船舶復(fù)合材料螺旋槳模型試驗(yàn)的特殊性分析

武珅，宋明太

1 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082

2 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082

3 江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082

0 引 言

與傳統(tǒng)的金屬合金螺旋槳相比，復(fù)合材料螺旋槳具有高比強(qiáng)度、高阻尼等特性，利用這些特性可大幅降低螺旋槳的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，自適應(yīng)船尾伴流場(chǎng)變化，提高推進(jìn)效率和改善槳葉空泡性能以及材料阻尼特性，并減弱螺旋槳與軸系耦合振動(dòng)，從而達(dá)到降低螺旋槳輻射噪聲的目的。因此復(fù)合材料螺旋槳在民船和軍船上都有廣闊的應(yīng)用前景。

國(guó)外復(fù)合材料螺旋槳已有近50 年的發(fā)展歷史，早期應(yīng)用于魚(yú)雷、自主式水下機(jī)器人（AUV）、游艇等小型船舶和航行體。近年來(lái)，復(fù)合材料螺旋槳在潛艇和大型商船上得到了應(yīng)用，證明其在節(jié)能增效和減振降噪方面具有良好的效果。在國(guó)內(nèi)，考慮到復(fù)合材料螺旋槳的減重優(yōu)點(diǎn)，在小型潛器上應(yīng)用了復(fù)合材料螺旋槳，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整配重及延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的目的，但在大型艦艇上的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。

早期研究復(fù)合材料螺旋槳性能多采用勢(shì)流與有限元結(jié)合的方法來(lái)計(jì)算槳葉受力及變形[1]，后來(lái)，逐漸發(fā)展到采用粘流與有限元結(jié)合的方法來(lái)計(jì)算湍流流動(dòng)與槳葉的振動(dòng)耦合[2-3]。從公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作主要集中在復(fù)合材料參數(shù)、槳葉變形等對(duì)螺旋槳水動(dòng)力特性的宏觀影響方面[4-7]，而鮮有涉及槳葉振動(dòng)、湍流和渦系耦合作用下螺旋槳的發(fā)聲機(jī)制及減振降噪機(jī)理[8]，研究對(duì)象也基本上局限于模型尺度，且多為數(shù)值模擬和理論分析，缺乏可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證，公開(kāi)的試驗(yàn)結(jié)果也非常有限。

在復(fù)合材料螺旋槳模型（以下稱“槳?！保┖蛯?shí)尺度螺旋槳（以下稱“實(shí)槳”）試驗(yàn)的相似關(guān)系研究方面，Young[9]針對(duì)金屬合金螺旋槳比較了弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)、馬赫數(shù)等相似帶來(lái)的差異，提出了理想狀態(tài)下幾何與材料相似的槳模試驗(yàn)應(yīng)滿足馬赫數(shù)相等的要求，即槳模與實(shí)槳葉梢線速度相同。但是，鑒于復(fù)合材料的各向異性，其具有細(xì)觀結(jié)構(gòu)及眾多的力學(xué)性能參數(shù)，在制備工藝的影響下，加工后的槳模與實(shí)槳在材料、幾何和力學(xué)性能的縮比方面都還可能存在差異，難以保證二者的全部參數(shù)都滿足相似關(guān)系，故仍需結(jié)合實(shí)際的槳模與測(cè)試情況提取主要相似參數(shù)并分析其影響規(guī)律。

綜上所述，本文將對(duì)復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力與噪聲性能在模型試驗(yàn)方面存在的特殊性進(jìn)行分析。首先，考慮槳葉流固耦合特性，分析槳模試驗(yàn)的特殊需求；然后，采用量綱分析方法，建立復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力與噪聲性能的特殊相似關(guān)系及其換算方法；最后，結(jié)合槳模實(shí)際加工情況，提出滿足槳模試驗(yàn)要求所需的特殊測(cè)試技術(shù)，用以為合理開(kāi)展試驗(yàn)及制定標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程提供參考。

