冰阻塞環(huán)境對(duì)螺旋槳水動(dòng)力和空泡影響試驗(yàn)研究

韓 康，王 超，葉禮裕，武 珅，熊偉鵬

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082）

0 引 言

北極航道的開通使得北極地區(qū)科研、經(jīng)濟(jì)、軍事等方面的戰(zhàn)略價(jià)值日益凸顯，冰區(qū)船舶作為極地資源開發(fā)利用的重要工具得到廣泛的關(guān)注和研究[1]。當(dāng)船舶在冰區(qū)作業(yè)時(shí)，海冰將沿著船體靠近螺旋槳并可能產(chǎn)生阻塞效應(yīng)，特別當(dāng)雙向破冰船艉部破冰時(shí)，阻塞現(xiàn)象頻繁發(fā)生[2]。海冰造成的阻塞效應(yīng)直接導(dǎo)致了螺旋槳周圍伴流場(chǎng)的峰值、寬度和梯度隨時(shí)間劇烈變化，造成流場(chǎng)不均勻性加重，引發(fā)槳葉水動(dòng)力性能和空化特性劇烈變化并對(duì)船體振動(dòng)、船上設(shè)備和船員作業(yè)產(chǎn)生不良影響，威脅船舶航行安全[3]。因此，開展海冰阻塞條件下的螺旋槳水動(dòng)力性能研究對(duì)于正確認(rèn)識(shí)冰槳相互作用機(jī)理和指導(dǎo)冰區(qū)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

阻塞情況下的螺旋槳性能研究具有實(shí)際的工程應(yīng)用背景并且考慮到冰槳相互作用的復(fù)雜性，環(huán)北極國(guó)家在實(shí)踐中大多采用試驗(yàn)方法對(duì)這一問(wèn)題開展研究，取得了較為全面的成果。其中具有代表性的是在20世紀(jì)80～90年代，Edwards等[4]發(fā)表了加拿大海岸警衛(wèi)R級(jí)破冰船實(shí)船和實(shí)槳數(shù)據(jù)，這些寶貴的實(shí)尺度數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)研究有著重要參考價(jià)值?；诖?，很多研究人員將該船螺旋槳的縮比模型作為研究對(duì)象繼續(xù)深入開展冰槳相互作用研究，本文試驗(yàn)中采用的模型槳同樣是該槳的縮比模型。Walker等[5-7]分別在空泡水筒和拖曳水池中開展了較為全面的R級(jí)模型槳和JRPA模型槳的阻塞試驗(yàn)，得出相應(yīng)結(jié)論：阻塞效應(yīng)將導(dǎo)致螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加且推力系數(shù)增加幅度更大，也就是說(shuō)阻塞效應(yīng)將會(huì)提升螺旋槳的推進(jìn)效率；空化對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響與來(lái)流情況有關(guān)，在均勻流中，空泡數(shù)的降低會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)速范圍內(nèi)螺旋槳推力和扭矩的下降，在阻塞流中，空泡數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響與進(jìn)速有關(guān)；空化現(xiàn)象增加槳葉推力和扭矩的波動(dòng)幅值，并且會(huì)誘發(fā)槳葉載荷的相變。值得一提的是，某些文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，阻塞效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)效率的顯著下降，因?yàn)檫@些文獻(xiàn)提及的推進(jìn)效率為推進(jìn)系統(tǒng)總的推進(jìn)效率，考慮了由流體流過(guò)阻塞物引發(fā)的鈍體阻力和螺旋槳的抽吸作用組成的阻塞力的影響[8]。除非特別說(shuō)明，本文中的螺旋槳效率指的是螺旋槳敞水效率，不考慮阻塞力的影響。

盡管Walker開展的試驗(yàn)較為全面，但未能記錄螺旋槳在空化時(shí)的瞬態(tài)特征。Doucet等[9]在隨后的R 級(jí)槳模型試驗(yàn)中測(cè)量并觀測(cè)了螺旋槳在重載工況下的空化現(xiàn)象。Sampson 等[3，8，10]在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的艾默生空泡水筒中采用非凍結(jié)模型冰開展了不同空泡數(shù)下的冰槳阻塞試驗(yàn)，探究了槳葉在不同凹槽內(nèi)的水動(dòng)力性能變化規(guī)律并記錄了連體渦空泡現(xiàn)象，驗(yàn)證了槳葉空化效應(yīng)是研究冰槳相互作用機(jī)理的重要因素。武珅等[11-12]開展了冰槳軸向、垂向間距等冰阻塞參數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與Walker 的結(jié)果具有很好的一致性。上述試驗(yàn)較為系統(tǒng)和全面地研究了阻塞和空化對(duì)螺旋槳整體水動(dòng)力性能的影響，但限于測(cè)試技術(shù)未能分析單片槳葉在不同周向位置的載荷變化以及槳葉表面空泡對(duì)單槳葉載荷的影響，尚未清晰揭示阻塞和空化對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響機(jī)理。

