自由狀態(tài)冰塊尺寸及初始位置參數(shù)對冰槳耦合水動力性能的影響

王 超，劉 正，李 興，汪春輝，徐 佩

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

船舶在碎冰水域航行或者破冰航行時，船尾螺旋槳在高速旋轉狀態(tài)下會形成低壓區(qū)，由于這種吸力，即使在水下冰塊也很容易被卷入到船體尾部區(qū)域與螺旋槳產(chǎn)生碰撞或相互干擾[1].并且碎冰在船首很容易被壓入船底并沿船底部滑行至船尾部與螺旋槳產(chǎn)生阻塞和碰撞等形式的干擾，導致螺旋槳所受載荷遠大于敞水工況[2].螺旋槳在旋轉過程中會受到自由運動冰塊的流場影響，會產(chǎn)生明顯的不均勻脈動載荷，這對螺旋槳的空泡、噪聲、振動等水動力問題的影響都較大[3]，這種影響與冰塊自身的形狀、大小、位置以及水流速度都息息相關.對于冰槳非接觸干擾，國內(nèi)外有很多學者都開展了這方面的研究.王國亮[4]應用以計算流體力學(CFD)技術為基礎，應用重疊網(wǎng)格技術，建立了模擬黏性流場中冰槳相互作用問題的數(shù)值方法.孫盛夏[5]應用 FLUENT 軟件建立黏性流場中冰阻塞問題的數(shù)值模擬方法，并對冰阻塞工況下的冰級螺旋槳誘導激振力進行數(shù)值預報.徐佩[6]用CFD-DEM 方法開展了螺旋槳-碎冰-水耦合作用下的數(shù)值模擬，并對冰-槳-水相互作用進行了研究.Shih等[7]通過2D面元法計算冰阻塞下螺旋槳的水動力性能，其計算結果表明阻塞工況下螺旋槳葉元體的最大升力系數(shù)和最大阻力系數(shù)都會大大增加，能夠達到敞水工況的5.78倍.Yamaguchi[8]推導了改進的升力面方法，通過實踐計算認為該方法能夠適用于冰槳非接觸工況下螺旋槳的水動力性能.Bose[9]通過3D非定常邊界元法模擬了冰槳非接觸過程中阻塞流下螺旋槳的水動力性能，并且對比分析了3D面元法的計算結果和Luznik等[10]做的試驗結果，發(fā)現(xiàn)冰槳非接觸工況下螺旋槳水動力性能受冰槳間距影響較大.Walker[11]指出，冰槳干擾載荷分為接觸載荷和非接觸載荷，并且認為當螺旋槳在碎冰后方的尾流場中運轉時，其產(chǎn)生的非接觸載荷會達到和接觸載荷相同的量級，特別是對導管槳而言，復雜的尾流環(huán)境更容易引起空化.Veitch[12]針對于船舶大側斜槳與水下冰塊的相互作用關系建立了一種新的模型，這種模型可用于計算冰槳接觸工況下螺旋槳的表面應力與冰塊運動.Liu等[13]基于3D邊界元法，開發(fā)了相應的計算程序PROPELLA，并在該程序的基礎上添加了冰塊的輸入模塊，在計算過程中，作者選用了3種形狀的冰塊來計算冰阻塞工況下的螺旋槳性能變化，通過對比發(fā)現(xiàn)其數(shù)值結果和試驗結果具有較好的吻合性.隨后Liu等[14]以改進的3D面元法程序為對破冰螺旋槳進行了設計研究，改進程序能夠極大幫助提高螺旋槳設計過程.葉禮裕等[15]針對冰槳接觸過程中螺旋槳可能會受到極端冰載荷的作用，基于近場動力學及其接觸判別理論，提出了冰槳接觸數(shù)值預報方法，對冰槳接觸載荷進行了研究.王超等[16]在循環(huán)水槽中搭建冰槳干擾試驗平臺，研究了冰槳相互干擾下的水動力載荷.