1 槳葉流固耦合作用的特殊性

與傳統(tǒng)的金屬合金螺旋槳相比，復(fù)合材料螺旋槳的剛度相對(duì)較低，在水動(dòng)力載荷作用下槳葉易產(chǎn)生彎扭耦合變形(圖1)，具有明顯的水彈性效應(yīng)，導(dǎo)致槳葉螺距、縱傾、剖面攻角等參數(shù)及其水動(dòng)力性能變化，進(jìn)而再次造成槳葉的變形程度發(fā)生改變，即復(fù)合材料槳葉與流體間產(chǎn)生流固耦合的相互作用。

圖1 船舶復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形示意圖Fig. 1 Schematic diagram of blade deformation of composite marine propeller

目前，國(guó)內(nèi)基本上未在實(shí)船上應(yīng)用大型復(fù)合材料螺旋槳，若不能充分解決許多基礎(chǔ)性問(wèn)題，直接開(kāi)展實(shí)船試驗(yàn)會(huì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，大尺度螺旋槳試驗(yàn)對(duì)外場(chǎng)條件、驅(qū)動(dòng)和測(cè)試設(shè)備的要求較高，且存在外界干擾和不確定因素的影響。因此，現(xiàn)階段應(yīng)更多地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的縮比尺度模型試驗(yàn)。

圖2 所示為不同試驗(yàn)流速（4 和5 m/s）下某五葉復(fù)合材料螺旋槳槳模（圖中稱“復(fù)材槳”）與幾何型值相同的金屬合金槳槳模（圖中稱“金屬槳”）的水動(dòng)力性能對(duì)比。需指出的是，金屬槳模在不同流速下的推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及效率η 曲線重合，故在圖2 中表示為一組曲線。而復(fù)材槳模試驗(yàn)得到的KT，KQ及η 相比金屬槳模都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，不同流速下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)存在差異。這表明復(fù)材槳槳葉在水動(dòng)力載荷作用下，其變形會(huì)導(dǎo)致螺旋槳水動(dòng)力性能出現(xiàn)不同程度的變化，由二者槳葉材料力學(xué)特性的差異而導(dǎo)致的變化幅度可達(dá)20%。此外，槳葉變形導(dǎo)致的葉剖面攻角不同，使得流體經(jīng)過(guò)槳葉剖面的流動(dòng)特征不同，還會(huì)影響槳葉在流固耦合變形所在位置的非定常脈動(dòng)力，進(jìn)而影響復(fù)材槳的發(fā)聲機(jī)制，改變其低頻及中、高頻噪聲性能。在目前的螺旋槳噪聲性能模型試驗(yàn)中，對(duì)于金屬槳多采用剛性處理，一般僅考慮水動(dòng)力噪聲，而對(duì)于復(fù)材槳，若引入槳葉的彈性問(wèn)題，則需綜合考慮水動(dòng)力和振動(dòng)耦合噪聲。

圖2 復(fù)合材料和金屬合金槳模水動(dòng)力性能對(duì)比Fig. 2 Comparison of hydrodynamic performance between composite and metal alloy propeller models

復(fù)合材料螺旋槳的力學(xué)特性、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的槳葉變形和運(yùn)動(dòng)特征直接影響了螺旋槳的流固耦合水動(dòng)力、振動(dòng)和噪聲性能。模型試驗(yàn)中，若不考慮槳葉變形的相似，未對(duì)模型尺度和實(shí)尺度槳葉的變形進(jìn)行模擬，僅采用傳統(tǒng)金屬槳模試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，可能無(wú)法還原實(shí)尺度復(fù)合材料螺旋槳的真實(shí)工作點(diǎn)，以及模擬其運(yùn)動(dòng)和變形狀態(tài)，而且水動(dòng)力和噪聲模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)槳之間也無(wú)法對(duì)應(yīng)換算。因此，合理開(kāi)展復(fù)合材料螺旋槳的水動(dòng)力和噪聲性能模型試驗(yàn)，一方面需建立考慮槳葉變形的相似關(guān)系和換算方法，另一方面還需結(jié)合槳模加工和模型試驗(yàn)條件建立配套的檢驗(yàn)和測(cè)試方法。

