冰阻塞誘導的連體渦空泡及其發(fā)生機理分析

薛慶雨，武珅，顧湘男，翟樹成

1 中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082

2 船舶振動與噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082

3 江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫 214082

0 引 言

當梢隙比較小的螺旋槳在高負荷工況下運轉(zhuǎn)時，有可能會在螺旋槳與船體之間發(fā)生非定常的線狀渦空化現(xiàn)象，即同時發(fā)生附著在船體和螺旋槳槳葉上的線狀渦的空化現(xiàn)象。連體渦空泡具有較強的能量，可能會造成船體局部振動加劇，也可能會給船舶或螺旋槳本身的材料造成剝蝕損傷，所以在工程應用中應堅決杜絕發(fā)生連體渦空泡的現(xiàn)象。連體渦空泡最早由Huse 在實驗室觀測到，隨后發(fā)表了相關研究論文[1]，介紹了試驗結(jié)果，并針對連體渦空泡形成原因提出了幾點假設?；谄鹗紲u假設，Huse 認為，對于船舶螺旋槳，環(huán)量的脈動部分會通過隨邊徑向渦的泄出形成閉合的渦環(huán)，而船體位于螺旋槳上方，因此槳葉環(huán)量的脈動部分會在船體上終結(jié)。為此，作者又從能量的角度對這一假設做了更為深入的補充解釋?；诎榱鲌黾羟辛鲃拥募僭O，Huse 認為，螺旋槳上半盤面的高伴流峰在最大速度梯度區(qū)域誘導產(chǎn)生的強烈的剪切流動，代表了能夠在流場中產(chǎn)生連體渦空泡所需的集中渦的渦量；但這一假設無法解釋當流場中不存在剪切流形成機制時仍能觀察到連體渦空泡的情況?；诹鲌銎渌麉^(qū)域生成渦的假設，Huse 認為，當流場其他區(qū)域產(chǎn)生的渦進入螺旋槳和船體之間的低壓環(huán)境后，會產(chǎn)生空泡，從而形成連體渦空泡；而渦可能是由特定的流動產(chǎn)生，也可能是由空泡水筒的其他部位產(chǎn)生，這一假設存在很大的偶然性和不確定性。最后，Huse 對基于“皮魯埃特效應”的假設（從自然界中龍卷風的形成過程得到的啟發(fā)）予以了討論。然而，截至目前，人們尚未對發(fā)生連體渦空泡的機理達成一致的看法。Huse 也嘗試在實驗室中采取抑制或消除連體渦空泡的措施，得出了在螺旋槳上方船體安裝豎直翼可以有效減弱連體渦空泡的結(jié)論，但因為對連體渦空泡的機理還未完全理解，所以也就無法了解豎直翼存在的尺度效應到底影響如何。

Nishiyama[2]針對連體渦空泡開展了一系列平板試驗研究，描述了當連體渦空泡發(fā)生時，槳前、后流場的變化，他指出，在實驗室條件下，可以通過調(diào)節(jié)一些關鍵參數(shù)來控制連體渦空泡的演化過程；連體渦空泡與平板和螺旋槳之間的水動力作用有關，若槳周圍存在渦自生流場，將更易出現(xiàn)連體渦以及連體渦空泡。Nishiyama 在實驗室通過合理調(diào)節(jié)螺旋槳載荷系數(shù)、梢隙比以及環(huán)境壓力，觀測了連體渦空泡從起始到生長再到消失的過程，發(fā)現(xiàn)連體渦渦核的壓力在螺旋槳一側(cè)比船體一側(cè)下降得早。因此，在螺旋槳一側(cè)連體渦空泡會率先產(chǎn)生并向船體一側(cè)發(fā)展，而消失則是從船體一側(cè)開始。但文章未針對連體渦空泡發(fā)生的機理問題進行深入探究。

Lu 等[3]采用渦流發(fā)生器成功控制了連體渦空泡，但未對連體渦空泡的發(fā)生原因做深入分析。黃紅波等[4]對渦流發(fā)生器在民船減振上的應用進行了研究，從工程應用的層面介紹了渦流發(fā)生器在降低船舶振動水平方面的作用，確立了渦流發(fā)生器是一種消除振動的有效措施。但造成船舶振動的原因很多，文中并沒有具體針對連體渦空泡做相應的研究。Xue 等[5-6]在中國船舶科學研究中心的一個集裝箱船螺旋槳模型試驗中對連體渦空化現(xiàn)象進行了觀測，但該螺旋槳方案因可能存在的工程隱患被放棄；隨后，又研發(fā)了消除連體渦的措施。在所開發(fā)的4 個消渦方案中，有3 個通過試驗證明可以消除連體渦空泡，最終，選擇最優(yōu)者應用到了實船上。這是針對連體渦問題的一次很成功的工程實踐，但關于連體渦空泡發(fā)生的影響因素以及連體渦空泡消除的機理仍不清楚，有必要進一步開展相關研究工作。

