非接觸工況下冰槳干擾水動(dòng)力載荷試驗(yàn)

王超，葉禮裕，常欣，李興

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

非接觸工況下冰槳干擾水動(dòng)力載荷試驗(yàn)

王超，葉禮裕，常欣，李興

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

由于冰塊臨近和阻塞效應(yīng)，將在螺旋槳上產(chǎn)生極端水動(dòng)力載荷，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋槳誘導(dǎo)的空泡、噪聲以及激振力等性能的惡化。冰槳干擾作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，受到諸多因素的影響，為了探究非接觸工況下的冰槳干擾水動(dòng)力特性，在循環(huán)水槽中搭建冰槳干擾試驗(yàn)臺(tái)，并設(shè)計(jì)一套專門(mén)用于切削型冰模型的生成和制作的方法。通過(guò)試驗(yàn)重復(fù)性分析及與其他學(xué)者結(jié)果的比較，驗(yàn)證建立的冰槳干擾試驗(yàn)臺(tái)的可行性。以切削型冰模型為對(duì)象，研究了非接觸工況下的螺旋槳水動(dòng)力載荷隨冰槳間距變化的規(guī)律，探討了不同流速對(duì)冰模型誘導(dǎo)的空泡的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：所建立的冰槳干擾試驗(yàn)方法是可行的，能夠較好地用于冰槳干擾水動(dòng)力試驗(yàn)的分析中。

冰槳干擾； 水動(dòng)力載荷； 非接觸工況； 循環(huán)水槽； 阻塞效應(yīng)；冰區(qū)槳

隨著全球氣候變暖，北極地區(qū)的冰蓋范圍逐漸縮小，該地區(qū)的軍事、經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)價(jià)值日益也突顯出來(lái)。特別是進(jìn)入21世紀(jì)，各國(guó)在北極的主權(quán)爭(zhēng)奪愈演愈烈。俄羅斯、美國(guó)、加拿大等環(huán)北極國(guó)家已開(kāi)始強(qiáng)化在北極地區(qū)的軍事部署，而冰區(qū)船舶在其中起到了關(guān)鍵性作用。由于北極氣候環(huán)境和地理環(huán)境極其復(fù)雜，存在大量的浮冰和冰脊，給冰區(qū)船舶的研發(fā)帶來(lái)了很大的困難。目前，冰區(qū)船舶都是采用螺旋槳作為其推進(jìn)器的，螺旋槳的可靠性對(duì)其整體的航行性能都有重要的影響。船舶在冰區(qū)航行特別是破冰航行狀態(tài)，經(jīng)常導(dǎo)致碎冰塊下浸并沿著船體表面滑動(dòng)，接近螺旋槳時(shí)發(fā)生冰槳相互作用，將在螺旋槳上產(chǎn)生極端水動(dòng)力載荷，從而可能會(huì)引起強(qiáng)度、噪聲、振動(dòng)及空泡等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)冰槳作用試驗(yàn)測(cè)量裝置對(duì)推動(dòng)我國(guó)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)性能試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展有很大的意義。

