高速攝影和水動(dòng)力同步測(cè)試在冰槳碰撞模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

武 珅， 宋明太， 芮 偉

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫 214082)

船舶在冰區(qū)航行時(shí)，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側(cè)面和底面滑動(dòng)，對(duì)船體和螺旋槳、舵等附體結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行帶來(lái)影響。對(duì)于船舶螺旋槳而言，通常裸露于船艉且浸深較淺，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)抽吸作用使得冰水混合流中的冰塊靠近槳盤，進(jìn)而與旋轉(zhuǎn)槳葉發(fā)生碰撞和切削作用，直至冰塊通過(guò)槳盤面。冰塊對(duì)槳葉的碰撞沖擊載荷要高于水動(dòng)力載荷[1]，是造成冰區(qū)船舶螺旋槳葉片變形甚至損壞的主要因素，因此開(kāi)展冰槳碰撞對(duì)冰區(qū)船舶螺旋槳的性能影響研究具有重要意義。

由于冰水混合環(huán)境下的冰槳碰撞作用過(guò)程復(fù)雜，涉及固-固、固-液、液-汽等多物理場(chǎng)的耦合作用，目前在數(shù)值模擬方面還未能建立起全耦合的分析求解方法，多采用分離解耦和假設(shè)簡(jiǎn)化的方法處理[2]。現(xiàn)行的冰區(qū)螺旋槳載荷和強(qiáng)度校核規(guī)范多是源于模型和實(shí)船試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)反映物理作用現(xiàn)象，再經(jīng)過(guò)理論分析和系列統(tǒng)計(jì)回歸進(jìn)行修正參數(shù)的選取[3]，是解決此類力學(xué)問(wèn)題的主要技術(shù)手段。對(duì)于冰槳碰撞切削作用的模型試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用凍結(jié)和非凍結(jié)冰，已分別在冰水池和拖曳水池、空泡水筒等開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作。Wang等[4]在加拿大IOT冰水池開(kāi)展了吊艙推進(jìn)器切削層冰的模型試驗(yàn)，測(cè)量了切削過(guò)程中螺旋槳的推力和扭矩特性變化。Huisman等[5-6]利用石蠟和樹(shù)脂的非凍結(jié)模型冰在荷蘭MARIN水池進(jìn)行了自由運(yùn)動(dòng)冰與螺旋槳碰撞，測(cè)試了螺旋槳的多分量水動(dòng)力性能變化。郭春雨等[7]采用非凍結(jié)模型冰，冰塊為夾持固定狀態(tài)，測(cè)試比較了螺旋槳在空氣中和水中切削模型冰時(shí)的推力和扭矩性能差異。相比于螺旋槳切削層冰和固定模型冰塊，自由運(yùn)動(dòng)冰塊存在平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的多自由度，受螺旋槳抽吸流場(chǎng)作用影響，與螺旋槳作用的隨機(jī)性和不確定性更強(qiáng)，冰槳碰撞螺旋槳水動(dòng)力隨時(shí)間和空間變化。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中如果僅采集螺旋槳水動(dòng)力曲線，不輔以冰槳碰撞的作用過(guò)程圖像，難以達(dá)到分析冰槳碰撞過(guò)程對(duì)螺旋槳性能影響規(guī)律的目的。由于冰槳碰撞是個(gè)瞬態(tài)的作用過(guò)程，捕捉冰塊運(yùn)動(dòng)和冰槳碰撞的細(xì)節(jié)信息需要借助于高速攝影技術(shù)，并保證高速攝像和螺旋槳水動(dòng)力的采集同步，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冰槳碰撞影響的時(shí)空同步分析。