Martio 等[7]采用非定常RANS 求解器，針對連體渦空泡開展了數(shù)值研究。其通過保持梢隙比不變，針對7 個不同進速系數(shù)情況進行了計算。結(jié)果表明，RANS 方法是一種針對連體渦空泡機理開展數(shù)值模擬研究的有效方法，后期可考慮引入空化模型進行實尺度研究，并論證了采用數(shù)值方法研究連體渦空泡的可行性。

目前，對連體渦空泡的研究無論是在國外還是國內(nèi)，都是十分有限。本文將在前期工程層面工作[5-6]的基礎上，進一步予以驗證。機理試驗在中國船舶科學研究中心的空泡水筒中開展。首先，針對冰阻塞環(huán)境下的誘導連體渦空泡特性進行研究，通過數(shù)值模擬手段監(jiān)測螺旋槳周圍的流場速度分布和壓力分布情況；然后，結(jié)合項目前期的部分研究成果[8]，對冰阻塞作用下的螺旋槳連體渦空泡發(fā)生機理進行探索性的分析，以加深對連體渦空泡發(fā)生機理的認識。

1 機理試驗

為詳細研究冰阻塞環(huán)境在誘導連體渦空泡中所起的作用，研究不同參數(shù)對連體渦空泡特性的影響，分析連體渦空泡的產(chǎn)生機理，本文在中國船舶科學研究中心的空泡水筒中設計了冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳性能試驗。

1.1 試驗布局

本文設計的機理試驗由在上、下和前、后方向上可以自由滑動的金屬塊模擬冰塊（以下稱“冰模型”），來進行冰阻塞模擬試驗，試驗布局如圖1 所示。螺旋槳模型直徑D=250 mm，冰模型橫截面寬250 mm，高125 mm，軸向長度430 mm，可實現(xiàn)0～200 mm 的軸向運動，并裝配了相應的軸向驅(qū)動和位移監(jiān)測系統(tǒng)。垂向位置固定后，通過調(diào)節(jié)機構使冰模型做靠近或遠離螺旋槳的運動，以控制槳上連體渦空泡的產(chǎn)生。圖中：H 為冰模型下端面至螺旋槳軸中心的距離；L 為冰模型前端面至螺旋槳盤面的距離。

圖1 機理試驗布局Fig. 1 Configuration of mechanism related experiment

1.2 試驗方案

冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳模型空泡性能試驗中，進速系數(shù)為0.4，螺旋槳轉(zhuǎn)速35 r/s、轉(zhuǎn)速空泡數(shù)1.5。冰模型驅(qū)動機構安裝在螺旋槳進流前方，分別選取H=0.625D，0.5D，0.375D，0.25D，0.125D，0。在每個垂向位置，選取L=0.63D～0.07D，ΔL=0.04D。通過調(diào)節(jié)水流流速和螺旋槳轉(zhuǎn)速，使螺旋槳葉片載荷達到設定值。

1.3 試驗結(jié)果與分析

試驗中，通過調(diào)節(jié)垂向位移機構，將冰模型先后定位在試驗方案中給定的幾個垂向位置。在每個垂向位置，通過調(diào)節(jié)軸向位移機構，使冰模型在L=0.63D～0.07D 的范圍內(nèi)，以ΔL=0.04D 的步長沿軸向運動，并通過頻閃錄像記錄螺旋槳上的空泡形態(tài)。圖2 所示為H=0.25D 時，槳和冰模型之間產(chǎn)生的連體渦空泡現(xiàn)象。從中可以看到，當L/D=0.43 時，出現(xiàn)了連體渦空泡，從冰模型的前端面延伸到了螺旋槳葉片上；隨著螺旋槳與冰模型之間距離的減小，連體渦空泡有增強的趨勢，甚至出現(xiàn)了多條渦線并存的情況，如圖2(c)所示。

圖2 H=0.25D 時螺旋槳上的空泡形態(tài)Fig. 2 Cavitation on the propeller at H=0.25D

圖3 H=0.5D 時螺旋槳上的空泡形態(tài)Fig. 3 Cavitation on the propeller at H=0.5D

在相同的來流速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，當H=0.5D 時，如圖3 所示，冰模型以同樣的方式向螺旋槳移動，卻始終未發(fā)生連體渦空泡現(xiàn)象。這說明對于H=0.5D 的情況，冰模型與螺旋槳之間沒有形成足夠強的水動力相互作用，未達到連體渦空泡產(chǎn)生的條件。