鑒于此，本文在大型循環(huán)水槽中搭建冰阻塞條件下的螺旋槳水動(dòng)力性能測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)模型試驗(yàn)手段對(duì)比分析阻塞條件下槳葉整體載荷和單葉片載荷的變化規(guī)律，在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析阻塞參數(shù)和空泡數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響，為冰阻塞條件下的螺旋槳性能預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)設(shè)備

1.1 螺旋槳模型

如前文所述，為便于對(duì)比分析，本文試驗(yàn)采用與Walker 試驗(yàn)幾何相似的螺旋槳模型，螺旋槳主尺度如表1 所示，模型加工誤差符合ITTC 關(guān)于螺旋槳模型空泡試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定[13]。在測(cè)量螺旋槳整體載荷時(shí)，還進(jìn)行單片槳葉載荷測(cè)試，故對(duì)槳葉和槳轂進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)加工并選取單片槳葉連接測(cè)力天平，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 螺旋槳模型Fig.1 Propeller model

表1 螺旋槳模型主尺度Tab.1 Main dimensions of the propeller model

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中的冰阻塞裝置如圖2所示，該裝置能夠驅(qū)動(dòng)阻塞冰塊在垂向和水平方向上移動(dòng)，并能記錄移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)不同阻塞工況的調(diào)整。為更好地模擬阻塞來(lái)流，試驗(yàn)中在來(lái)流方向安裝有導(dǎo)流罩并對(duì)模型冰的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)圓角處理。

圖2 模型冰固定裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of model ice fixture

本文試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的大型循環(huán)水槽中進(jìn)行，該循環(huán)水槽是我國(guó)目前規(guī)模最大的螺旋槳空泡實(shí)驗(yàn)設(shè)施，能夠精確有效地控制環(huán)境壓力和流速，確保有效開展本文試驗(yàn)[12]?？紤]到大型循環(huán)水槽試驗(yàn)溫度及其對(duì)模型冰力學(xué)特性的影響，本文試驗(yàn)選取非凍結(jié)模型冰作為試驗(yàn)對(duì)象，與凍結(jié)冰相比，非凍結(jié)模型冰具有力學(xué)特性穩(wěn)定、不易開裂、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，且阻塞狀態(tài)時(shí)凍結(jié)冰與非凍結(jié)冰對(duì)螺旋槳前流場(chǎng)影響的差異較小[14]。試驗(yàn)時(shí)的模型冰為尼龍材質(zhì)，其長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為250 mm、200 mm和90 mm。

試驗(yàn)中的測(cè)力裝置如圖3 所示，動(dòng)力儀由電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪帶動(dòng)槳軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在滑動(dòng)軸承右側(cè)安裝有測(cè)力天平，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)螺旋槳推力和扭矩測(cè)量，推力和扭矩的量程分別為0～1500 N 和0～50 N·m。槳轂內(nèi)部裝有多分力測(cè)力天平，主槳葉和多分力測(cè)力天平固定連接，其余槳葉根部設(shè)有配重結(jié)構(gòu)，與槳轂螺釘固定連接，實(shí)現(xiàn)槳轂整體動(dòng)平衡，多分力測(cè)力天平量程分別為TX：0～800 N，TZ：0～800 N，QX：0～30 N·m，QY：0～30 N·m，QZ：0～10 N·m。

圖3 天平布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of load cell

2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

本文試驗(yàn)滿足ITTC制定的關(guān)于螺旋槳水動(dòng)力和空泡試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則[15]，具體如下：

（1）幾何相似

按縮尺比為1:16.46制作螺旋槳模型，二者槳葉輪廓，葉剖面相似。

（2）動(dòng)力相似

試驗(yàn)中螺旋槳浸沒(méi)至水面下1.0D，忽略興波的影響，水動(dòng)力性能與進(jìn)速系數(shù)J和雷諾數(shù)Re有關(guān)，即