關(guān)于船舶螺旋槳性能試驗(yàn)的同步測(cè)試，主要為研究螺旋槳與流體作用產(chǎn)生的力學(xué)聲學(xué)特征信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和作用機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了獲取螺旋槳力學(xué)、聲學(xué)和槳葉圖像等多特征同步信息的測(cè)試技術(shù)，已將其應(yīng)用在螺旋槳空泡、脈動(dòng)壓力和噪聲等性能的試驗(yàn)測(cè)試中。Pereira等[8-9]利用高速攝像技術(shù)記錄船尾流場(chǎng)中的螺旋槳空泡形態(tài)，通過(guò)對(duì)比螺旋槳非定常梢渦空泡、片空泡的演變過(guò)程和同步采集的脈動(dòng)壓力變化，研究揭示了螺旋槳梢渦空泡、片空泡的周期發(fā)展和潰滅過(guò)程與脈動(dòng)壓力的特征關(guān)系。Song等[10]在空泡水筒開(kāi)展了槳葉梢渦空泡形態(tài)和噪聲性能的同步測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)匹配調(diào)節(jié)高速相機(jī)采集幀數(shù)和水聽(tīng)器采樣頻率，實(shí)現(xiàn)槳葉噪聲頻譜曲線與梢渦空泡形態(tài)變化圖像的同步采集，進(jìn)而分析建立了槳葉梢渦空泡的聲學(xué)模型，研究揭示了槳葉梢渦空泡的發(fā)聲機(jī)制和噪聲變化特征。

鑒于此，本文利用空泡水筒模擬冰槳碰撞試驗(yàn)環(huán)境，嘗試將高速攝像和螺旋槳水動(dòng)力的同步測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到冰槳碰撞模型試驗(yàn)中。為獲取自由冰塊運(yùn)動(dòng)和冰槳碰撞過(guò)程的螺旋槳水動(dòng)力性能變化，需要搭建多相機(jī)圖像與螺旋槳水動(dòng)力之間的同步采集測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行多相機(jī)的組合布置和觸發(fā)采集環(huán)節(jié)的參數(shù)匹配調(diào)節(jié)。然后，綜合分析冰塊和螺旋槳性能的時(shí)空特征變化信息，檢驗(yàn)同步測(cè)試效果，為研究冰槳碰撞對(duì)螺旋槳性能影響提供測(cè)試手段。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)試裝置

1.1 螺旋槳模型

本次冰槳碰撞螺旋槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象為一只四葉螺旋槳模型[11]，槳模直徑0.25 m，右旋，盤面比0.72，0.7R螺距比0.817，如圖1所示。槳模材料暫選用鋁合金，還未考慮實(shí)船冰區(qū)螺旋槳的材料特點(diǎn)而選擇高強(qiáng)度的銅槳或不銹鋼槳，本次模型試驗(yàn)的主要目的是搭建同步系統(tǒng)和檢驗(yàn)測(cè)試效果。

1.2 模型冰

試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅谥袊?guó)船舶科學(xué)研究中心的小型冰水池制備，凍結(jié)層冰的冰力學(xué)特性參數(shù)如表1所示。表1中冰厚和冰力學(xué)特性參數(shù)的選取主要是參考試驗(yàn)槳?？s尺比和柯西相似關(guān)系，考慮到模型試驗(yàn)是在常溫空泡水筒中進(jìn)行，模型冰的冰力學(xué)特性參數(shù)會(huì)隨溫度的變化而變化，因此給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅谋W(xué)特性參數(shù)變化范圍。

表1 試驗(yàn)層冰的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of test level ice

將凍結(jié)層冰預(yù)切割成三種尺寸的長(zhǎng)方體冰塊，冰厚相同，長(zhǎng)和寬分別為40 mm×40 mm、60 mm×60 mm和80 mm×80 mm，每種40塊，以滿足不同測(cè)試工況和重復(fù)性試驗(yàn)要求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅鶚尤鐖D2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅鶋KFig.2 Test model ice

1.3 測(cè)試裝置

模型試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的空泡水筒中進(jìn)行。空泡水筒的工作段直徑0.8 m，長(zhǎng)度3.2 m，水速范圍3～20 m/s，壓力調(diào)整范圍8～400 kPa，最低空泡數(shù)(無(wú)模型)0.15?？张菟查L(zhǎng)軸動(dòng)力儀的推力、扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試量程分別為4 000 N、500 N·m和4 500 r/min。