綜上，目前絕大多數(shù)研究都將冰塊運動固定或者是做一定的簡化，這種簡化與真實情況都存在著較大的差異，工程應用的意義偏弱.也正是基于這種考慮，文章將開展自由狀態(tài)冰對螺旋槳水動力性能影響研究，計算分析不同冰塊大小、冰塊的初始徑向位置、初始的軸向位置等參數(shù)的變化對螺旋槳水動力性能的影響；并且挑選相應的典型工況，進行不同冰厚、不同時刻下冰槳耦合作用力及流場分析.

1 基礎理論和計算模型

1.1 控制方程

CFD計算流體力學軟件主要的思路是結合數(shù)值計算和計算機顯示來模擬反映出流體的科學[17].目前此類商用軟件較多，本文采用STAR-CCM+軟件進行相關問題的計算.CFD求解的方法是用一系列的有限個離散的點所組成的變量去代替空間上和時間上連續(xù)的物理場，如速度、壓力等，然后求解這些離散的點所組成的一系列偏微分方程，得到相應的速度、壓力等所需的物理量.計算流體力學中對于不可壓縮的牛頓流體需要滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程如下：

?ρ/?t+?ui/?xi=0

(1)

(2)

1.2 標準k-ω模型

標準的兩方程在求解過程中需要對兩個位置參數(shù)進行求解，這種方式的實用性高并且應用范圍較廣，精度也比較高等，目前，標準k-ω模型在計算流體力學處理湍流問題中得到了很廣泛的應用.但是標準k-ω模型也有一定的局限性，其只對于完全的湍流模擬較為準確，其他的準確性則較差.在標準k-ω模型中k表示湍流脈動動能，ε則表示湍流脈動動能耗散率.k的值在一定程度上表征了湍流時間尺度和脈動長度的大小，而ε表征了湍動長度和時間的倒數(shù)，k和ε是衡量湍流流動的兩個非常重要的參數(shù).在標準的k-ε模型方程中，k和ε是未知的量，在方程中反映如下：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

(5)

式中：Gk為k誘導的平均速度梯度項；Gb為浮力作用引起的k的產(chǎn)生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻量；σk，σε分別為與k和ε對應的普朗特數(shù)；Sk，Sε為用戶定義的源項；μt為湍流速度；C1ε，C2ε，C3ε和Cμ為經(jīng)驗常數(shù).

在計算中，ε被定義為

(6)

1.3 動態(tài)流體-固體相互作用

動態(tài)流體-固體相互作用(Dynamic Fluid Body Interaction)簡稱為DFBI.當物體在流體中運動時，該模型能夠監(jiān)測出物體受到流體作用力而產(chǎn)生的運動狀態(tài).對于DFBI模型，影響其求解結果的因素有很多，主要包括物體自身的物理量，如：質量、慣性力矩；軟件自身計算誤差，如：通過積分流體壓力而產(chǎn)生的力；人為因素，如：自定義的力和力矩.纜繩、彈簧這樣的體耦合產(chǎn)生的作用力也會使其產(chǎn)生誤差.DFBI運動的求解器是在全部6個自由度下進行計算的.在CFD軟件STAR-CCM+中DFBI屬性是模擬樹中一個獨立的輸入窗口，在模擬計算時至少一個區(qū)域要被指派到DFBI對象中.針對在水中自由運動的冰塊，其合力可以表示為

f=Fr(fp+fτ+fg+∑fext)

(7)

n=Fr(np+nτ+∑next)

(8)

(9)

式中：Fr為一個階越函數(shù)；fp與np分別表示作用于物體的力和力矩；fτ和nτ分別為作用于物體的剪力和剪力矩；fg表示物體的重力；fext與next分別為物體所受其他外力以及力矩；ts為指定釋放時間；tr為釋放時間.