國(guó)外關(guān)于冰槳相互作用方面的研究起步很早，隨著近年來(lái)試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的冰槳作用試驗(yàn)測(cè)量裝置，掌握了較為全面的冰槳相互作用的規(guī)律和機(jī)理。非接觸工況下冰槳干擾水動(dòng)力載荷特性對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)的空泡、噪聲以及激振力等有很大的影響，國(guó)外已經(jīng)在這方面進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究。在20世紀(jì)60～90年代，Jussila[1]、Jussila和Koskinen[2-3]、 Keinonen[4]等進(jìn)行的大量系列實(shí)船試驗(yàn)幫助了解冰槳作用過(guò)程中的載荷量級(jí)、載荷在槳葉上作用位置、載荷的分布情況等。但沒(méi)有辦法對(duì)載荷的來(lái)源給出詳細(xì)區(qū)分，也無(wú)法給出冰的屬性及運(yùn)載環(huán)境等的具體信息。而在這個(gè)時(shí)期的水動(dòng)力載荷模型試驗(yàn)大多在敞水水池中進(jìn)行，包括 Enkvist[5]和Johansson[6]在循環(huán)水槽中進(jìn)行的模型試驗(yàn)。這一階段的模型試驗(yàn)對(duì)環(huán)境及運(yùn)載條件等都進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，雖然其結(jié)論一般都是定性分析和影響規(guī)律總結(jié)，但這對(duì)冰-槳相互作用機(jī)理的深入研究仍具有很大的指導(dǎo)意義。20世紀(jì)90年代初期，加拿大政府和芬蘭政府為更新相關(guān)冰區(qū)規(guī)范，聯(lián)合開(kāi)展了一個(gè)合作研究項(xiàng)目(JRPA#6)，對(duì)冰槳相互作用問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，較大的促進(jìn)了冰槳相互作用問(wèn)題的發(fā)展[6-7]。Luznik L等以加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)R級(jí)破冰船的定螺距槳為研究對(duì)象，在拖曳水池進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)，分別得到了均勻流和冰阻塞流條件下螺旋槳的性能，并測(cè)量了一定速度范圍內(nèi)螺旋槳的推力和扭矩[8]。該時(shí)期實(shí)船試驗(yàn)方面的研究主要有Newbury[9-10]、Newbury[11]、Browne[12-13]等。其中Browne 在1997和1998年對(duì)之前的試驗(yàn)進(jìn)行了整理總結(jié)，給出了幾個(gè)參數(shù)(槳轉(zhuǎn)速、槳螺距、船速、冰強(qiáng)度和冰厚等)對(duì)軸轉(zhuǎn)矩和軸推力的影響，解釋了葉載荷與軸載荷的不同，給出了很多與承載相關(guān)的有意義的結(jié)論。

國(guó)內(nèi)對(duì)冰槳相互作用問(wèn)題的研究仍處于起步階段，雖然擁有拖曳水池、循環(huán)水槽以及空泡水筒等試驗(yàn)設(shè)備，但是缺乏冰槳干擾試驗(yàn)方面的技術(shù)儲(chǔ)備。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)極地船舶的相關(guān)技術(shù)的迫切需求，冰區(qū)推進(jìn)問(wèn)題已經(jīng)受到相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，為了給冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障，需要盡快掌握冰槳相互作用的試驗(yàn)技術(shù)。以此為突破口，在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽中搭建冰槳干擾試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)，探索非接觸工況下冰槳干擾水動(dòng)力載荷試驗(yàn)方法，以期推動(dòng)冰槳干擾試驗(yàn)方面的研究工作。通過(guò)對(duì)所得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，掌握冰槳干擾特性。

1 試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了開(kāi)展冰槳干擾過(guò)程的試驗(yàn)和理論研究，搭建了冰槳干擾試驗(yàn)臺(tái)，用于模擬冰槳干擾過(guò)程，以下初步介紹了試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 循環(huán)水槽

冰槳作用試驗(yàn)的主要目的是用以評(píng)估不同冰載工況下的推進(jìn)器水動(dòng)力性能，國(guó)外均是大多在拖曳水池、空泡水筒中開(kāi)展。而這里冰槳干擾水動(dòng)力載荷試驗(yàn)在循環(huán)水槽中進(jìn)行，主要是考慮到循環(huán)水槽有以下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試模型沒(méi)有前進(jìn)速度，而其周圍流場(chǎng)是持續(xù)運(yùn)動(dòng)的，因而不受試驗(yàn)時(shí)間的限制，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間，多目標(biāo)，自動(dòng)化測(cè)量，可大大節(jié)省試驗(yàn)成本，而且循環(huán)水槽能夠很好地控制環(huán)境條件和試驗(yàn)過(guò)程，能夠較好的測(cè)量冰槳作用相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，減小試驗(yàn)測(cè)量誤差。與空泡水筒冰槳試驗(yàn)相比，循環(huán)水槽尺寸較大，受壁面效應(yīng)影響較小，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)成本低，但是循環(huán)水槽無(wú)法改變環(huán)境壓力，空泡數(shù)難以滿足要求，因此無(wú)法觀測(cè)螺旋槳產(chǎn)生空泡。

