冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)研究

郭春雨，徐 佩，張海鵬

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引 言

極地海洋在地球上大約占海洋總面積的7%，比歐洲和美國(guó)北部覆蓋的海洋區(qū)域加起來(lái)還大。特別是北極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的資源，有“地球最后寶庫(kù)”的美稱，既包括豐富的可再生能源，還有著日漸緊缺的石油、天然氣、金剛石和稀有元素等寶貴的不可再生資源[1]，隨著能源價(jià)格的上漲，對(duì)于新興能源開(kāi)發(fā)的需求不斷增大。同時(shí)，隨著全球氣候的逐漸變暖，北極航道的開(kāi)通成為了可能，相比于遠(yuǎn)東和歐洲之間南部海上航線，北極航道縮短了60%的航行距離，這意味著存在巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益[2]，為了追求經(jīng)濟(jì)性，大量的船舶將會(huì)選擇北極航道航行。這給冰區(qū)航行船舶、極地科考船以及破冰船的建造提供了契機(jī)，隨著北極地區(qū)資源的開(kāi)發(fā)以及航道的開(kāi)通，冰區(qū)船舶的研究成為了人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)。船舶在冰區(qū)航行，特別是在破冰情況下航行時(shí)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致碎冰在船舶艏部下沉，當(dāng)船舶通過(guò)覆冰區(qū)域時(shí)，碎冰會(huì)沿著船體逐步靠近螺旋槳，從而使螺旋槳受到極端載荷的作用[3-5]，直接影響到船舶的推進(jìn)效率，關(guān)系到了船舶的振動(dòng)、航速和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等，所以進(jìn)行螺旋槳-冰相互作用的研究具有十分重要的意義。

國(guó)外在螺旋槳-冰相互作用的研究中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，自從Lindroos和Bj?rkestam（1986）[6]使用平板代替冰第一次成功嘗試了冰對(duì)螺旋槳的阻塞現(xiàn)象以來(lái)，螺旋槳-冰相互作用過(guò)程中螺旋槳水動(dòng)力性能的研究一直都是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。Laskow（1988）[7]通過(guò)蠟塊在加拿大國(guó)家研究委員會(huì)海洋技術(shù)研究所（IMD）的拖曳水池中進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了導(dǎo)管槳的冰塊流與阻塞的水動(dòng)力效應(yīng)，并與Lindroos和Bj?rkestam（1986）的試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明堵塞導(dǎo)致螺旋槳軸向推力、軸向扭矩、螺旋槳的振動(dòng)和吸收力的增加。此外，還測(cè)量出阻塞導(dǎo)致導(dǎo)管推力的減少，導(dǎo)管推力的減小大于軸向推力的增加，從而使導(dǎo)管槳總推力下降。Luznik（1994）等人[8]利用加拿大海岸警備隊(duì)（CCGS）R級(jí)破冰船的固定距螺旋槳進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)量了阻塞流中螺旋槳與凹槽模型冰距離固定時(shí)，不同進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳水動(dòng)力性能的變化，以及螺旋槳在某一個(gè)進(jìn)速系數(shù)時(shí)，模型冰與螺旋槳不同距離時(shí)螺旋槳的水動(dòng)力性能的變化。試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)量了螺旋槳的推力和扭矩，形成了螺旋槳-冰相互作用時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能廣泛研究的一部分。Newbury（1994）等做過(guò)類似的試驗(yàn)，區(qū)分點(diǎn)在于所選擇的模型結(jié)構(gòu)不同。1996年，Walker等人[9]同樣在紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)的拖曳水池中對(duì)直徑為200 mm的敞水槳進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)量了螺旋槳在均勻流和阻塞流中平均和瞬時(shí)螺旋槳推力和扭矩以及模型冰拖曳力、模型冰接近螺旋槳時(shí)螺旋槳槳葉的壓力和模型冰距離的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明阻塞效應(yīng)使螺旋槳推力和扭矩增加，此外，阻塞也導(dǎo)致了平均載荷振動(dòng)的增加。Mooresc（2002）等人[10]在冰水池中對(duì)大傾斜螺旋槳進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的變化，同時(shí)觀察到螺旋槳槳葉破壞的現(xiàn)象。2005年，Liu[11]改進(jìn)了PROPELLA程序，研究了R級(jí)螺旋槳與鋸齒形冰塊距離改變時(shí)冰塊對(duì)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能的影響，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。Wang（2006）等人[12-13]在冰水池中進(jìn)行了螺旋槳-冰相互作用過(guò)程中螺旋槳的形狀和運(yùn)轉(zhuǎn)條件（螺旋槳進(jìn)速系數(shù)、槳葉的攻角和模型冰的切割深度）的試驗(yàn)，并與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。2007年，Sampson等人[14-15]在愛(ài)默生空泡水筒中研究吊艙推進(jìn)器在冰槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，該過(guò)程類似于破冰船在系泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，Sampson等人（2013）在愛(ài)默生空泡水筒中分析了吊艙推進(jìn)器與模型冰在切削過(guò)程中的空泡問(wèn)題，以及進(jìn)行了空氣中的切削，并對(duì)實(shí)尺度螺旋槳-冰相互作用的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。