1.4 數(shù)學模型的建立及數(shù)值方法創(chuàng)新

在涉及到物體自由運動的求解計算中，重疊網(wǎng)格具有較大的優(yōu)勢.文章使用重疊網(wǎng)格以及DFBI模塊實現(xiàn)冰塊放開自由度，該數(shù)值方法的創(chuàng)新性在于能夠實現(xiàn)模擬螺旋槳抽吸作用下的冰塊的運動，冰塊每次移動不需要重新生成網(wǎng)格，自動化程度高.目前該方法廣泛用于放開自由度條件下物體的模擬.通常將整個計算域分成兩個區(qū)域，即大域和旋轉域.大域一般為一個較大的體，包含有速度進口、壓力出口等基本邊界條件；而旋轉域一般是由和螺旋槳旋轉軸同軸的圓柱體和螺旋槳表面組成.對于旋轉的螺旋槳和運動的冰塊，采用重疊網(wǎng)格可以有效地求解這種相對運動的問題.首先建立一個圓柱體為計算的大域，大域的中心位于坐標原點，直徑為6D，D為螺旋槳直徑，大域前端設置為速度進口，其距離原點的距離為6D，后端為壓力出口，出口距離原點距離是6D.在建立大域的同時，在坐標中心建立一個旋轉域，旋轉域由導入的螺旋槳表面與一個圓柱體組成，圓柱的直徑是1.5D，前后表面以yOz平面對稱，各離坐標軸原點0.5D.大域、旋轉域以及冰塊區(qū)域如圖1所示.

圖1 計算域劃分圖Fig.1 Diagram of computational domain division

1.5 幾何模型的建立

冰塊模型采用規(guī)范中強度校核推薦使用的長×寬×高為Hice×2Hice×3Hice的長方體，其中Hice為冰塊的厚度.螺旋槳采用ICEPROPELLER螺旋槳[16]，縮尺比為1∶20.1.0 m厚的冰塊縮尺后尺寸為0.05 m×0.10 m×0.15 m，1.5 m厚的冰塊縮尺后尺寸為0.075 m×0.150 m×0.225 m，同理2 m厚的冰縮尺后尺寸為0.1 m×0.2 m×0.3 m.計算使用的ICEPROPELLER螺旋槳主要參數(shù)如表1所示.在計算中，為獲得流場的一個穩(wěn)定的計算解，需要先對流場進行1 s的穩(wěn)態(tài)計算，在此計算期間需要將冰塊固定不動，流場穩(wěn)定再釋放冰塊，在釋放冰塊的過程中調(diào)用DFBI模塊，并將冰塊的運動設定為自由運動.在釋放之前需要建立一個局部坐標系，原點選在冰塊的質心，坐標系和螺旋槳的坐標系一樣遵從右手坐標系，冰槳局部坐標系、冰槳徑向位置DR與軸向位置DA如圖2所示.

冰塊的轉動慣量在很大程度上表征了冰塊旋轉的難易程度，所以模擬冰受力后的運動情況還需要設定冰塊的轉動慣量，因此要在CFD模擬之前將其設置好，轉動慣量矩陣中各個變量的定義如下：

表1 ICEPROPELLER主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of ICEPROPELLER

圖2 冰槳坐標系及其相對位置Fig.2 Ice and propeller coordinate system and its relative position

(10)

式中：Mxx，Myy，Mzz分別表示對x,y,z軸的轉動慣量，用于建立角動量、角速度、力矩和角加速度等物理量之間的關系，表征物體旋轉的狀態(tài)以及難易程度；m為冰塊的質量.

1.6 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時對大域、旋轉域以及冰塊域都選用六面體網(wǎng)格，基于重疊網(wǎng)格可以很方便地模擬不同條件下冰槳干擾問題，而每次移動不需要重新生成網(wǎng)格，自動化程度高.模擬旋轉域和冰塊域的外表面的邊界類型都設定為重疊網(wǎng)格，文章的計算案例中冰塊一直在運動，考慮模擬冰塊運動數(shù)據(jù)的準確性對冰塊大致的運動區(qū)域網(wǎng)格進行一定的加密，冰塊運動加密區(qū)為一個中心與坐標原點重合的圓柱體，該圓柱體能包住螺旋槳以及冰塊運動區(qū)域，加密的截面圖如圖3(a)所示.冰塊和螺旋槳之間需要對網(wǎng)格進行細化，因此需要對其表面選用更為精細的網(wǎng)格，除此之外，還需要對螺旋槳的導邊以及隨邊進行網(wǎng)格的細化.螺旋槳以及冰塊表面網(wǎng)格如圖3(b)和3(c)所示.