2 相似關(guān)系的特殊性

要想開(kāi)展復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力和聲學(xué)性能的模型試驗(yàn)及實(shí)尺度性能預(yù)報(bào)，建立二者的相似關(guān)系是基礎(chǔ)。

2.1 考慮槳葉變形的水動(dòng)力相似關(guān)系

在開(kāi)展傳統(tǒng)金屬槳模的敞水試驗(yàn)時(shí)，需滿足螺旋槳幾何、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力等特性的相似關(guān)系。根據(jù)量綱分析方法，幾何相似的槳模在敞水中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)若槳軸浸沒(méi)較深，其水動(dòng)力性能只與進(jìn)速系數(shù)J和雷諾數(shù)Re有關(guān)。但由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下槳模的進(jìn)速系數(shù)及雷諾數(shù)都與實(shí)槳一樣很難實(shí)現(xiàn)，所以采取進(jìn)速系數(shù)相等、雷諾數(shù)超過(guò)定義的臨界值的方式完成試驗(yàn)。通過(guò)足夠的浸沒(méi)深度和超臨界雷諾數(shù)下的槳模敞水試驗(yàn)，考慮雷諾數(shù)不同的尺度效應(yīng)影響，將獲取的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)經(jīng)修正后則可用于實(shí)槳水動(dòng)力特性的預(yù)報(bào)。而在開(kāi)展空泡性能試驗(yàn)時(shí)，則通過(guò)定義空泡數(shù)來(lái)保證槳模及實(shí)槳的空泡環(huán)境相似。

傳統(tǒng)金屬槳模試驗(yàn)相似關(guān)系是將槳葉作為剛性處理而未考慮槳葉的變形因素，而復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形對(duì)水動(dòng)力的影響不可忽視，需要在槳模試驗(yàn)相似關(guān)系的基礎(chǔ)上考慮槳葉變形相似，經(jīng)補(bǔ)充修正形成復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力性能槳模試驗(yàn)的相似關(guān)系。

根據(jù)材料力學(xué)理論，幾何相似的彈性槳模與實(shí)槳的變形相似需滿足式（1），即

式中，σ 和E分別為應(yīng)力和楊氏模量，下標(biāo)m 和p 分別表示槳模和實(shí)槳。

然而，螺旋槳旋轉(zhuǎn)中主要承受的是水動(dòng)力FH和離心力FC的載荷作用，并分別表示如下：

式中：ρ 為水介質(zhì)密度；D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;mprop和ρprop分別為螺旋槳質(zhì)量和材料密度；R為螺旋槳質(zhì)心到槳軸中心距離；ω 為旋轉(zhuǎn)角速度；KF為提取出的無(wú)因次離心力系數(shù)。

由式（2）和式（3）可見(jiàn)，螺旋槳離心力與水動(dòng)力呈線性關(guān)系，二者的差異由水介質(zhì)和螺旋槳材料密度的關(guān)系及幾何系數(shù)決定。因此，螺旋槳承受的載荷T可由系數(shù)KTF統(tǒng)一表征，進(jìn)而將槳葉應(yīng)力σ 表示為

聯(lián)立式（1）和式（4），可得槳葉模型尺度和實(shí)尺度的變形相似需滿足式（5）所示的關(guān)系：

由式（5）槳葉變形的相似關(guān)系，可見(jiàn)物理量共包括了螺旋槳轉(zhuǎn)速及直徑、材料楊氏模量和水介質(zhì)密度，因此槳葉變形相似需滿足剛度特性和葉梢馬赫數(shù)的組合相似關(guān)系。

然而，由于復(fù)合材料螺旋槳的制造工藝特殊且材料具有各向異性，所以難以做到槳模與實(shí)槳在細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能參數(shù)方面完全相似，而只能從宏觀力學(xué)性能角度，通過(guò)約束復(fù)合材料螺旋槳的宏觀等效剛度和運(yùn)動(dòng)特性來(lái)控制槳葉在水動(dòng)力承載下的變形量，以達(dá)到槳模與實(shí)槳運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相似的目的。