在本文試驗(yàn)中，用KT，KQ分別表示螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)，用KTX_BLADE，KTT_BLADE，KQX_BLADE，KQY_BLADE，KQZ_BLADE分別表示單槳葉軸向推力系數(shù)、切向推力系數(shù)以及X方向、Y方向和Z方向的扭矩系數(shù)。

（3）粘性力相似

由于模型試驗(yàn)時(shí)無(wú)法滿足雷諾數(shù)相等的條件，要求在0.75R處槳葉切面弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)Re（0.75R）超過(guò)臨界雷諾數(shù)，即

式中，L0.75R為0.75R處槳葉切面弦長(zhǎng)，υ為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

（4）空泡數(shù)相似

保證盤面處、槳軸線正上方0.8R半徑處的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)和實(shí)船相等[15]，即

式中，pa為大氣壓，p0(0.8R)為0.8R處葉剖面在12 點(diǎn)鐘位置時(shí)的靜壓，Pv為水的汽化壓力，ρs為海水的密度，ρm為水的密度，hs為實(shí)槳槳軸中心沉深，Ds和Dm分別為實(shí)槳和槳模直徑，ns和nm分別為實(shí)槳和槳模轉(zhuǎn)速。

2.2 試驗(yàn)方法及工況介紹

在測(cè)試阻塞環(huán)境下螺旋槳的水動(dòng)力性能之前，首先測(cè)試均流環(huán)境下的螺旋槳水動(dòng)力性能并與Walker的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證本文試驗(yàn)裝置的可靠性。之后在導(dǎo)軌上安裝冰阻塞裝置并調(diào)整其與螺旋槳的相對(duì)位置，確保吊艙中心線、冰阻塞裝置的中心線和工作段的軸線平行。固定后的槳軸線位于循環(huán)水槽中心上方約750 mm 處，采用槳軸中心線和槳盤面作為垂向和軸向的基準(zhǔn)位置，將槳葉在最大阻塞位置時(shí)冰塊模型下端面與葉梢之間的距離和冰塊模型近槳端面到槳盤面距離分別定義為冰槳垂向和軸向相對(duì)位置，如圖4所示。

圖4 冰槳阻塞位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of blocking position

完成冰與螺旋槳的相對(duì)位置調(diào)整后，選取試驗(yàn)冰區(qū)螺旋槳模型的2 組實(shí)船運(yùn)行工況[16]，如表2 所示，進(jìn)行冰阻塞條件下螺旋槳性能測(cè)試。

表2 螺旋槳模型的實(shí)船運(yùn)行工況Tab.2 Real ship operating conditions of the propeller model

根據(jù)定義轉(zhuǎn)速空泡數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水槽壓力至指定轉(zhuǎn)速空泡數(shù)，試驗(yàn)水速則按照進(jìn)速系數(shù)和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)。分別測(cè)量常壓、轉(zhuǎn)速空泡數(shù)為0.44 和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)為0.33 工況下不同冰槳軸向間距時(shí)螺旋槳軸向動(dòng)態(tài)力和空泡的變化。試驗(yàn)工況設(shè)置如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況設(shè)置Tab.3 Setting of test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 螺旋槳整體水動(dòng)力性能

將表3 中工況1 下的螺旋槳水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)與Walker 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制于圖5。由圖可知，本文試驗(yàn)結(jié)果與Walker 試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，在整個(gè)進(jìn)速范圍內(nèi)，推力系數(shù)的平均誤差小于5%，扭矩系數(shù)誤差小于6%，說(shuō)明本文的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)是合理的。誤差來(lái)源除試驗(yàn)環(huán)境因素外，還可能來(lái)自于模型轂徑比的差異。Walker 試驗(yàn)中螺旋槳模型轂徑比為0.27，本文試驗(yàn)是在中空的槳轂中放置測(cè)力傳感器，轂徑比為0.3，略大于Walker試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖5 螺旋槳水動(dòng)力性能Fig.5 Hydrodynamic performance of propeller

圖6（a）和圖6（b）分別為槳模在空泡數(shù)為0.33和空泡數(shù)為0.44環(huán)境下其推力系數(shù)隨阻塞參數(shù)變化規(guī)律曲線。由圖6 可知，在不同的空泡數(shù)下，螺旋槳的推力系數(shù)皆隨著冰槳軸向間距減小而增加，且冰槳軸向間距越小，增加越明顯，這與文獻(xiàn)[7]中的結(jié)論一致。通過(guò)對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)在相同的阻塞工況下，推力系數(shù)隨空泡數(shù)的增加而增加，與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[6]中的結(jié)論一致。同時(shí)文獻(xiàn)[6]指出，在不同的空泡數(shù)范圍內(nèi)，螺旋槳水動(dòng)力性能對(duì)壓力變化有著不同程度的靈敏度。從圖6可以看出冰槳阻塞深度對(duì)螺旋槳推力系數(shù)的影響與軸向間距有關(guān)，當(dāng)軸向間距小于3D/4時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)隨冰槳垂向阻塞深度增加而增加，而當(dāng)軸向間距超過(guò)該范圍時(shí)，結(jié)論與之相反。造成這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)軸向間距在3D/4左右時(shí)，槳葉葉背空泡導(dǎo)致了螺旋槳水動(dòng)力性能的變化。