圖3 計算域截面和物體表面網(wǎng)格分布Fig.3 Cross-section of calculation area and surface distribution of object surface

2 計算方法的驗證

冰槳相互作用下冰塊運動軌跡模型實驗研究可更為直觀地揭示冰槳相互作用過程中螺旋槳水動力載荷以及冰塊運動軌跡的變化規(guī)律.同時模型實驗方法也是冰槳相互作用問題理論預報及數(shù)值模擬方法研究的重要補充和準確性保證.模型實驗方法需要滿足相似準則主要包括幾何相似、動力相似、弗勞德相似、黏性力相似.課題組基于滿足實驗雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)以及弗勞德數(shù)相同的基礎上.以冰塊與螺旋槳統(tǒng)一縮尺比為1∶20在哈爾濱工程大學大型循環(huán)水槽(見圖4)中，采用ICEPROPELLER槳模型系統(tǒng)地開展了冰槳作用下冰塊運動軌跡實驗研究，探討了冰塊運動軌跡對螺旋槳水動力載荷的影響規(guī)律，分析了在冰槳非接觸的相互作用過程中進速系數(shù)及冰槳相對位置等因素對螺旋槳性能以及各水動力參數(shù)的影響，為冰區(qū)槳的理論預報及數(shù)值模擬方法的可行性和準確性提供驗證和支撐作用.

為了驗證數(shù)值計算方法，以實驗來流速度為0.6 m/s，螺旋槳轉速600 r/min，DR=0.02 m,DA=0.20 m,模型冰尺寸為0.015 m×0.030 m×0.045 m為例進行冰塊運動規(guī)律分析.實驗開始放開固定裝置冰塊隨水流一同運動直到與螺旋槳碰撞，高速攝像機在xOz平面內(nèi)連續(xù)拍攝冰塊運動整個過程，實驗過程如圖5所示.實驗后期數(shù)據(jù)處理采用Photron FASTCAM Analysis軟件處理.在實驗和數(shù)值模擬過程中，由于槳轂較長，影響冰塊在y方向上的測量，所以，本文僅在xOz平面內(nèi)進行實驗和數(shù)值模擬的冰塊位置對比，如圖6所示.

從圖6中可以看出，隨著軸向位置的增加z向位置均呈現(xiàn)上升趨勢.在x方向0～0.05 m范圍內(nèi)，冰塊在實驗過程中屬于初始釋放時刻，來流速度和浮力對冰塊的運動軌跡影響較大，使冰塊的運動軌跡比較紊亂，實驗值和數(shù)值結果誤差偏大.待冰塊運動穩(wěn)定后，如圖中x方向0.05～0.15 m范圍內(nèi)，冰塊運動軌跡實驗測量值與數(shù)值模擬值吻合較好，誤差基本控制在5%以內(nèi).當x位置在0.15 m之后由于冰塊距螺旋槳較近，數(shù)值模擬時冰塊對流場的干擾較大導致計算誤差較大，冰塊的運動狀態(tài)改變較大.在圖中表現(xiàn)為冰塊在z方向上位置的增加量變大，呈現(xiàn)陡增趨勢，與實驗值存在誤差.但總體上該數(shù)值模擬的冰塊運動軌跡結果可以采用.

圖4 水平循環(huán)水槽Fig.4 Horizontal circulation sink

圖5 冰槳作用下冰塊運動軌跡實驗Fig.5 Ice trajectory experiment under the action of ice and propeller

圖6 實驗和數(shù)值模擬的冰塊位置對比Fig.6 Comparison of experimental and numerical simulations of ice positions

綜上所述，認為運用本次數(shù)值模擬手段可以較為真實地模擬自由狀態(tài)冰對螺旋槳水動力性能的影響以及其周圍流場情況.

3 計算結果及分析

選取冰的厚度分別為0.050,0.075,0.100 m.在計算的過程中，為保證進速系數(shù)不變將保持螺旋槳的轉速和水流的進速不變，不同大小冰塊中心釋放的初始位置都是保持在(-0.5,0.1,0)m的位置上，不同大小的冰塊的質量(m)和轉動慣量都需要單獨設置，具體的數(shù)值見表2.