試驗(yàn)中采用兩臺(tái)高速相機(jī)，一臺(tái)視角較大用于記錄冰槳相對(duì)運(yùn)動(dòng)和碰撞切削的整體作用效果，型號(hào)為Photron APX，幀率最高可達(dá)到8 000 fps，分辨率為1 024×512，空間分辨率每像素約0.18 mm。另一臺(tái)高速相機(jī)則聚焦于螺旋槳葉片，主要捕捉模型冰與槳葉的碰撞破壞過(guò)程，型號(hào)為Photron SA4，幀率和分辨率均與前者一致，空間分辨率每像素約0.13 mm。同時(shí)，為滿足高速相機(jī)高幀率對(duì)進(jìn)光量的要求，在模型試驗(yàn)中配備了4 000 W的照明燈進(jìn)行補(bǔ)光。

2 測(cè)試方法

如圖3所示，螺旋槳模型安裝于空泡水筒的長(zhǎng)軸動(dòng)力儀上，模型冰位于螺旋槳來(lái)流前方，由長(zhǎng)臂夾進(jìn)行夾持布放，兩臺(tái)高速相機(jī)和照明燈均位于空泡水筒的同側(cè)面。為了實(shí)現(xiàn)冰槳碰撞過(guò)程中高速攝像和螺旋槳水動(dòng)力性能的同步測(cè)量，分別從兩臺(tái)高速相機(jī)上引出信號(hào)同步控制線，首先通過(guò)兩臺(tái)高速相機(jī)觸發(fā)采集環(huán)節(jié)參數(shù)的匹配調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的圖像采集同步。然后，將信號(hào)同步線的一端與水動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，另一端與圖像采集控制系統(tǒng)連接。對(duì)螺旋槳水動(dòng)力時(shí)域信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，在模型冰釋放前由圖像采集控制系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)控制兩臺(tái)高速相機(jī)開(kāi)始圖像拍攝，與此同時(shí)發(fā)出上升沿電壓信號(hào)，該信號(hào)由水動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收，并與螺旋槳水動(dòng)力測(cè)試信號(hào)同步輸出。

圖3 模型試驗(yàn)布置Fig.3 Model test arrangement

試驗(yàn)前首先進(jìn)行模型冰塊的布放位置調(diào)節(jié)，通過(guò)空泡水筒上蓋口、鋼板尺、卡尺等對(duì)長(zhǎng)臂夾位置進(jìn)行軸向、徑向和垂向定位。采用槳軸中心線和槳盤面作為垂向和軸向的基準(zhǔn)位置，分別將夾持冰塊點(diǎn)到槳軸中心線和槳盤面的距離作為施放碎冰塊的垂向和軸向相對(duì)位置，而在徑向上保證從空泡水筒自上而下看長(zhǎng)臂夾與槳軸中心成一條直線。在試驗(yàn)中選取2個(gè)垂向位置，均位于槳軸上方，距槳軸中心線分別為D/2和D/4；2個(gè)軸向位置，均在螺旋槳來(lái)流前方，距槳盤面分別為D和D/2，所以模型冰塊共有4個(gè)初始釋放位置。以高速相機(jī)的拍攝視角看模型冰與螺旋槳的位置關(guān)系，4個(gè)釋放位置(D、D/2)、(D、D/4)、(D/2、D/2)和(D/2、D/4)分別稱之為左上、左下、右上和右下方。

本文為冰槳碰撞對(duì)螺旋槳性能影響的初次機(jī)理性試驗(yàn)，主要關(guān)注在螺旋槳旋轉(zhuǎn)抽吸作用下的冰塊運(yùn)動(dòng)和冰槳碰撞特性，因此本次試驗(yàn)空泡水筒沒(méi)有開(kāi)水速，僅螺旋槳以給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)將空泡水筒的上蓋板打開(kāi)，水筒中注水至上蓋口，螺旋槳設(shè)定2個(gè)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為15 r/s和20 r/s。待螺旋槳旋轉(zhuǎn)抽吸流動(dòng)穩(wěn)定后，由長(zhǎng)臂夾深入水筒至不同指定位置釋放模型冰塊，模型冰塊被抽吸至槳盤面而發(fā)生冰槳碰撞切削作用。模型試驗(yàn)共包括3種尺寸冰塊、4個(gè)初始釋放位置和2個(gè)螺旋槳模型轉(zhuǎn)速，所以共有24個(gè)試驗(yàn)工況?？紤]到冰塊與螺旋槳運(yùn)動(dòng)、冰槳碰撞破壞過(guò)程存在一定的隨機(jī)和不確定性，在每組工況進(jìn)行了5次重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)試，因此共進(jìn)行了120次冰槳碰撞模型試驗(yàn)測(cè)試，同步測(cè)量了不同幾何尺寸冰塊、不同初始釋放位置和不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下的冰塊運(yùn)動(dòng)、碰撞破壞過(guò)程和螺旋槳的水動(dòng)力系數(shù)變化。