復(fù)合材料槳模試驗(yàn)與金屬槳模試驗(yàn)相比，在確定相似關(guān)系時(shí)，其最大不同之處在于試驗(yàn)前需獲取槳模和實(shí)槳的剛度特性信息，以用于確定水動(dòng)力性能試驗(yàn)的工況。當(dāng)確定了復(fù)合材料槳模和實(shí)槳的縮比尺度、材料力學(xué)特性參數(shù)和水介質(zhì)環(huán)境后，通過(guò)在實(shí)槳運(yùn)行工況下計(jì)算得到一個(gè)確定的槳模轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算實(shí)槳無(wú)量綱進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)的槳模試驗(yàn)流速值，而不僅是保持流速和螺旋槳轉(zhuǎn)速的比值不變來(lái)滿足進(jìn)速系數(shù)相同的要求。針對(duì)實(shí)槳的不同運(yùn)行工況，換算得到的模型試驗(yàn)工況應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備要求。此外，還需綜合考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s比尺度和槳模材料性能參數(shù)，以確定模型試驗(yàn)工況。

2.2 復(fù)合材料螺旋槳噪聲相似關(guān)系

復(fù)合材料螺旋槳的聲學(xué)性能相似。首先，需滿足槳模與實(shí)槳的變形相似，以保證宏觀水動(dòng)力特性相似，然后，研究旋轉(zhuǎn)的槳葉在宏觀變形位置處的水動(dòng)力和振動(dòng)噪聲作用機(jī)制，進(jìn)而確定其聲學(xué)性能隨相似數(shù)的變化規(guī)律。

根據(jù)非定常推力引起的聲輻射理論，水動(dòng)力噪聲聲壓可表示為

式中：pS和f分別為噪聲聲壓及頻率；F為非定常推力；r為聲源與測(cè)量點(diǎn)的距離；c為介質(zhì)中的聲傳播速度。

在相似理論π 定理的基礎(chǔ)上，通過(guò)具有獨(dú)立量綱的物理量水介質(zhì)密度ρ、螺旋槳轉(zhuǎn)速n和螺旋槳直徑D來(lái)表征螺旋槳噪聲涉及的物理量，根據(jù)槳模與實(shí)槳的馬赫數(shù)相等，對(duì)式（6）進(jìn)行歸一化處理，得到：

考慮到聲致密性，對(duì)水動(dòng)力噪聲聲壓與速度關(guān)系進(jìn)行修正，則槳模與實(shí)槳的水動(dòng)力噪聲級(jí)和噪聲頻率之間關(guān)系可由式（8）和式（9）表示為：

式中，L為頻帶聲壓級(jí)。

除水動(dòng)力噪聲外，螺旋槳振動(dòng)噪聲由螺旋槳非定常推力激勵(lì)槳葉產(chǎn)生的振動(dòng)所致，槳葉振動(dòng)速度與非定常推力正相關(guān)，由此產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲聲壓、振動(dòng)速度與水動(dòng)力噪聲聲壓相似，振動(dòng)噪聲聲壓級(jí)及頻率分別如式（10）和式（11）所示。

式 中，L′和f′分 別 為 振 動(dòng) 噪 聲 的 頻 帶 聲 壓 級(jí) 和頻率。

由于振動(dòng)噪聲與槳模及實(shí)槳的剛度?阻尼材料成分、固有特性等密切相關(guān)，而現(xiàn)階段復(fù)合材料螺旋槳的實(shí)船應(yīng)用和實(shí)船數(shù)據(jù)相對(duì)有限，對(duì)影響復(fù)合材料螺旋槳聲學(xué)性能的主要相似參數(shù)仍認(rèn)識(shí)不足，未完全掌握相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。當(dāng)槳模對(duì)實(shí)槳參數(shù)無(wú)法完全模擬時(shí)，對(duì)于槳模與實(shí)槳振動(dòng)噪聲聲壓與速度的冪方k關(guān)系，還需根據(jù)多次不同試驗(yàn)工況下的螺旋槳噪聲性能測(cè)試結(jié)果，從中分析提取隨主要相似數(shù)的變化規(guī)律，從而研究建立復(fù)合材料螺旋槳聲學(xué)性能的理論修正值和外推方法。