表2 不同大小冰塊對應的質量及慣性矩Tab.2 Mass and moment of inertia corresponding to different sizes of ice

3.1 冰塊大小對螺旋槳水動力性能及流場的影響

圖7給出了Hice=0.050,0.075,0.100 m以及無冰時的螺旋槳推力系數(shù)和轉矩系數(shù)曲線，其中：推力系數(shù)KT和轉矩系數(shù)10KQ均為冰塊未碰到螺旋槳時監(jiān)測值.從中可以看出，冰塊大小的不同對于螺旋槳水動力性能的影響也有很大的不同，當冰塊較小(Hice=0.050 m)時，總體來說螺旋槳的推力系數(shù)和轉矩系數(shù)都會小于螺旋槳的敞水值，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.當冰塊的厚度增加到0.075 m或0.100 m時，螺旋槳的敞水性能隨時間會出現(xiàn)較大的波動，先是小于敞水值，之后逐漸增大然后大于敞水值，運動到最后階段會小于敞水值.出現(xiàn)這樣的變化趨勢的原因是由于在來流中運動的冰塊后方會出現(xiàn)一定的加速區(qū)和阻塞區(qū)，這里所說的加速區(qū)是指流場速度會大于來流速度的區(qū)域，阻塞區(qū)是指流場速度會小于來流速度的區(qū)域.從圖7還可得出隨著冰塊厚度的增加，螺旋槳的推力系數(shù)和轉矩系數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于隨著冰塊大小的增加，冰塊后方的阻塞區(qū)面積也會增加，阻塞區(qū)的增大會使的槳盤面處整體的來流速度減小，從而使螺旋槳的推力和轉矩都變大.

圖7 不同冰厚下螺旋槳KT、10KQ曲線Fig.7 KT and 10KQ curves of propeller at different ice thicknesses

圖8是不同厚度的冰塊在t=1.3 s時運動到槳周圍的yx剖面以及yz剖面流場圖,圖中v為沿著螺旋槳軸向的速度.從圖中可以看出冰塊正后方的區(qū)域是阻塞區(qū)，而冰塊后方兩側某些區(qū)域是加速區(qū).在冰塊運動過程中，冰塊會逐漸向螺旋槳移動.當冰塊開始運動時，螺旋槳槳盤面大部分區(qū)域都是處于冰塊后方的加速區(qū)，槳盤面的進速會比敞水工況的進速要大，因此其水動力性能會小于敞水值(見圖7)；當冰塊與螺旋槳越來越接近時，槳盤面處的阻塞區(qū)面積會變大，槳盤面處進速會降低，這時螺旋槳的推力系數(shù)和轉矩系數(shù)都會變大(見圖7).由此可見槳盤面處的流場受運動的冰塊影響較大，但是總的趨勢還是先以加速區(qū)為主，后以阻塞區(qū)為主.從圖8中還可看出隨著冰塊厚度的逐漸變大，冰塊上下兩側以及后方的阻塞區(qū)也會逐漸變大.對螺旋槳上方的區(qū)域流場干擾較大.相反冰塊的厚度越小，冰塊上下兩側以及后方的阻塞區(qū)相對來說較小，對螺旋槳上部區(qū)域的干擾越小，在這種情況下冰況后方的低速區(qū)不容易影響到螺旋槳，因此可以看出較小的冰塊對螺旋槳的水動力性能的影響是較小的.

圖8 t=1.3 s時不同冰厚冰槳相互作用流場圖Fig.8 Flow field diagram of interaction between different ice thicknesses at t=1.3 s

圖9 不同徑向位置下螺旋槳KT、10KQ曲線Fig.9 KT and 10KQ curves of propeller at different radial positions

3.2 冰塊徑向位置變化對螺旋槳水動力性能及流場的影響

冰槳的徑向位置是指冰塊中心在徑向上的距離.冰塊的厚度選取為0.075 m，并且保持進速系數(shù)J=0.6.冰塊初始釋放的徑向位置有3個，分別為DR=0，0.05，0.10 m，監(jiān)測了在這3種徑向位置下的螺旋槳水動力性能時域變化，如圖9所示.