2 數(shù)值模擬

本節(jié)針對冰阻塞環(huán)境下螺旋槳模型試驗中觀察到的連體渦空泡，結(jié)合粘性CFD 方法，選取典型試驗工況，對螺旋槳模型周圍的壓力場、速度場進行了數(shù)值模擬，以輔助開展對連體渦空泡發(fā)生機理的分析。

2.1 數(shù)值算法

空泡流動控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，湍流模型采用SST k-ω 模型[9-10]。首先，采用多重坐標參考系（MRF）方法進行定常計算，得到準穩(wěn)定流場，然后，采用非定?；凭W(wǎng)格方法模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運動。其中，對壓力速度的求解采用SIMPLE 分離算法。

2.2 模擬方案

根據(jù)螺旋槳和冰模型的幾何參數(shù)，建立螺旋槳水動力計算模型，選取螺旋槳受冰阻塞作用的典型工況：H=0.25D，L/D=0.63，0.35，0.11，模擬螺旋槳在不同冰、槳間距下速度場和壓力場的變化。

為了準確模擬螺旋槳周圍的非定常流動，將整個計算域劃分為了螺旋槳附近的旋轉(zhuǎn)域和流動域。采用非定?；凭W(wǎng)格方法，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域的接觸面設置為交界面，每對交界面之間存在相對滑移，形狀可以任意變化，但兩者的形狀完全契合，交界面上的物理信息通過插值進行數(shù)據(jù)傳遞。如圖4 所示，將計算域進口設置為速度進口邊界條件，計算域出口設置為壓力出口邊界條件，計算域側(cè)面邊界設置為固定壁面以模擬空泡水筒壁面。

圖4 計算域示意圖Fig. 4 Schematic diagram of computational domain

采用切割單元體網(wǎng)格對計算域進行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約500 萬，對螺旋槳與冰模型附近區(qū)域的網(wǎng)格進行加密，如圖5 所示。非定常水動力數(shù)值模擬的時間步長設為7.94×10-5s，每個時間步長對應的螺旋槳旋轉(zhuǎn)角度為1.000 44°，總迭代步數(shù)為5.96 萬。

圖5 計算域網(wǎng)格劃分Fig. 5 Mesh division of computational domain

2.3 速度場及壓力場分布

基于前文所述數(shù)值方法，分別對冰阻塞環(huán)境下螺旋槳周圍的速度場及壓力場分布進行模擬，結(jié)果如圖6 和圖7 所示。由圖可見，隨著冰模型逐漸向槳盤面移動，其前端面附近流體的軸向速度出現(xiàn)了明顯下降，且速度場分布越來越不均勻，呈現(xiàn)出很強的非定常特性；同樣，在這一過程中，螺旋槳與冰模型這兩者間的局部壓力也在不斷下降，而且靠近螺旋槳一側(cè)的壓力下降得更快，特別是在螺旋槳葉梢附近出現(xiàn)了明顯的低壓極值點。

3 機理分析

3.1 皮魯埃特效應

圖6 冰阻塞環(huán)境下的軸向速度場分布Fig. 6 Axial velocity field distribution under ice block conditions

圖7 冰阻塞環(huán)境下的壓力場分布Fig. 7 Pressure field distribution under ice block conditions

在自然界，“皮魯埃特效應”廣泛存在，例如“龍卷風”現(xiàn)象等。當氣流向下伸展時，渦旋會不斷拉伸變細，在同樣的轉(zhuǎn)動慣量作用下，變細的渦管的中心轉(zhuǎn)速會加快，即渦旋的強度變大，壓力下降，使得渦旋有足夠的強度發(fā)展至地面，從而形成龍卷風?！捌敯Ｌ匦奔词且粋€體積較大的渦旋在伸展變細的過程中，渦旋核心的旋轉(zhuǎn)不斷加快，從而導致渦強不斷增加的過程。若在水中生成了這樣的渦旋，那么不斷伸展變細的一端的中心旋轉(zhuǎn)會加快，強度增強，壓力下降，在滿足空化的環(huán)境條件下，較細一端的渦旋就會從其中心首先發(fā)生空化，并向另一端蔓延，進而呈現(xiàn)出特別的渦空泡現(xiàn)象。