本試驗(yàn)是依托哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽開(kāi)展的，循環(huán)水槽全長(zhǎng)17.3 m，最大寬度6.2 m，高度 2.88 m，工作段長(zhǎng)7 m，寬1.7 m，最大水深1.5 m，最高流速為2.3 m/s，水槽的收縮比為2，在穩(wěn)定段設(shè)有蜂窩器及整流網(wǎng)。有消除氣泡裝置，可使高流速時(shí)保證流動(dòng)圖形顯示的高質(zhì)量。并有消波裝置，保證流速小于1.5 m/s時(shí)駐波高度不超過(guò)7 mm。

1.2 螺旋槳及其整流裝置模型

[14]中冰區(qū)槳的幾何參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一款水動(dòng)力性能以及幾何外形與R-class槳相當(dāng)?shù)谋鶇^(qū)螺旋槳。為了討論方便，將該設(shè)計(jì)槳命名為Icepropeller1。在設(shè)計(jì)槳水動(dòng)力性能得到面元法和CFD法驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行實(shí)物模型加工，材料選用鋁合金，模型槳的直徑D為0.2 m，如圖1所示。由于該槳的轂徑比較大，槳葉的水動(dòng)力性能容易受到槳軸的干擾，容易引起試驗(yàn)誤差，必須配以合適的整流裝置，以減小水阻力。為此，專門(mén)為Icepropeller1設(shè)計(jì)了一套整流裝置，并采用CFD方法對(duì)該套整流裝置的整流效果進(jìn)行驗(yàn)證，確保性能滿足要求后加工整流裝置，選用的是尼龍材料，如圖2所示。通過(guò)敞水試驗(yàn)證明：該整流裝置能夠很好地與本試驗(yàn)螺旋槳模型相匹配。

圖1 Icepropeller1槳實(shí)物模型Fig.1 Icepropeller1 propeller model

1.3 冰模型及其固定裝置的設(shè)計(jì)

為便于研究，將實(shí)際冰塊簡(jiǎn)化成一塊切削型冰模型。冰塊受到螺旋槳的切削后將形成凹槽，該凹槽的形狀不是簡(jiǎn)單的圓弧形，而應(yīng)該是與螺旋槳的幾何外形相匹配。通過(guò)編程識(shí)別槳葉表面，以形成槳葉表面形狀相匹配的冰模型。為研究阻塞效應(yīng)的冰槳干擾特性，需要加工出不同切削深度和切削高度的冰模型，圖3給出了切削深度和切削高度的定義方式。然而，切削型冰模型外形的準(zhǔn)確程度，直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果誤差大小。由于螺旋槳外形比較復(fù)雜且表面曲度較大，當(dāng)前用常規(guī)的建模軟件根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)切削型冰模型的制作。而直接切削冰塊容易引起模型槳的損壞，也不利于試驗(yàn)重復(fù)開(kāi)展。

為此，設(shè)計(jì)了一套方法專門(mén)用于切削型冰模型的生成和制作方法。該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，能夠生成任意切削高度和深度的冰模型，具體的步驟如下：1)建立螺旋槳表面識(shí)別方法，基于Fortran語(yǔ)言將該識(shí)別方法編譯成程序。通過(guò)實(shí)踐證明該程序能夠方便地生成任意切削高度和深度的冰模型的表面網(wǎng)格和數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時(shí)該程序也是后續(xù)基于粘流方法和勢(shì)流理論開(kāi)展冰槳干擾數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究的基礎(chǔ)和前提條件。2)基于建模軟件通過(guò)“點(diǎn)連線、線連面”的方式建立三維仿真冰模型；最后，將仿真冰模型導(dǎo)入到3D打印機(jī)進(jìn)行冰模型的加工。圖4給出了切削型冰模型的制作流程。同時(shí)，考慮到本試驗(yàn)主要測(cè)量螺旋槳水動(dòng)力載荷，冰模型并未與螺旋槳發(fā)生直接物理接觸，因此冰模型只是物理邊界，無(wú)需考慮其物理及力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)采用高密度聚氯乙烯作為冰的替代材料，加工制成不同切削深度和高度的冰模型，如圖5所示。