目前，國(guó)內(nèi)在螺旋槳與冰方面的研究還非常少，而試驗(yàn)方面的研究幾乎沒(méi)有。針對(duì)國(guó)內(nèi)在冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響試驗(yàn)短缺的情況，在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行非凍結(jié)模型冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)，探究非凍結(jié)模型冰在鄰近和阻塞狀態(tài)下對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響。

1 非凍結(jié)模型冰試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行，船模拖曳水池的尺寸為：長(zhǎng)×寬×深為108 m×7 m×3.5 m。拖車速度范圍為0.1～6.5 m/s，通過(guò)螺旋槳?jiǎng)恿x進(jìn)行螺旋槳推力和扭矩的測(cè)量，其推力和扭矩的最大范圍是250 N和10 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 500 rpm；通過(guò)DHDAS數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)主要是在螺旋槳敞水性能實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在螺旋槳來(lái)流方向上加入非凍結(jié)模型冰，通過(guò)改變模型冰的位置以及尺寸來(lái)研究螺旋槳推力和扭矩的變化，其中非凍結(jié)模型冰的移動(dòng)裝置和螺旋槳敞水性能實(shí)驗(yàn)裝置是兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，分別由不同的固模架連接，固模架之間彼此沒(méi)有聯(lián)系，試驗(yàn)裝置的安裝位置如圖1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中為了模擬真實(shí)冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了非凍結(jié)模型冰推進(jìn)裝置，該裝置在螺旋槳-冰相互作用過(guò)程中需要經(jīng)受極大的抽吸力，同時(shí)提供可控制的推進(jìn)速度以及精確的移動(dòng)距離。該推進(jìn)裝置主要由kk線性模組、AC伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，kk線性模組和AC伺服電機(jī)固定在固模架上，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冰的移動(dòng)，該控制系統(tǒng)主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)冰的點(diǎn)動(dòng)向前、點(diǎn)動(dòng)向后、連動(dòng)向前和連動(dòng)向后四種運(yùn)動(dòng)類型，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和位移的精度分別為±0.01 mm/s和±0.01 mm，最大移動(dòng)范圍為550 mm，其中速度和位移大小可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器中的內(nèi)部程序來(lái)改變。

1.2 螺旋槳

本次試驗(yàn)所用的螺旋槳模型是根據(jù)某海事巡邏船原型槳按1：6縮尺比并進(jìn)行局部修改得到的，螺旋槳的相關(guān)尺寸和參數(shù)如表1所示。

1.3 非凍結(jié)模型冰

考慮到船模拖曳水池的限制和其他因素，不能直接選擇凍結(jié)冰作為試驗(yàn)材料，而是選擇非凍結(jié)模型冰作為試驗(yàn)材料。與凍結(jié)冰相比非凍結(jié)模型冰具有費(fèi)用低、制作時(shí)間短和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。非凍結(jié)模型冰是螺旋槳和冰相互作用過(guò)程中的關(guān)鍵因素，也是試驗(yàn)前期最難選擇的工作，由于試驗(yàn)過(guò)程中螺旋槳與模型冰之間的最小距離為1 mm，為了防止螺旋槳槳葉的破壞以及模型冰斷裂，最終選擇了壓縮強(qiáng)度為166 kPa的酚醛保溫板作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)過(guò)程中分別制作了長(zhǎng)度為200 mm，厚度為80 mm和120 mm，寬度為200 mm的模型冰，模型冰的大小如圖2所示。