3.2 連體渦空泡形成機理分析

前文已經(jīng)給出了冰阻塞環(huán)境下連體渦空泡的試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，這里將結(jié)合螺旋槳周圍速度場和壓力場的數(shù)值模擬結(jié)果，對連體渦空泡的形成機制進行分析。當冰模型越來越靠近螺旋槳時，對于H=0.25D 的情況，阻塞效應將越來越強，并導致流速降低，如如圖6 所示。因此，螺旋槳將不能從前方得到足夠的來流，槳盤面實際進速大幅減小，葉面的載荷不斷增加，與冰模型之間的水動力相互作用持續(xù)增大。再加上螺旋槳自身的抽吸作用，冰模型兩側(cè)壁面附近的流動會增強；同時，冰模型下壁面形成加速流動，并在端部向上翻卷。在此過程中，螺旋槳上方的流體有可能誘導出現(xiàn)回流，只是其強度無法確定。這幾股運動的流體在冰模型前端面附近發(fā)生強烈的耦合作用，很可能會在該區(qū)域形成一個或數(shù)個流動遲滯點，即形成流動速度為0 的流體層，如圖8 所示。流動遲滯點處的流體層在螺旋槳旋轉(zhuǎn)的誘導作用下，會形成渦旋，然后在“皮魯埃特效應”的持續(xù)作用下，流場壓力，特別是在靠近葉梢處，會越來越低（圖7），這一渦旋將向螺旋槳延伸，并終結(jié)到槳葉上。當渦管中心的壓力降低到飽和蒸汽壓以下時，會產(chǎn)生空化，如圖2 所示，從而形成連體渦空泡。由于靠近螺旋槳一側(cè)的渦管更細，旋轉(zhuǎn)速度更快，所以渦管中心的壓力也將更早地降至空化臨界點，形成渦空泡，這與試驗中觀測到的現(xiàn)象是吻合的。在上述連體渦空泡演化過程中，因存在反向流動，回流能否影響到金屬塊的前端面，對流動遲滯點的形成起多大作用尚無法得知，所以在圖8 中采用虛線來表示。

圖8 連體渦空泡形成機制的流動分析Fig. 8 Hydrodynamic analysis about the mechanism of propellerhull vortex cavitation

對于H=0.5D 的情況，如圖3 所示，當冰模型以同樣的情況向螺旋槳移動時，始終未產(chǎn)生連體渦空泡，這恰好為以上分析連體渦空泡的形成機理提供了反面證據(jù)，即在這種情況下，槳盤面能夠得到足夠多的來流，也即冰模型的阻塞效應未達到足夠的強度，導致上文所述的誘導連體渦空泡因素不復存在，因此連體渦空泡未出現(xiàn)。從連體渦空泡產(chǎn)生機理的流動分析來看，首先，需存在如上所述的渦形成機制，在螺旋槳和冰模型之間的強水動力相互作用下形成流動遲滯點，并在螺旋槳旋轉(zhuǎn)的誘導作用下形成渦系結(jié)構；其次，能夠形成“皮魯埃特效應”機制，即該渦旋能在某種力的作用下不斷拉伸、生長，并最終附著在固壁上；最后，這一切都歸結(jié)為螺旋槳的高負荷以及足夠小的來流空間導致的阻塞效應，例如機理試驗中冰模型至槳軸的距離足夠小。

4 結(jié) 論

本文在空泡水筒中開展了冰阻塞環(huán)境下螺旋槳空泡，特別是連體渦空泡特性的試驗，并結(jié)合數(shù)值模擬方法對連體渦空泡形成機理進行了分析，得出以下主要結(jié)論：

1） 當H=0.25D時，會誘發(fā)連體渦空泡；當H=0.5D時，不發(fā)生連體渦空泡。在前者情況下，冰模型與螺旋槳之間的水動力作用強度更強，說明在冰阻塞環(huán)境下水動力相互作用是影響連體渦空泡的一個重要因素。

2） 壁面附近流動遲滯點的形成以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)形成的誘導作用是本文機理試驗中渦的誘發(fā)機制，連體渦空泡的形成需要流場中存在渦系結(jié)構，數(shù)值模擬為此提供了很好的支撐，同時也驗證了連體渦空化從螺旋槳一側(cè)起始的觀測結(jié)果。

3） 在冰阻塞環(huán)境下，“皮魯埃特效應”是連體渦空泡形成的一個關鍵機制，它使得在一個壁面上形成的渦旋能夠向附近的固壁延伸并終結(jié)在固壁上，這一效應的引入能夠很好地解釋本文試驗中連體渦空泡形成的機理。