圖6 減壓狀態(tài)下螺旋槳推力系數(shù)Fig.6 Propeller thrust coefficients under depressurized state

圖7（a）和圖7（b）分別為螺旋槳模型在空泡數(shù)為0.33和空泡數(shù)為0.44環(huán)境下其扭矩系數(shù)隨阻塞參數(shù)變化規(guī)律曲線。與推力系數(shù)類似，螺旋槳扭矩系數(shù)隨冰槳軸向間距的減小而增大，在相同的阻塞工況下扭矩系數(shù)隨空泡數(shù)的增加而增加。由圖7可知，在空泡數(shù)為0.33時(shí)，扭矩系數(shù)隨垂向阻塞深度的增加而增大，而當(dāng)空泡數(shù)為0.44時(shí)，扭矩系數(shù)隨垂向阻塞深度變化規(guī)律受冰槳軸向距離影響。為進(jìn)一步分析阻塞對(duì)螺旋槳整體水動(dòng)力特性的影響，將推力系數(shù)和扭矩系數(shù)在整個(gè)鄰近過(guò)程中(從L到L/8)的變化量的平均值進(jìn)行整理，如表4所示。

圖7 減壓狀態(tài)下螺旋槳扭矩系數(shù)Fig.7 Propeller torque coefficients under depressurized state

表4 槳葉推力扭矩變化量Tab.4 Changes of blade thrust and torque

由表4 中工況3、4 和5 以及工況6、7 和8 下的水動(dòng)力系數(shù)變化量可知，在模型冰與螺旋槳臨近過(guò)程中，阻塞深度越大，螺旋槳水動(dòng)力變化越劇烈。在試驗(yàn)的兩個(gè)空泡數(shù)下，臨近過(guò)程中螺旋槳的效率是下降的。但隨著空泡數(shù)的增加，效率下降的趨勢(shì)在減緩，工況7下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化率基本一致，螺旋槳敞水效率變化不大。

3.2 螺旋槳單槳葉水動(dòng)力性能

以常壓狀態(tài)工況2 和減壓狀態(tài)工況6 為例，分析阻塞狀態(tài)下單槳葉各分力之間的關(guān)系，如圖8 所示。由圖可知，螺旋槳模型在常壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)σ=0.44 時(shí)，單片槳葉五分力隨冰槳間距的變化趨勢(shì)與螺旋槳整體水動(dòng)力性能變化趨勢(shì)相同，皆隨著冰槳軸向間距的縮小而增大，但在相同阻塞參數(shù)下，各分力之間存在著顯著的大小差異。在兩種狀態(tài)下，單槳葉軸向推力均明顯大于切向推力，且軸向力約為切向力的1.8倍，單槳葉的垂向扭矩大于軸向扭矩和橫向扭矩，垂向扭矩約為軸向扭矩的3.7倍，為橫向扭矩的6.4倍。該結(jié)論可用于模擬螺旋槳的危險(xiǎn)工況并為冰區(qū)槳的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供基本的載荷設(shè)定。在圖8 的基礎(chǔ)上，以冰槳軸向間距L/D=1/8、3/8 和7/8 為研究參數(shù)，提取常壓狀態(tài)工況2 下螺旋槳在穩(wěn)定過(guò)程中單片槳葉軸向推力系數(shù)和垂向扭矩系數(shù)的時(shí)域變化曲線，如圖9所示。同時(shí)，以冰槳軸向間距L/D=1/8為研究參數(shù)，對(duì)比2種壓力狀態(tài)時(shí)單片槳葉的時(shí)域變化曲線，如圖10所示。

圖8 不同冰槳間距時(shí)單槳葉各分力性能Fig.8 Single blade hydrodynamic performance with different L/D

圖9 不同冰槳間距時(shí)單槳葉水動(dòng)力系數(shù)時(shí)域變化曲線Fig.9 Time domain curves of single blade hydrodynamic coefficient with different L/D