3 測(cè)試結(jié)果分析

圖4給出了試驗(yàn)采集到的一組螺旋槳模型推力時(shí)歷變化和高速攝像的同步信號(hào)曲線，實(shí)線為去掉螺旋槳模型水動(dòng)力均值后以零點(diǎn)為波動(dòng)變化的推力時(shí)歷信號(hào)曲線，虛線為高速相機(jī)的信號(hào)線。

圖4 水動(dòng)力和高速攝像同步信號(hào)曲線Fig.4 Hydrodynamic and high-speed video synchronization signal curves

從圖4可以看出，1.0 s左右時(shí)刻發(fā)生的冰槳碰撞使得槳模推力曲線出現(xiàn)明顯的跳動(dòng)，并在冰塊碰撞結(jié)束后衰減至穩(wěn)定。而在螺旋槳模型推力的采集過(guò)程中，由高速相機(jī)圖像采集控制系統(tǒng)給出觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而得到上升沿電壓信號(hào)開(kāi)始圖像采集，根據(jù)高速相機(jī)的最大圖像存儲(chǔ)量和采集幀數(shù)計(jì)算得到圖像的采集時(shí)長(zhǎng)，作為下降沿信號(hào)結(jié)束同步采集。

圖5和圖6給出了圖4中同步采集信號(hào)的上升沿和下降沿觸發(fā)時(shí)刻附近曲線的放大圖，通過(guò)采樣點(diǎn)和采樣時(shí)刻可計(jì)算得到同步采集時(shí)長(zhǎng)為5.458 7 s，而高速相機(jī)采集相片的存儲(chǔ)量為10 917張圖片，采集幀數(shù)設(shè)置為2 000 fps/s，總采集時(shí)長(zhǎng)為5.458 5 s。對(duì)比圖像采集時(shí)長(zhǎng)和水動(dòng)力上升沿到下降沿的采集時(shí)長(zhǎng)可見(jiàn)，同步誤差在0.2 ms。此外，從圖5和圖6中的上升沿和下降沿電壓信號(hào)變化存在一定斜率可以看出，從觸發(fā)至信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間在0.5 ms左右，而槳模推力的采樣頻率為3×104，高速相機(jī)的采樣間隔為0.5 ms，本試驗(yàn)的高速攝影和水動(dòng)力同步采集誤差應(yīng)小于1 ms。可見(jiàn)，同步測(cè)試在冰槳碰撞螺旋槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖5 上升沿觸發(fā)時(shí)間Fig.5 Trigger time of the rising edge

圖6 下降沿觸發(fā)時(shí)間Fig.6 Trigger time of the falling edge

由于本次冰槳碰撞模型試驗(yàn)存在多個(gè)測(cè)試工況，而且在相同工況下冰塊與螺旋槳的碰撞作用過(guò)程也不盡相同，因此研究冰槳碰撞對(duì)螺旋槳性能影響需要借助于試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線和冰槳時(shí)空變化信息來(lái)進(jìn)行綜合分析，下面從中選取兩組典型冰槳碰撞作用過(guò)程進(jìn)行具體說(shuō)明，工況如表2所示。

表2 典型試驗(yàn)工況Tab.2 Typical test condition

圖7為工況1冰塊運(yùn)動(dòng)、冰槳碰撞破壞過(guò)程和螺旋槳模型推力的同步采集測(cè)試結(jié)果。需要指出的是，圖中的槳模推力截取了從冰塊運(yùn)動(dòng)靠近槳模到冰槳碰撞作用結(jié)束段的時(shí)歷變化曲線，在曲線上選取部分時(shí)刻點(diǎn)(A～O)，分別給出了兩臺(tái)高速相機(jī)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻采集到的圖片。