圖9為不同徑向位置下螺旋槳KT、10KQ曲線，其中推力系數(shù)和轉矩系數(shù)均為冰塊未碰到螺旋槳時監(jiān)測值.從圖9中可以看出不論是推力系數(shù)還是轉矩系數(shù)總體上隨著冰塊徑向位置DR的增大存在減少的趨勢，并且KT、10KQ曲線自身呈現(xiàn)先增大后減小最后又增大的趨勢.DR從0變化到0.10 m的過程中，無論是推力系數(shù)還是轉矩系數(shù)在整體上都是呈現(xiàn)出減小的趨勢，這是因為在初始釋放過程中，當DR較小時，冰塊對螺旋槳的遮擋面積較大，冰塊的阻塞效應會明顯大于其加速效應，這種情況下螺旋槳槳盤面處的來流速度比敞水工況下較小，因此推力系數(shù)和轉矩系數(shù)會變大.

圖10～12為冰塊不同徑向位置釋放時在不同時刻(t=1.1，1.2，1.3 s)運動到槳周圍的yx剖面以及yz剖面流場圖.圖中v表示為沿著螺旋槳軸向的速度.從圖中可以看出，各個徑向位置釋放的冰塊在初始釋放時刻冰塊周圍的流場大致相似，隨著冰塊不斷向前運動，冰塊周圍的流場會發(fā)生較大變化，存在加速區(qū)和阻塞區(qū).以圖10中DR=0為例，初始釋放時，冰塊正對螺旋槳，其正后方的阻塞區(qū)更容易蔓延并影響到螺旋槳槳盤面處，導致槳盤面的速度會比敞水情況小，推力系數(shù)和轉矩系數(shù)都會增加.釋放以后由于浮力的作用，冰塊會向上運動，其后方的阻塞區(qū)會逐漸遠離螺旋槳，兩側的加速區(qū)會加強對螺旋槳的影響，整體上來看，槳盤面的進速會大于其敞水工況，出現(xiàn)一段推力系數(shù)和轉矩系數(shù)都降低甚至小于敞水工況的情況，最后當冰塊運動接近螺旋槳時，冰塊正后方阻塞區(qū)域正對螺旋槳，槳盤面處的速度將會大大減小，導致其推力系數(shù)和轉矩系數(shù)大幅度增加并超過敞水工況.從圖10～12中還可以看出當初始徑向釋放位置較小時，在運動過程中冰塊會稍微上浮一段距離，并且冰塊上下兩側的流場分布較為對稱；當冰塊初始位置逐漸變大，運動過程中冰塊兩側的流場會變得不均勻.

圖10 DR=0 不同時刻流場圖Fig.10 Flow field diagram at different times and DR=0

圖11 DR=0.05 m不同時刻流場圖Fig.11 Flow field diagram at different times and DR=0.05 m

圖12 DR=0.10 m不同時刻流場圖Fig.12 Flow field diagram at different times and DR=0.10 m

圖13 不同軸向位置下螺旋槳KT、10KQ曲線Fig.13 KT and 10KQ curves of propeller at different axial positions

3.3 冰塊軸向位置變化對螺旋槳水動力性能及流場的影響

冰塊厚度選為0.075 m，并且保持進速系數(shù)J=0.6，在此情況下改變冰塊的軸向位置.冰塊中心釋放的初始位置分別是(-0.4，0.1，0)m，(-0.5，0.1，0)m，(-0.6，0.1，0)m，(-0.7，0.1，0)m，不同冰塊軸向位置下螺旋槳的敞水性能曲線繪制如圖13所示.