圖10 不同壓力狀態(tài)時(shí)單槳葉水動(dòng)力系數(shù)時(shí)域變化曲線Fig.10 Time domain curves of single blade hydrodynamic coefficient with different pressures

由圖9 可知，阻塞狀態(tài)下的螺旋槳水動(dòng)力變化特征有明顯的周期特性，周期為1/19.36=0.052 s。當(dāng)冰槳軸向間距固定時(shí)，不同周期內(nèi)的水動(dòng)力系數(shù)波峰幅值變化范圍較小，而波谷幅值的波動(dòng)范圍較大，差異存在的主要原因是冰-螺旋槳的干擾過(guò)程非常復(fù)雜，非阻塞區(qū)域內(nèi)槳葉水動(dòng)力載荷受冰槳干擾作用明顯，同時(shí)，與冰塊的周期性渦脫落也密切相關(guān)[17]。隨著冰槳軸向間距減小，單片槳葉推力系數(shù)和垂向扭矩系數(shù)波峰幅值增大，且波峰附近的波動(dòng)范圍同樣增大，波谷幅值同樣呈現(xiàn)出了波動(dòng)范圍增大的現(xiàn)象。由此可判斷，冰塊的阻塞效應(yīng)越強(qiáng)，槳葉載荷的波動(dòng)范圍越大，載荷越不穩(wěn)定。但同時(shí)可以觀察到，當(dāng)垂向阻塞深度一定時(shí)，不同冰槳軸向間距下水動(dòng)力系數(shù)的波峰周期和波谷周期變化不大，波峰占比約為1/5。

由圖10可知，與常壓狀態(tài)相比，減壓下的空泡明顯增大了槳葉水動(dòng)力載荷的波動(dòng)。在常壓時(shí)，推力系數(shù)和垂向扭矩系數(shù)主波峰出現(xiàn)了2個(gè)波峰和1個(gè)波谷，主波谷上，出現(xiàn)了多個(gè)波峰和波谷，但槳葉載荷在不同周期內(nèi)的差異不大。在減壓狀態(tài)時(shí)，推力系數(shù)和垂向扭矩系數(shù)隨時(shí)間的周期性變化規(guī)律與常壓狀態(tài)時(shí)基本相似，但曲線在整個(gè)時(shí)域內(nèi)波動(dòng)幅值較常壓更大，載荷更不穩(wěn)定，特別是在波谷位置的差異更為明顯。

3.3 螺旋槳空泡形態(tài)分析

以表3 中的工況8 為例分析冰槳軸向間距對(duì)螺旋槳空泡形態(tài)的影響，通過(guò)頻閃儀記錄軸向間距L/D=1、5/8、3/8 和1/8 時(shí)的槳葉空泡現(xiàn)象，如圖11 所示。由圖可知，隨著冰槳軸向間距的減小，處于冰塊正后方的槳葉空泡現(xiàn)象加劇，由最初梢渦空泡逐漸發(fā)展為葉背片空泡，空泡面積逐漸增大，由葉梢位置向葉根位置擴(kuò)展，由導(dǎo)邊區(qū)域向槳葉中部區(qū)域擴(kuò)展。當(dāng)軸向間距減小到1/8 時(shí)，阻塞冰塊與槳葉之間還出現(xiàn)了連體渦空泡，連體渦空泡與葉背片空泡組合成更大面積的片狀空泡從葉背泄出。同時(shí)可以觀察到，在冰槳軸向位置固定時(shí)，處于不同周向位置的槳葉同樣具有不同的空泡形態(tài)，并且隨著軸向距離的減小，不同槳葉間的空泡形態(tài)差異愈發(fā)明顯。由圖11（d）可知，槳葉在非阻塞區(qū)域和阻塞區(qū)域的空泡形態(tài)具有較大差別。當(dāng)槳葉在非阻塞區(qū)域時(shí)，由于冰塊的阻塞效應(yīng)影響相對(duì)較小，此時(shí)槳葉主要產(chǎn)生穩(wěn)定的梢渦空泡，未有連體渦產(chǎn)生。當(dāng)槳葉旋入阻塞區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)了從冰塊端面延伸到葉背的連體渦空泡。

圖11 不同冰槳軸向間距時(shí)槳葉空泡形態(tài)變化Fig.11 Variation of blade cavitation with different L/D