3 測(cè)試技術(shù)的特殊性

與金屬槳模相比，為滿足復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力特性與噪聲性能槳模試驗(yàn)的相似關(guān)系要求，結(jié)合加工成型的槳模實(shí)物和槳葉在水介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流固耦合特點(diǎn)，在試驗(yàn)前和試驗(yàn)過(guò)程中都需要建立特殊的測(cè)試技術(shù)。

3.1 槳模靜態(tài)型值和力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)

試驗(yàn)前需對(duì)復(fù)合材料槳模的幾何型值及力學(xué)性能等進(jìn)行測(cè)試。鑒于復(fù)合材料螺旋槳與金屬合金螺旋槳的材料組成和加工工藝不同，現(xiàn)階段采用模壓、編織、樹(shù)脂傳遞模塑等成型工藝制作槳模，其幾何型值均難以達(dá)到金屬槳模的加工精度（±0.1 mm 左右）。對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12916—2010[10]中有關(guān)船用螺旋槳加工精度的定義，目前金屬槳模可達(dá)到高于S-s超特高精度級(jí)槳的加工精度，而復(fù)合材料槳模僅能達(dá)到1 級(jí)高精度槳的精度水平。尤其是葉梢部和導(dǎo)隨邊的處理方面，由于復(fù)合材料的纖維布鋪層和膠水粘結(jié)方式及成型槳葉強(qiáng)度的要求限制，局部特殊處理后槳模有可能與實(shí)槳的縮比尺度存在一定差異。此外，為方便成型工藝的實(shí)現(xiàn)和精度控制，復(fù)合材料螺旋槳多為單片槳葉與金屬合金槳轂組裝連接的分體式構(gòu)型，而槳葉和槳轂一體式的全復(fù)合材料槳模較少，所以槳模除槳葉自身加工存在的誤差外，還存在與金屬合金槳轂的裝配誤差以及各片槳葉間的一致性誤差等。

因此，為滿足復(fù)合材料槳模的幾何相似要求，試驗(yàn)前，需建立對(duì)槳模實(shí)物幾何型值的檢測(cè)技術(shù)，以輔助分析水動(dòng)力性能的測(cè)試結(jié)果。如圖3所示，在被測(cè)槳葉上散布標(biāo)志點(diǎn)，利用三維激光攝像掃描系統(tǒng)得到槳葉三維模型，然后與數(shù)值模型對(duì)比分析，可得到槳模在不同半徑和弦長(zhǎng)位置區(qū)域的厚度、螺距等型值及加工誤差信息。

圖3 螺旋槳型值檢測(cè)Fig. 3 Measurement of propeller offset

由于復(fù)合材料的各向異性及剛度?阻尼可設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，相同幾何型值的槳葉會(huì)因內(nèi)部纖維布鋪層方式及位置差異而具有不同的固有特性，所以若要滿足槳模槳葉的變形相似，還需獲取待測(cè)槳模的細(xì)觀及宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能信息，借此進(jìn)行變形相似數(shù)、運(yùn)行工況和模型測(cè)試結(jié)果的實(shí)船換算。如圖4 所示，首先利用動(dòng)態(tài)材料測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試槳葉在不同承載下的位移?載荷關(guān)系，可得到不同加載方式下模型槳葉的等效剛度信息，然后結(jié)合實(shí)槳的材料性能參數(shù)和實(shí)船運(yùn)行工況，確定模型的試驗(yàn)工況。如圖5 所示，測(cè)量槳葉的固有頻率和模態(tài)振型，可以獲取復(fù)合材料螺旋槳的振動(dòng)特性[11]，以進(jìn)行振動(dòng)噪聲性能的換算。