圖13中推力系數(shù)和轉矩系數(shù)均為冰塊未碰到螺旋槳時的監(jiān)測值.從圖13中可以看出，不同軸向位置的螺旋槳水動力變化性能都會具有很明顯的周期性，而且是在一定的大波動下具有小周期波動，小周期波動與螺旋槳旋轉周期相同，顯然是由于螺旋槳的旋轉作用引起的；綜合各圖來看，各圖的大波動都具有相似的波峰波谷，大周期波動由冰塊的軸向運動干擾螺旋槳槳前流場，產(chǎn)生較大的不均勻性造成的.在軸向位置保證不變的前提下，可以看出螺旋槳的推力系數(shù)時間變化曲線，與轉矩系數(shù)曲線的形狀是相同的，也就是兩者具有相同的變化趨勢，這說明螺旋槳在旋轉過程中，其水動力性能變化受槳前流場影響很大，而且流場的分布對推力及轉矩的影響是類似的.此外從圖中還可以看出，不同的軸向位置曲線之間具有一定的時間差，顯然這是由于冰塊的釋放位置不同所引起的.由于冰塊的釋放位置不同.當冰塊軸向距離較近(x=-0.4 m)時，冰槳較容易發(fā)生碰撞，當軸向距離超過0.4 m時，冰槳便不再發(fā)生碰撞，這也反映出冰槳碰撞在很大程度上取決于冰塊的初始釋放位置.

圖14為不同軸向位置冰塊運動到槳前方流線圖，圖中p為槳前方的壓強.由于初始釋放的軸向位置有差別，所以到達槳盤面附近的時間會有較大的差異，在圖14中體現(xiàn)為截取圖片的時間不同.從圖中可以看出，當軸向距離較小時，即本文中軸向間距x=-0.4 m時，冰槳會發(fā)生碰撞；當冰槳初始軸向間距較大，如本文中x=-0.5 m和x=-0.6 m時，冰槳不會發(fā)生碰撞，但是冰塊與螺旋槳的葉梢會挨得很近，這種情況下葉梢間隙處的高速流動很容易產(chǎn)生變化較快的流場，葉梢末端的流場對螺旋槳的性能影響較大，因此敞水曲線會表現(xiàn)出明顯的震蕩(見圖13).當冰槳初始軸向距離x=-0.7 m時，冰塊在運動過程中會從螺旋槳的上方飄過，而且螺旋槳葉梢與冰塊的表面間距較大，不會像軸向間距x=-0.5 m和x=-0.6 m時的敞水曲線表現(xiàn)出那么明顯的震蕩.

圖14 不同軸向位置冰塊運動到槳前方流線圖Fig.14 Ice movement at different axial positions to the front of propeller

4 結論

文章針對于特定的冰槳非接觸模型進行建模，在此基礎上分析了不同大小的冰塊、冰塊的初始徑向位置、軸向位置等參數(shù)的變化對螺旋槳水動力性能的影響情況，以及分析螺旋槳周圍流場的變化情況，所得主要結論如下：

(1)數(shù)值模擬方法獲取的冰塊運動軌跡和實驗結果吻合良好，說明數(shù)值模擬方法具有很高的可靠性.

(2)在冰槳相互作用的來流中，運動的冰塊后方會出現(xiàn)一定的加速區(qū)和阻塞區(qū)，并且這兩種區(qū)域可能同時作用于螺旋槳的槳盤面處.當螺旋槳槳盤面受加速區(qū)影響顯著時，螺旋槳的推力和轉矩都會小于敞水工況值；反之當槳盤面受阻塞區(qū)影響顯著時，推力和轉矩都會有所提高.

(3)冰塊大小的不同對于螺旋槳水動力性能的影響也有很大的不同，大尺寸的冰塊在接近螺旋槳時阻塞效應會更加明顯.

(4)不論是推力系數(shù)還是轉矩系數(shù)總體上隨著冰塊徑向位置DR的增大存在減少的趨勢，并且KT、10KQ曲線自身呈現(xiàn)先增大后減小最后有增大的趨勢.初始徑向釋放位置較小時，在運動過程中冰塊會稍微上浮一段距離，并且冰塊上下兩側的流場分布較為對稱；當冰塊初始位置逐漸變大，運動過程中冰塊兩側的流場會變得不均勻.徑向位置的不同很大程度上會影響螺旋槳槳盤面處的流場.

(5)不同軸向位置的螺旋槳水動力變化性能都會具有很明顯的周期性，而且是在一定的“大波動”下具有小周期的波動，并且軸向位置不同對螺旋槳的水動力性能影響是存在著一定的時間差.