圖7 高速攝像和螺旋槳模型推力的同步測(cè)試結(jié)果(工況1)Fig.7 Test results of high-speed video and model propeller thrust synchronization measurement (case 1)

從圖7可以看出，兩臺(tái)高速相機(jī)分別從整體和局部視角同步采集到了冰塊運(yùn)動(dòng)和冰槳碰撞作用過(guò)程。總體來(lái)看，在右上方位置釋放后，自由狀態(tài)模型冰在螺旋槳抽吸力、重力和浮力的綜合作用下，約在D時(shí)刻運(yùn)動(dòng)至槳盤面，與旋轉(zhuǎn)槳模的4號(hào)槳葉導(dǎo)邊發(fā)生碰撞切削作用，直到J時(shí)刻破碎，然后向螺旋槳下游方向運(yùn)動(dòng)。從該工況模型冰的碰撞破碎過(guò)程來(lái)看，模型冰形狀和尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體，為三種模型冰中的最小尺寸，模型冰受到槳模4號(hào)槳葉的單次碰撞切削作用，即被切穿破碎而通過(guò)槳盤。

對(duì)比圖7槳模的推力變化曲線也可以看出，在發(fā)生冰槳碰撞作用前，即A、B、C以及之前時(shí)刻，槳模的均流水動(dòng)力采集成穩(wěn)定小幅波動(dòng)狀態(tài)。在D時(shí)刻左右開(kāi)始出現(xiàn)異常脈動(dòng)，在整個(gè)D～J時(shí)間段內(nèi)冰槳碰撞導(dǎo)致的脈動(dòng)幅值要遠(yuǎn)大于水動(dòng)力作用，由于本次工況發(fā)生現(xiàn)象為冰槳的單次碰撞，在初次的推力脈動(dòng)即達(dá)到?jīng)_擊峰值，如圖中F時(shí)刻。而在K時(shí)刻向后，雖然冰槳碰撞過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，但由于長(zhǎng)軸動(dòng)力儀受到冰槳碰撞的激勵(lì)作用，此時(shí)采集到的槳模推力會(huì)比碰撞前出現(xiàn)較大波動(dòng)，并隨時(shí)間不斷衰減。

圖8給出了工況2冰塊運(yùn)動(dòng)、冰槳碰撞破壞過(guò)程和螺旋槳模型推力變化的同步采集測(cè)試結(jié)果，包括冰槳碰撞過(guò)程的槳模推力時(shí)歷變化曲線和部分時(shí)刻點(diǎn)(A～R)的兩臺(tái)高速相機(jī)采集圖片。

圖8 高速攝像和螺旋槳模型推力的同步測(cè)試結(jié)果(工況2)Fig.8 Test results of high-speed video and model propeller thrust synchronization measurement (case 2)

從圖8冰槳碰撞過(guò)程圖片可以看出，工況2的模型冰與槳模發(fā)生多次的碰撞作用，從C時(shí)刻運(yùn)動(dòng)至槳盤與1號(hào)槳葉接觸，模型冰在旋轉(zhuǎn)槳葉帶動(dòng)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)和部分破壞，然后連續(xù)與2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)槳葉以及再與1號(hào)槳葉發(fā)生碰撞切削作用。從C～O時(shí)刻，基本經(jīng)過(guò)一個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)周期后，模型冰大部分受旋轉(zhuǎn)槳葉的沖撞作用向螺旋槳外半徑方向彈開(kāi)，再向螺旋槳下游運(yùn)動(dòng)，而模型冰僅有小部分被槳葉切碎，未能整體貫穿。

