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(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

船舶在冰區(qū)航行，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表面滑動，接近螺旋槳時發(fā)生槳-冰相互作用，將在螺旋槳上產(chǎn)生極端載荷，從而可能會引起噪聲、振動、空泡，以及螺旋槳槳葉極端彎曲或破壞。無論是常規(guī)槳、導(dǎo)管槳還是吊艙推進器，這些情況都有可能發(fā)生。

世界范圍內(nèi)對槳-冰相互作用的研究一直關(guān)注槳葉與冰之間的接觸載荷。在20世紀80年代中期之前，研究冰堵塞效應(yīng)對螺旋槳水動力性能影響的論文很少，研究冰銑削作用下空化現(xiàn)象對水動力性能影響的論文就更少了，更沒有應(yīng)用勢流理論面元法研究冰級槳的水動力性能。直到20世紀90年代中后期開始，研究人員才在這三方面做了大量的工作。自從第15屆國際拖曳水池會議(ITTC)開始設(shè)立冰委會至今已經(jīng)30年，重點是冰特性的研究和冰-船相互作用載荷。在模型冰力學(xué)特性(彈性模量、可壓強度、破裂韌性、重量與浮力，以及模態(tài)等)推薦試驗規(guī)程已經(jīng)形成和冰水池船舶阻力試驗及不確定度分析推薦規(guī)程也已經(jīng)建立以后，槳-冰相互作用的敞水試驗研究也做了大量工作，并正以此為基礎(chǔ)開發(fā)冰水池吊艙推進器試驗規(guī)程，以及在空泡水筒中試驗研究空化現(xiàn)象對螺旋槳水動力性能的影響，第24/25屆ITTC冰委會專家委員會會議上已進行了相關(guān)探討。在這兩屆ITTC冰委會中，來自加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所(NRC/IOT)的專家們和英國紐卡斯爾大學(xué)愛默生空泡水筒實驗室(ECT)的專家們分別就各自研究的方向提出了創(chuàng)新的觀點。而對于應(yīng)用數(shù)值方法預(yù)報冰級螺旋槳水動力性能，20世紀90年代后期，加拿大研究人員在這個方向有所突破。

1 研究進展

1.1 冰水池模型試驗研究進展

自20世紀50年代以來，已經(jīng)開發(fā)出了一些試驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型用以研究槳-冰相互作用，并且應(yīng)用于常規(guī)推進系統(tǒng)上冰載荷的預(yù)報。吊艙推進器作為一種非常規(guī)推進系統(tǒng)，無論是無冰水域還是有冰水域，它的優(yōu)點日益突出。因此，更好地理解槳-冰相互作用，包括作用在吊艙推進器槳葉上的冰載荷，是很有必要的。

作為一個聯(lián)合研究項目，冰水池試驗研究吊艙推進器的槳-冰相互作用得到了加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會和國家研究委員會的資助。研究人員做了大量的冰水池模型試驗并分析采集的試驗數(shù)據(jù)。2004年，韓國研究基金會和先進船舶工程研究中心資助并參與了該項目以提升試驗程序。最終，通過模型試驗和數(shù)值預(yù)報，幫助理解槳-冰相互作用機理。

槳-冰相互作用試驗包括實槳試驗和模型試驗，其中實槳試驗測量值是最有價值的數(shù)據(jù)，但是實槳試驗代價極高，且實槳試驗測量值具有高度的不確定性，這與冰的力學(xué)性能、試驗條件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有關(guān)。因此，一些研究人員轉(zhuǎn)向螺旋槳模型試驗，做了大量的冰水池試驗，包括應(yīng)用真實的海冰和人工冷凍模型冰。