圖2 螺旋槳整流裝置Fig.2 Propeller rectifier unit

圖3 冰模型切削高度和深度的定義方式Fig.3 Axis definition for depth of cut and depth of recess

圖4 切削型冰模型的制作流程Fig.4 Manufacturing procedure of ice block

圖5 不同尺寸的冰模型Fig.5 Ice block with different geometric dimensions

由于冰塊的形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大隨機(jī)性，冰槳相互作用呈現(xiàn)的是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，為了更好地控制冰槳相互作用過(guò)程和更好地確定冰槳相互作用特性，一般采用準(zhǔn)靜態(tài)的方法開(kāi)展研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)冰模型進(jìn)行固定，保證冰模型與螺旋槳之間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，設(shè)計(jì)了一套冰模型固定裝置，如圖6和7所示。其中，圖6是螺紋桿與冰模型連接端，為保證不同流速工況下冰模型與螺旋槳始終處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，采用雙螺紋桿連接冰模型，并可根據(jù)工況需求更換不同尺寸的模型冰，以便開(kāi)展冰槳干擾變尺度影響分析研究；考慮到固定裝置可能會(huì)受到冰模型重力的作用產(chǎn)生完全變形，將連接端設(shè)計(jì)成三角形桁架結(jié)構(gòu)，以增加固定裝置的抗彎曲變形能力。圖7是水槽桁架固定端，可通過(guò)調(diào)節(jié)該裝置來(lái)改變冰模型與螺旋槳的軸向和徑向位置，以滿足各試驗(yàn)工況要求，實(shí)現(xiàn)不同空間位置的干擾作用對(duì)螺旋槳載荷的變化的測(cè)量。

1.4 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

本試驗(yàn)測(cè)量裝置由螺旋槳自航儀和DH5920N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀。其中，螺旋槳自航儀的額定推力250 N，額定扭矩10 N·m，最大轉(zhuǎn)速2 000 r/min，能夠測(cè)量螺旋槳軸上所受推力和扭矩，并將測(cè)量結(jié)果輸出到信號(hào)測(cè)試分析儀中進(jìn)行分析處理。在試驗(yàn)之前要對(duì)自航儀進(jìn)行推力靜態(tài)校驗(yàn)和扭矩靜態(tài)校驗(yàn)。DH5920N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀可對(duì)應(yīng)變(應(yīng)力)及力、壓力。扭矩、荷重、溫度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等物理量進(jìn)行自動(dòng)、準(zhǔn)確可靠的動(dòng)態(tài)測(cè)試和分析。

圖6 冰模型連接端Fig.6 Connecting port of ice model

圖7 水槽桁架固定端Fig.7 The fixed end of water channel Frame

2 試驗(yàn)步驟

整個(gè)試驗(yàn)保證螺旋槳轉(zhuǎn)速10 r/s不變，通過(guò)調(diào)整水流速度方式來(lái)開(kāi)展不同進(jìn)速系數(shù)下的冰槳干擾試驗(yàn)；通過(guò)調(diào)節(jié)固定裝置、更換模型冰、改變其與螺旋槳的相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行變因素下的螺旋槳推力和扭矩測(cè)量。圖8給出了冰模型處于槳前不同軸向位置。此外，試驗(yàn)采用的相似準(zhǔn)則與敞水試驗(yàn)相同。試驗(yàn)具體步驟如下：

1)按要求確定試驗(yàn)中的螺旋槳轉(zhuǎn)速，取轉(zhuǎn)速10 r/s。通過(guò)ITTC雷諾數(shù)公式計(jì)算得到本試驗(yàn)的雷諾數(shù)為6.21×105，大于臨界雷諾數(shù)5.0×105，滿足雷諾數(shù)的要求。