圖2 不同尺寸的模型冰Fig.2 Different sizes of model ice

圖3 螺旋槳-冰不同距離時(shí)模型冰的位置分布Fig.3 The location of model ice in the different distances between the propeller and the ice

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions

1.4 試驗(yàn)工況

船舶在冰區(qū)航行時(shí)經(jīng)常受到不同數(shù)量、不同大小、不同方向的冰沿著船體逐漸接近螺旋槳對(duì)螺旋槳產(chǎn)生阻塞影響，使螺旋槳水動(dòng)力性能發(fā)生顯著變化。試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)工況主要包括四部分，工況1：不同厚度的模型冰在阻塞狀態(tài)下對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響；工況2：螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.2，0.4和0.7時(shí)螺旋槳-冰不同距離時(shí)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響；工況3：探究冰在橫向不同位置時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能的變化；工況4：探究冰在垂向不同位置時(shí)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響。具體試驗(yàn)工況如表2所示，工況2中螺旋槳-冰不同距離時(shí)模型冰的位置分布如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先建立模型冰運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系o-xyz定義為坐標(biāo)系原點(diǎn)固定在螺旋槳槳葉的最前端，x軸定義為由槳模敞水試驗(yàn)箱指向來(lái)流的方向，y軸正向?yàn)閺臉３ㄋ囼?yàn)箱向來(lái)流方向看時(shí)指向左側(cè)為正方向，根據(jù)右手定則可以得出z軸的方向向上。此外，試驗(yàn)過(guò)程中需要精確控制螺旋槳-冰之間的距離，試驗(yàn)開(kāi)始之前需要確定模型冰的初始位置，本試驗(yàn)通過(guò)模型冰推進(jìn)裝置把模型冰移動(dòng)到坐標(biāo)原點(diǎn)前平板的位置，該位置定義為模型冰的初始位置，其中平板的厚度為10 mm，模型冰到達(dá)該位置后可以進(jìn)行其他位置的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中以模型冰靠近螺旋槳的面為參考面，以參考面上最上端線的中點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行模型冰的移動(dòng)。

本次試驗(yàn)利用哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池及螺旋槳?jiǎng)恿x對(duì)螺旋槳在阻塞和鄰近狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，在綜合考慮水池長(zhǎng)度、拖車速度、以及雷諾數(shù)等各項(xiàng)因素下螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)為n=1 000 rpm，試驗(yàn)水溫為15攝氏度，螺旋槳的槳葉雷諾數(shù)依據(jù)下式計(jì)算得到：

式中：VA為螺旋槳航行時(shí)的進(jìn)速（m/s）；n 為螺旋槳的轉(zhuǎn)速（r/s）；D 為螺旋槳槳模的直徑（m）；b0.75R為螺旋槳槳葉在0.75R處的葉切面弦長(zhǎng)（m）；ν為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（m2·s-1）；當(dāng)螺旋槳航行進(jìn)速VA=0 m/s時(shí)，計(jì)算得到的雷諾數(shù)滿足我國(guó)上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室規(guī)定的雷諾數(shù)Re=3×105的要求，使螺旋槳處于充分湍流的流場(chǎng)狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程中螺旋槳推力T和扭矩Q分別由螺旋槳?jiǎng)恿x測(cè)得，為了后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的分析和比較，無(wú)量綱系數(shù)定義如下：

2.1 敞水試驗(yàn)

圖4為螺旋槳推力、扭矩和效率隨進(jìn)速系數(shù)J變化的螺旋槳敞水性能曲線，進(jìn)速系數(shù)J的變化范圍為J=0～0.9?？梢钥闯?，螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的增加逐漸減小，效率隨進(jìn)速系數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后逐漸減小的趨勢(shì)，在進(jìn)速系數(shù)J=0.7時(shí)效率達(dá)到最大值。

2.2 模型冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)