連體渦產(chǎn)生的主要原因是隨著冰槳軸向間距的減小，螺旋槳受到的阻塞效應(yīng)增強(qiáng)，螺旋槳前軸向來(lái)流速度減小，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，槳盤面實(shí)際進(jìn)速系數(shù)降低，槳葉水動(dòng)力載荷增加，槳葉與模型冰之間的相互干擾持續(xù)增大?？紤]到螺旋槳抽吸作用的影響，阻塞狀態(tài)時(shí)從冰塊兩側(cè)進(jìn)入槳盤面的流體增加。同時(shí)，冰塊下表面會(huì)形成加速區(qū)，并在冰塊端部形成向上的翻卷[18]。另外，由于冰塊為鈍體，受模型冰尺度和來(lái)流速度影響，可能在其上表面形成回流區(qū)。不同區(qū)域的流體在冰槳之間發(fā)生強(qiáng)烈的耦合作用，可能形成流動(dòng)遲滯點(diǎn)（流動(dòng)速度為0的流體層）[19]。流動(dòng)遲滯點(diǎn)處的流體層在螺旋槳自身旋轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)作用下，形成渦旋，然后在“皮魯埃特效應(yīng)”(一個(gè)體積較大的渦旋在伸展變細(xì)的過(guò)程中，渦旋核心的旋轉(zhuǎn)不斷加快，從而導(dǎo)致漩渦強(qiáng)度不斷增加,與“龍卷風(fēng)”現(xiàn)象相似)的持續(xù)作用下，這一渦旋將向螺旋槳延伸，并終結(jié)到槳葉上流場(chǎng)壓力低的地方，形成連體渦空泡，連體渦空泡的存在使槳葉水動(dòng)力載荷變得不穩(wěn)定，與上文圖9分析結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文在大型循環(huán)水槽開展了均流和冰阻塞條件下的螺旋槳水動(dòng)力和空泡特性試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了阻塞參數(shù)和空泡數(shù)對(duì)螺旋槳和單片槳葉水動(dòng)力載荷和空泡形態(tài)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明冰阻塞條件下的螺旋槳水動(dòng)力性能是由冰槳阻塞參數(shù)、空泡環(huán)境和螺旋槳運(yùn)行工況綜合作用的結(jié)果，阻塞參數(shù)之間存在相互影響，得出的主要結(jié)論為：

（1）在均流環(huán)境下，本文測(cè)試結(jié)果與Walker 試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，在整個(gè)進(jìn)速范圍內(nèi)，推力系數(shù)的平均誤差小于5%，扭矩系數(shù)的平均誤差小于6%，水動(dòng)力曲線變化趨勢(shì)具有一致性，考慮到試驗(yàn)環(huán)境和模型轂徑比的差異，說(shuō)明本文試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)是較為合理的。

（2）螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)隨冰槳軸向間距的減小而增大，在相同的阻塞工況下隨空泡數(shù)的增加而增加。阻塞深度對(duì)水動(dòng)力的影響與軸向間距和空泡數(shù)有關(guān)，當(dāng)軸向間距小于3D/4時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)隨冰槳垂向阻塞深度增加而增加，而當(dāng)軸向間距超過(guò)該范圍時(shí)，結(jié)論與之相反。在空泡數(shù)為0.33 時(shí)，扭矩系數(shù)隨垂向阻塞深度的增加而增大，而當(dāng)空泡數(shù)為0.44時(shí)，扭矩系數(shù)隨垂向阻塞深度變化規(guī)律受冰槳軸向距離影響。臨近過(guò)程中螺旋槳的效率下降，但隨著空泡數(shù)的增加，效率下降的趨勢(shì)減緩。

（3）在常壓和減壓狀態(tài)下，單槳葉各分力間有明顯的差異，在兩種狀態(tài)下，單槳葉軸向推力均明顯大于切向推力，且軸向力約為切向力的1.8倍，單槳葉的垂向扭矩＞軸向扭矩＞橫向扭矩，垂向扭矩約為軸向扭矩的3.7倍，為橫向扭矩的6.4倍。

（4）阻塞參數(shù)和空泡數(shù)變化會(huì)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)的波動(dòng)范圍造成影響。冰槳軸向間距減小，單片槳葉推力系數(shù)和垂向扭矩系數(shù)波峰和波谷幅值增大，波峰附近的波動(dòng)范圍同樣增大。當(dāng)軸向間距較小時(shí)，冰塊和螺旋槳之間會(huì)誘發(fā)連體渦空泡，連體渦空泡使得槳葉水動(dòng)力載荷變得更加不穩(wěn)定。