2)整個(gè)過(guò)程中進(jìn)速VA的變化情況是從0m/s作為起點(diǎn)，直至推力T變?yōu)樨?fù)值為止。在此區(qū)間內(nèi)選擇7、8個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

3)先給固定冰的裝置裝上模型冰并加以固定好，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的參數(shù)調(diào)整好冰槳之間的相對(duì)位置。保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，使水流穩(wěn)定在某一個(gè)速度，同步測(cè)量下列數(shù)據(jù)：螺旋槳轉(zhuǎn)速n、前進(jìn)速度VA、推力T、扭矩Q，并通過(guò)下式將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化成無(wú)因次量：

4)保證其他參數(shù)不變，只需改變水流速，同之前相同，重復(fù)試驗(yàn)步驟測(cè)量下一組參數(shù)。

5)換取不同形式的冰?；蛘{(diào)整位置，重復(fù)以上試驗(yàn)步驟。

圖8 冰模型處于槳前不同軸向位置Fig.8 The ice model in front of the propeller at the different axial position

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 敞水工況水動(dòng)力試驗(yàn)

本試驗(yàn)首先測(cè)量了Icepropeller1槳的敞水性能，并將試驗(yàn)值與勢(shì)流理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖9所示。試驗(yàn)測(cè)得的槳的推力系數(shù)KT以及扭矩系數(shù)KQ均與計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖9 Icepropeller1槳的敞水性能Fig.9 Uniform flow performance of Icepropeller1 propeller

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性及與其他學(xué)者結(jié)果的比較

冰的存在導(dǎo)致冰槳干擾的水動(dòng)力載荷比敞水情況要復(fù)雜得多。若試驗(yàn)平臺(tái)搭建的不合理，開(kāi)展重復(fù)相試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)不同次試驗(yàn)測(cè)得的螺旋槳的推力和扭矩會(huì)有很大的波動(dòng)。因此，需對(duì)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證，并將試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以確保搭建的冰槳干擾平臺(tái)的可信度和可控性。

在進(jìn)速系數(shù)0.4不變的條件下，重復(fù)進(jìn)行三次冰槳干擾試驗(yàn)，測(cè)量得到不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的變化，如圖10所示。其中，d為冰槳間距，R為螺旋槳的半徑。由圖可知，三次試驗(yàn)測(cè)量得到的不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均較為接近。然而，冰槳干擾過(guò)程干擾區(qū)域的流場(chǎng)極其不穩(wěn)定，帶有一定的隨機(jī)性和脈動(dòng)性，不可能每次試驗(yàn)結(jié)果完全一致，特別是隨著冰槳間距減小，冰槳干擾流場(chǎng)的隨機(jī)性和脈動(dòng)性越劇烈，重復(fù)測(cè)量得到的結(jié)果差異性越明顯。

圖10 不同冰槳間距下的螺旋槳推力和扭矩系數(shù)對(duì)比Fig.10 Comparison of thrust and torque coefficient in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

另外，由圖10可知，當(dāng)冰槳間距大于0.1R時(shí)，阻塞效應(yīng)比較明顯，冰的存在對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能影響較小，螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)小幅度增加；當(dāng)冰槳間距小于0.1R時(shí)，臨近效應(yīng)比較明顯，開(kāi)始較為顯著地影響螺旋槳的水動(dòng)力性能，這可以解釋為：當(dāng)冰塊阻斷某個(gè)槳葉的旋轉(zhuǎn)時(shí)，該槳葉部分區(qū)域出現(xiàn)低進(jìn)速系數(shù)的情況，導(dǎo)致測(cè)得的螺旋槳平均推力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速增大。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[15]給出的結(jié)論是一致的。