2.2.1 模型冰在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)螺旋槳性能分析

圖5為螺旋槳在模型冰h=25 mm和h=65 mm阻塞流和均勻流中螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)曲線，圖中可以看出阻塞導(dǎo)致螺旋槳在整個(gè)進(jìn)速范圍內(nèi)螺旋槳推力和扭矩的增加。在圖5中，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加螺旋槳在阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩值與敞水實(shí)驗(yàn)值相比差值越來(lái)越大，在高進(jìn)速系數(shù)J=0.8時(shí)，螺旋槳推力和扭矩增加量最大，阻塞高度為h=25 mm和h=65 mm時(shí)螺旋槳推力系數(shù)增量分別為ΔKT=0.136 6和ΔKT=0.193 3，螺旋槳扭矩系數(shù)增量分別為Δ10KQ=0.147 5和Δ10KQ=0.181 8。圖5可以看出，模型冰越厚對(duì)螺旋槳的推力影響越大，且隨著進(jìn)速系數(shù)的增加兩種阻塞狀態(tài)下的螺旋槳推力值之間的差值也越來(lái)越大。螺旋槳的扭矩呈現(xiàn)出在進(jìn)速系數(shù)J=0～0.5范圍內(nèi)，阻塞高度越高螺旋槳的扭矩越小，在進(jìn)速系數(shù)J=0.5～0.8范圍內(nèi)時(shí)，阻塞高度越高螺旋槳的扭矩值越大，且在該范圍內(nèi)螺旋槳扭矩值變化不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：由于螺旋槳-冰之間的距離較近，在低航速時(shí)模型冰越厚其尾部流場(chǎng)越均勻，螺旋槳扭矩也就越小。

圖4 螺旋槳敞水性能曲線Fig.4 Open water performance diagram of the propeller

圖5 阻塞流中螺旋槳的水動(dòng)力性能曲線Fig.5 Propeller performance diagram in blocked flow

圖6 不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)螺旋槳推力系數(shù)曲線Fig.6 The thrust coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

圖7不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)螺旋槳扭矩系數(shù)曲線Fig.7 The torque coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

圖6 和圖7分別表示螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.2、J=0.4和J=0.7時(shí)螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳-冰之間距離的變化曲線，圖中可以看出，模型冰在X=10～500 mm范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳-冰之間距離的減小而逐漸增加，增加的主要原因有兩個(gè)方面，一方面是螺旋槳-冰之間距離減小導(dǎo)致壁面效應(yīng)的產(chǎn)生，壁面效應(yīng)使螺旋槳槳葉后部的水流相對(duì)速度升高，導(dǎo)致流體的壓強(qiáng)相對(duì)減少，使得螺旋槳推力和扭矩的增加，它是模型冰和螺旋槳之間距離的非線性函數(shù)。另一方面是螺旋槳槳葉在冰阻塞引起的可分離緩慢流中旋轉(zhuǎn)，造成螺旋槳局部進(jìn)速系數(shù)的減小，從而使螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)穩(wěn)定增加。圖中模型冰在X=1～10 mm范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋槳推力和扭矩系數(shù)顯著增加，但是螺旋槳推力和扭矩的增加量與螺旋槳敞水值相比不能穩(wěn)定增加，隨螺旋槳-冰距離的減小，螺旋槳的推力和扭矩值在個(gè)別點(diǎn)發(fā)生突變，使螺旋槳在該范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)因阻塞造成的推力和扭矩的增加量不穩(wěn)定。圖中可以看出在螺旋槳-冰距離較近時(shí)螺旋槳-冰之間距離變化量很小時(shí)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力的性能產(chǎn)生很大的影響，螺旋槳-冰之間的距離每減小1 mm，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的最大增加量分別為ΔKT=0.01和ΔKQ=0.04。與螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)值相比，螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.2時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.036和ΔKQ=0.059，螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.4時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.052和ΔKQ=0.079，螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.7時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.121和ΔKQ=0.149。通過(guò)對(duì)比螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下推力和扭矩系數(shù)曲線，模型冰在X=1～500 mm該范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋槳進(jìn)速系數(shù)越小螺旋槳阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩值與敞水實(shí)驗(yàn)值相比增量越小，進(jìn)速系數(shù)越大螺旋槳推力和扭矩的增量越大。螺旋槳推力和扭矩的增加量除壁面效應(yīng)和模型冰尾渦的影響外，螺旋槳-冰之間的限制流也導(dǎo)致了螺旋槳推力和扭矩的進(jìn)一步增加，特別是螺旋槳推力和扭矩增加的數(shù)量級(jí)在實(shí)尺度預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)該充分考慮。