從圖8槳模推力變化曲線上也可以看出，在冰槳碰撞作用過(guò)程中采集到的大幅推力脈動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間要大于圖7，且推力脈動(dòng)的幅值和數(shù)量也都增大，例如出現(xiàn)G、K、N等時(shí)刻的多個(gè)峰值。由于工況2的模型冰塊為80 mm×80 mm×40 mm的長(zhǎng)方體，質(zhì)量和慣性較工況1增大，且初始釋放位置在左上方，具有更多的抽吸加速時(shí)間和更大的軸向運(yùn)動(dòng)速度，因此冰槳碰撞槳模的推力脈動(dòng)幅值更大，連續(xù)的冰槳碰撞沖擊作用明顯。而在P時(shí)刻冰槳碰撞結(jié)束后，受到連續(xù)激勵(lì)的長(zhǎng)軸動(dòng)力儀采集到的槳模推力波動(dòng)也要大于工況1，衰減到穩(wěn)定水動(dòng)力采集狀態(tài)所需的時(shí)間也要增加。

從以上兩個(gè)冰槳碰撞案例可以看出，不同的模型冰尺寸、初始釋放位置和螺旋槳的運(yùn)行工況，會(huì)產(chǎn)生模型冰塊受切削破碎經(jīng)過(guò)槳盤和碰撞彈開(kāi)至槳盤外的不同冰槳碰撞作用方式，且碰撞次數(shù)和碰撞程度均不相同，隨機(jī)性和不確定性較強(qiáng)。此外，由于每組工況均進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)，下面仍選取工況2對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的重復(fù)性進(jìn)行分析。圖9給出了工況2部分重復(fù)性試驗(yàn)的螺旋槳推力時(shí)歷曲線測(cè)試結(jié)果。

(a) 重復(fù)性試驗(yàn)1

(b) 重復(fù)性試驗(yàn)2圖9 工況2螺旋槳推力的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Repeatability test results of propeller thrust in case 2

對(duì)比圖9和圖8的重復(fù)性試驗(yàn)螺旋槳推力時(shí)歷曲線可以看出，相同工況螺旋槳與冰塊的碰撞作用時(shí)長(zhǎng)和碰撞峰值基本在同一量級(jí)，但出現(xiàn)的峰值數(shù)目和峰值大小存在差異。這主要是由于螺旋槳存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在每次試驗(yàn)中難以做到槳葉在相同相位位置時(shí)釋放冰塊。雖然相同工況的重復(fù)性試驗(yàn)使得冰塊在到達(dá)槳葉時(shí)的徑向位置基本相同，但冰塊與槳葉開(kāi)始接觸的弦向位置不同，而螺旋槳又存在三維曲面形狀，使得冰塊與槳葉的碰撞作用方式不同，進(jìn)而帶來(lái)冰槳碰撞次數(shù)和碰撞峰值大小的差異?？梢?jiàn)，自由運(yùn)動(dòng)冰塊與螺旋槳碰撞的不同工況之間、相同工況的重復(fù)性試驗(yàn)之間均可能出現(xiàn)不同的冰槳碰撞作用方式，也證明了本文建立冰槳碰撞作用過(guò)程圖像和螺旋槳水動(dòng)力同步采集分析系統(tǒng)的必要性，否則難以對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行合理解釋。

因此開(kāi)展此類問(wèn)題研究，非常有必要借助于冰槳碰撞作用過(guò)程的性能曲線和時(shí)空特征變化信息，從多個(gè)工況以及重復(fù)性試驗(yàn)中提取極限和平均結(jié)果，綜合分析冰槳碰撞對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1) 將高速攝影和螺旋槳水動(dòng)力同步測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于冰槳碰撞螺旋槳水動(dòng)力性能模型試驗(yàn)中，通過(guò)多相機(jī)同步測(cè)試平臺(tái)的搭建和觸發(fā)采集環(huán)節(jié)的參數(shù)匹配調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了冰槳碰撞過(guò)程中螺旋槳水動(dòng)力隨時(shí)空變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比圖像采集時(shí)長(zhǎng)和觸發(fā)信號(hào)曲線，驗(yàn)證了同步測(cè)試技術(shù)在冰槳碰撞模型試驗(yàn)應(yīng)用中取得了良好效果。

(2) 冰槳碰撞存在單次、多次等不同的碰撞作用方式，隨機(jī)性和不確定性強(qiáng)，對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響程度不同。同步測(cè)試可為冰槳碰撞提供時(shí)空多特征變化信息，為綜合分析冰槳碰撞對(duì)螺旋槳性能影響提供可靠依據(jù)。