圖11給出了上述三組試驗(yàn)的平均值與Doucet等人的試驗(yàn)測(cè)量值、P. Liu的面元法計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果[15]。其中，Doucet等的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果較為接近，但是由于本試驗(yàn)的螺旋槳模型和Doucet等試驗(yàn)采用的Rclass并非是同一個(gè)模型，螺旋槳幾何參數(shù)有一定的差異，只是敞水性能較為接近，兩者試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果有一定的偏差也是不可避免的。P. Liu的面元法計(jì)算結(jié)果與本試驗(yàn)以及Doucet等的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果均有一定的差異，可能是面元法基于理想流動(dòng)力學(xué)思想的，忽略了粘性的影響，使得預(yù)報(bào)結(jié)果出現(xiàn)了偏差。由于粘性的存在，冰模型的后方會(huì)產(chǎn)生分離流，冰槳間距越小，分離流對(duì)后方螺旋槳水動(dòng)力性能影響較大。但是，從整體分析來(lái)看，本試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與其他兩位學(xué)者的預(yù)報(bào)結(jié)果曲線分布趨勢(shì)是比較一致的。由此可見(jiàn)，所搭建的冰槳干擾試驗(yàn)臺(tái)是可信的。

圖11 不同方法的螺旋槳水動(dòng)力性能對(duì)比Fig.11 Comparison of hydrodynamic performance with different methods

3.3 不同冰槳間距的干擾特性分析

在冰槳干擾水動(dòng)力試驗(yàn)中，冰槳間距是影響螺旋槳水動(dòng)力性能的最關(guān)鍵的參數(shù)之一。圖12給出了0.0～0.7進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)不同冰槳間距和敞水條件下的螺旋槳的推力和扭矩系數(shù)分布曲線。由圖12可知，當(dāng)冰槳間距大于R且進(jìn)速系數(shù)小于0.3時(shí)，冰槳干擾下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)曲線與敞水的曲線基本重合，而當(dāng)冰槳間距較小時(shí)，整個(gè)進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)冰槳干擾下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均要比敞水時(shí)要大。這說(shuō)明冰槳間距大于R且進(jìn)流速度較小時(shí)，冰槳之間的相互作用可忽略不計(jì)；而冰槳間距較小時(shí)，無(wú)論水流速度多大，冰槳之間均有較大程度的干擾效應(yīng)。

為了分析阻塞程度與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系，在圖12的基礎(chǔ)上計(jì)算出了整個(gè)進(jìn)速范圍內(nèi)冰槳干擾下的螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)相對(duì)于敞水的增幅。由圖13可知，冰模型的阻塞程度與進(jìn)速系數(shù)是非線性正相關(guān)關(guān)系，即隨著進(jìn)速系數(shù)增大，冰槳干擾下的螺旋槳的水動(dòng)力性能比敞水的增幅也在增大。可見(jiàn)，進(jìn)流速度越大，冰模型的阻塞效應(yīng)越大。從兩幅圖的對(duì)比可知，冰槳干擾下的推力系數(shù)增幅比扭矩系數(shù)的增幅要大很多，特別進(jìn)速系數(shù)較大，冰槳干擾下的推力系數(shù)增幅可達(dá)100%以上。

圖12 不同冰槳間距下的螺旋槳水動(dòng)力性能Fig.12 Blockage performance in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

圖13 不同冰槳間距下的螺旋槳水動(dòng)力性能增幅Fig.13 Blockage performance amplitude in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

3.4 不同流速對(duì)冰模型誘導(dǎo)空泡的影響

由于整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均是在大氣壓條件下進(jìn)行的，空泡數(shù)過(guò)大不足以使螺旋槳產(chǎn)生空泡。但是，在試驗(yàn)過(guò)程中意外地發(fā)現(xiàn)冰槳間距較小時(shí)冰槳干擾區(qū)域有明顯的空泡。圖14給出了在螺旋槳轉(zhuǎn)速為10 r/s和冰槳間距為0.03R不變的條件下不同進(jìn)速下的冰模型后方的空泡情況。由圖可知，當(dāng)進(jìn)速為0 m/s時(shí)，冰模型后方不產(chǎn)生空泡，而隨著進(jìn)速的提高，冰模型后側(cè)的表面開(kāi)始出現(xiàn)空泡，形成空泡尾流，這主要是由于隨著進(jìn)速的提高，冰模型后方的水流越容易紊亂，局部地區(qū)水流速度過(guò)快，容易形成低壓區(qū)。上述現(xiàn)象是在冰槳間距較小時(shí)才發(fā)生的，即冰槳間距越小時(shí)，干擾區(qū)域越容易形成低壓區(qū)。