2.2.2 模型冰在橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)螺旋槳性能分析

圖8所示，模型冰在y軸上移動(dòng)時(shí)螺旋槳推力在低進(jìn)速系數(shù)時(shí)變化不明顯，在高進(jìn)速系數(shù)時(shí)略有差異，模型冰在y軸負(fù)方向和螺旋槳正前方時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的推力大于模型冰位于y軸正方向時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的推力。對(duì)于螺旋槳扭矩系數(shù)而言，模型冰位于y軸正方向時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的扭矩大于模型冰在y軸負(fù)方向和螺旋槳正前方時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的扭矩，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是螺旋槳的旋向?yàn)橛倚?dāng)模型冰位于y軸正方向時(shí)螺旋槳的吸流區(qū)受到阻擋，使螺旋槳因阻塞造成的周向誘導(dǎo)速度減小，從而使螺旋槳產(chǎn)生的扭矩變大。

圖8 冰在y軸不同位置時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能曲線Fig.8 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of y axis

圖9 冰在z軸不同位置時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能曲線Fig.9 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of z axis

2.2.3 模型冰在垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)螺旋槳性能分析

由圖9（a），模型冰沿z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)螺旋槳受到的推力越大，但是在進(jìn)速系數(shù)J=0～0.2范圍內(nèi)，模型冰在z=20 mm位置處時(shí)對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的推力大于模型冰在z=-20 mm位置處時(shí)對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的推力，且模型冰在z=-20 mm位置處螺旋槳進(jìn)速系數(shù)大于0.3時(shí)，隨螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的增加螺旋槳受到的推力逐漸增加，圖9（b）中的扭矩也呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。圖9（b）中，在進(jìn)速系數(shù)J=0～0.3范圍內(nèi)，模型冰在z=60 mm處時(shí)對(duì)螺旋槳扭矩的影響大于模型冰在z=20 mm處對(duì)螺旋槳扭矩的影響，其他進(jìn)速范圍內(nèi)，模型冰沿z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)螺旋槳受到的扭矩越大。在圖9中可以看出，模型冰在z軸不同位置時(shí)對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響隨進(jìn)速系數(shù)的增加差值越來(lái)越大，與螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)值相比差值也越來(lái)越大。

3 結(jié) 論

（1）模型冰對(duì)螺旋槳的阻塞導(dǎo)致了螺旋槳推力和扭矩的增加，在螺旋槳-冰距離很近時(shí)增加的主要原因歸結(jié)于螺旋槳-冰之間的距離、模型冰尾渦以及螺旋槳與冰之間限制流的影響，螺旋槳推力和扭矩增加的數(shù)量級(jí)在實(shí)尺度預(yù)報(bào)中應(yīng)該充分考慮。

（2）不同厚度的模型冰在阻塞狀態(tài)下對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響表現(xiàn)為：模型冰越厚對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的推力越大，對(duì)螺旋槳扭矩的影響則表現(xiàn)為在低進(jìn)速系數(shù)時(shí)模型冰越薄對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的扭矩越大，越厚對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的扭矩越小，在高進(jìn)速系數(shù)時(shí)則相反。因此，冰區(qū)船舶螺旋槳設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮薄冰對(duì)螺旋槳扭矩的影響。

（3）通過(guò)對(duì)比不同航速下螺旋槳-冰之間距離對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響可以得出，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)越小螺旋槳阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩與敞水實(shí)驗(yàn)值相比增量越小，進(jìn)速系數(shù)越大螺旋槳推力和扭矩值的增量越大，同時(shí)，對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的空泡、振動(dòng)以及槳葉的破壞也越大。因此，船舶在冰區(qū)航行時(shí)應(yīng)保持低速航行。

（4）模型冰在橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)螺旋槳推力的影響幾乎不變，對(duì)螺旋槳扭矩的影響則表現(xiàn)為在y軸正方向時(shí)最大，冰區(qū)船舶螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮螺旋槳的旋向問(wèn)題。隨著模型冰在z軸負(fù)方向的運(yùn)動(dòng)，螺旋槳推力和扭矩越大，且出現(xiàn)了逐漸上升的趨勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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