通常情況下，結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)多選用縮比不大于6 的大尺度模型，而水動(dòng)力和噪聲性能試驗(yàn)的槳模則尺度較小，約在250 mm 左右，因此在模型縮比尺度的選擇上也需予以權(quán)衡考慮。也就是說(shuō)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)?zāi)塬@取槳模的宏觀力學(xué)性能信息，不能在僅幾何相似而力學(xué)性能未知的情況下直接開(kāi)展水動(dòng)力性能試驗(yàn)；由相似關(guān)系換算得到的槳模試驗(yàn)運(yùn)行工況還應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)室槳軸轉(zhuǎn)速和動(dòng)力儀測(cè)試量程的要求。此外，槳?？s比也需結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備條件和模型材料特性等因素來(lái)權(quán)衡確定。在試驗(yàn)前開(kāi)展相應(yīng)的檢測(cè)分析工作，以滿足相似關(guān)系和測(cè)試系統(tǒng)的綜合要求。

圖4 力學(xué)性能檢測(cè)Fig. 4 Measurement of mechanics property

圖5 振動(dòng)特性檢測(cè)Fig. 5 Measurement of vibration performance

3.2 槳葉動(dòng)態(tài)變形測(cè)試技術(shù)

開(kāi)展復(fù)合材料螺旋槳的水動(dòng)力和噪聲性能測(cè)試分析，除常規(guī)的螺旋槳軸向推力、扭矩等穩(wěn)態(tài)參數(shù)測(cè)量外，還需開(kāi)發(fā)復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)葉片在水動(dòng)力作用下的變形測(cè)量技術(shù)，以獲得槳葉的動(dòng)態(tài)變形特征，從而對(duì)復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力和噪聲性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行輔助分析。

如圖6 所示，模型試驗(yàn)前，對(duì)槳葉噴灑黑白散斑圖像，利用2 臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的圖像，然后，根據(jù)互相關(guān)分析方法對(duì)2 臺(tái)攝像機(jī)在同一時(shí)刻的槳葉散斑圖像進(jìn)行重構(gòu)，獲取槳葉在不同水動(dòng)力載荷下的槳葉變形量[12-13]，進(jìn)而得到復(fù)合材料螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的螺距、縱傾、剖面攻角等參數(shù)的變化信息。

復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)槳葉的動(dòng)態(tài)變形測(cè)試，一方面可對(duì)槳葉變形計(jì)算模擬方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，另一方面則是檢測(cè)模型試驗(yàn)中槳葉是否達(dá)到水動(dòng)力變形相似條件，還原實(shí)槳工作點(diǎn)的槳葉運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而依據(jù)水動(dòng)力和噪聲模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)尺度換算。

圖6 槳葉動(dòng)態(tài)變形測(cè)試Fig. 6 Measurement of blade dynamic deformation

4 結(jié) 論

本文針對(duì)船舶復(fù)合材料螺旋槳的流固耦合作用、槳模試驗(yàn)相似關(guān)系和測(cè)試技術(shù)的特殊性進(jìn)行了討論，得到如下結(jié)論：

1） 復(fù)合材料螺旋槳的力學(xué)特性、旋轉(zhuǎn)中槳葉變形和運(yùn)動(dòng)特征直接影響了其流固耦合水動(dòng)力、振動(dòng)和噪聲性能，試驗(yàn)中需建立槳模與實(shí)槳的變形相似關(guān)系。

2） 開(kāi)展復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力和噪聲性能槳模試驗(yàn)除需滿足金屬槳模試驗(yàn)的相似關(guān)系外，還需滿足槳葉剛度特性和葉梢馬赫數(shù)的組合相似度，而不僅是保持流速和轉(zhuǎn)速的比值不變來(lái)滿足無(wú)量綱進(jìn)速系數(shù)相同。

3） 在槳模試驗(yàn)前和試驗(yàn)中，需建立靜態(tài)的槳模幾何型值、力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)的槳葉變形等測(cè)試技術(shù)，以選擇合理的槳?？s比尺度及其材料，保證槳模試驗(yàn)滿足相似關(guān)系要求后，才能進(jìn)行綜合性能分析和實(shí)尺度換算。