圖14 冰模型誘導(dǎo)的空泡形式Fig.14 Cavitation pattern induced by ice block

從空泡的運(yùn)動(dòng)軌跡可明顯推測(cè)出冰槳干擾區(qū)域的水流相當(dāng)紊亂，而且這些空泡均有向內(nèi)的徑向誘導(dǎo)速度，大部分空泡都打到螺旋槳葉背上，將帶來(lái)螺旋槳水動(dòng)力下降及剝蝕問(wèn)題。從而可以想象，破冰船處于破冰狀態(tài)時(shí)，其螺旋槳處于重載工況，螺旋槳的性能不僅會(huì)受到自身誘導(dǎo)空泡的影響，更受到海冰誘導(dǎo)空泡的影響。

4 結(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)的重復(fù)性及與其他學(xué)者結(jié)果的比較，證明所搭建的冰槳干擾試驗(yàn)可很好的控制冰槳干擾過(guò)程，能夠準(zhǔn)確地獲得非接觸工況下的冰槳干擾水動(dòng)力載荷，驗(yàn)證了在循環(huán)水槽開(kāi)展冰槳干擾試驗(yàn)的可靠性和可行性。

2)通過(guò)對(duì)不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)冰槳間距大于0.1R時(shí)，冰槳干擾呈現(xiàn)出的是臨近效應(yīng)，整個(gè)螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)小幅度增加；當(dāng)冰槳間距小于0.1R時(shí)，阻塞效應(yīng)比較明顯，整個(gè)螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速增大。

3)當(dāng)冰槳間距較小時(shí)，冰槳干擾區(qū)域有明顯的空泡，而且隨著進(jìn)速的提高，冰模型誘導(dǎo)的空泡將越嚴(yán)重，并形成空泡尾流。

本文只對(duì)單塊切削型冰模型開(kāi)展冰槳干擾試驗(yàn)研究，揭示的冰槳干擾規(guī)律和機(jī)理也有限。在后續(xù)的研究中，將系統(tǒng)地開(kāi)展冰槳干擾特性研究，更全面地揭示冰槳干擾特性，并將試驗(yàn)研究結(jié)果為冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供支撐。

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本文引用格式：

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WANG Chao, YE Liyu, CHANG Xin, et al. Test of hydrodynamic loads under non-contact propeller-ice interaction[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(8): 1190-1196.

Test of hydrodynamic loads under non-contact propeller-ice interaction

WANG Chao, YE Liyu, CHANG Xin, LI Xing

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

As a result of ice approaching and blocking effect, marine screw propellers may be exposed to extreme hydrodynamic loads, leading to the deterioration of performances induced by a propeller, such as cavitation, noise, and vibration. The propeller-ice interaction is a complicated process that is affected by many factors. To study the characteristics of hydrodynamic non-contact loads during propeller-ice interaction, a testing apparatus of propeller-ice interaction was set up in a circulating water channel, and a building and manufacturing method for ice blocks was developed. The feasibility of the testing apparatus was validated through experimental repeatability analysis and a comparison with the results of other scholars. The characteristics of hydrodynamic non-contact loads at varying proximities of the propeller to an ice block and ice-induced cavitation versus water flow velocity were studied. Experimental results show that the method is feasible and can be used in the analysis of the hydrodynamic performance of propeller-ice interaction.

propeller ice interaction; hydrodynamic load; non contact condition; circulating water channel; blockage effect； ice class propeller

2016-06-01.

日期：2017-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679052, 51379040)；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目(JCKY2016604B001).

王超(1981-), 男, 副教授.

王超, E-mail: wangchao0104@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201605082

U661.31

A

1006-7043(2017)08-1190-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1802.088.html