动压力
总级,即在不同工况下的脉动压力结果均以fm~SPL(fm)~SPL 形式给出。其中SPL 按公式(8)
计算:
10.3 气层形态测量结果的数据处理与表达
气层结果的表达主要以手绘图及局部视频影像资料相结合的形式,描绘不同状态下气层在平板底
面的形态。首先绘制试验用模型投影轮廓图,包含模型头部、气穴平面区域及尾部,气穴所在的平板底
部表面可采用单层斜线表示表面光滑的气层覆盖区,双层斜线表示鱼鳞状表面不光滑的气层覆盖区,以
虚线表示防气体逃逸挡板,以曲线表示不同位置处气层厚度。同时,对于特定的气层状态,在平板不同
位置处截取其影像(气层表面形态,气层厚度以及气水交界面波浪形状等),以辅助说明,与气层形态手
绘图相互印证。
11 气层状态识别方法
11.1 总则
气层减阻测量试验中,由于其形成气层时,气层内测量的物理参数不同,其气层状态识别方法也有
区别,下面给出了三种典型的气层状态识别方法。气层识别方法还有空隙率仪,电导率仪等测量与识别
手段,均可参考气层内壁面脉动压力测量与识别方法进行测量和分析。
11.2 减阻率变化与气层识别方法
船舶平底或超大平板局部单元测力板在全湿流条件下及不同喷气状态下测量的下表面阻力变
化,根据公式(4)计算结果,减阻率的变化可确定是否形成气层。对于局部阻力测量气层识别方法,当减
阻率小于20%时,为气泡(含微气泡)减阻阶段(bubbledragreduction,BDR);当减阻率在30%~60%
区间时,为气泡与气层之间的过渡状态(Transition);当减阻率超过80%(含)时,为气层减阻状态
(airlayerdragreduction,ALDR)。见图A.5~图A.8。
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