1991年，為了得到槳-冰相互作用期間冰載荷大小，以更新加拿大北極地區(qū)防污染規(guī)則和瑞典-芬蘭波羅的海航行規(guī)則，加拿大政府和芬蘭政府開始從事一個合作研究項目(JRPA JHJ6)。作為JRPA JHJ6的一部分，對槳-冰相互作用分別進行了理論和試驗研究。Veitch將螺旋槳槳葉簡化為楔形形狀，進行試驗以測量槳葉的接觸應(yīng)力。Soininen[1]全面簡化了螺旋槳槳葉形狀，并且用海冰做了一系列試驗，這些工作是加拿大和芬蘭聯(lián)合項目(JRPA JHJ6)的一部分。所有這些試驗都是基于假定的運行條件：大部分的冰載荷作用在螺旋槳槳葉的吸力面。Later, Searle等[2]在加拿大海洋技術(shù)研究所(IOT)冰水池，用人工冷凍EG/AD/S模型冰進行模型試驗，測得了槳的推力和轉(zhuǎn)矩。Moores等[3]也在IOT冰水池用EG/AD/S模型冰進行了大傾斜螺旋槳模型試驗，測得了槳模的推力和轉(zhuǎn)矩，討論了進速系數(shù)的變化對推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響，還觀察了槳-冰相互作用對槳葉形狀的破壞現(xiàn)象。針對吊艙推進器槳-冰相互作用，Wang等[4]在IOT冰水池做了一系列試驗，并且引入數(shù)值方法分析槳-冰相互作用，改進了以前的數(shù)值模型[5]，得到的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合非常好。無論是試驗測量結(jié)果還是數(shù)值預(yù)報結(jié)果，都表明槳-冰相互作用載荷主要依賴于螺旋槳的形狀和運轉(zhuǎn)條件(進速系數(shù)，攻角和槳的銑削深度)。

1.2 空泡水筒模型試驗研究進展

當冰區(qū)船在冰區(qū)航行時，螺旋槳和周圍的碎冰塊或冰脊都有可能發(fā)生復(fù)雜的作用。這種槳-冰相互作用現(xiàn)象可以簡化為三個階段：堵塞、碰撞和銑削。銑削是最后一個階段，在這個階段，螺旋槳在槳盤面附近碾碎冰塊，從而在冰塊上形成冰槽，并且引起大量的空泡和載荷現(xiàn)象。銑削階段是最復(fù)雜最難以理解的階段，這需要進一步研究，特別是試驗研究。

在銑削階段，由于槳葉和冰塊發(fā)生力學(xué)接觸，這將導(dǎo)致螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變。冰塊的臨近效應(yīng)也會改變螺旋槳的水動力性能，當冰塊接近螺旋槳槳葉時，引起高速的水流通過槳葉和冰塊間很小的間隙，這就導(dǎo)致槳葉上升力增加。銑削過程還包括從被螺旋槳碾碎的碎冰區(qū)擠出碎冰，碎冰在螺旋槳葉背被迅速地擠出，在槳葉上產(chǎn)生附加的升力。無論螺旋槳是在冰堵塞條件下運轉(zhuǎn)，還是在銑削條件下運轉(zhuǎn)，都會導(dǎo)致嚴重的空化效應(yīng)，尤其嚴重的是云狀空泡[6]。Doucet等[7]以加拿大海岸警衛(wèi)隊(CCG)R-Class號破冰船所用的螺旋槳為原型槳，制作了200 mm的模型槳，在加拿大國家研究委員會海洋水動力研究所(NRC/IMD)的空泡水筒進行試驗，包括一系列的侵蝕試驗。觀察到了螺旋槳的渦流和嚴重的云狀空泡。Minchev等[8]也用同樣的螺旋槳槳模在英國紐卡斯爾大學(xué)愛默生空泡水筒(ECT)進行了銑削條件下的空泡試驗。根據(jù)試驗結(jié)果得出：在低空泡數(shù)下進行銑削試驗，轉(zhuǎn)矩增加的主要原因是接觸載荷的作用，然而推力降低的主要原因是嚴重的云狀空泡。這一系列的試驗證明了空化效應(yīng)，這還需要系統(tǒng)地研究，并且在冰級槳的設(shè)計中要認真考慮空化效應(yīng)。對于在冰區(qū)運轉(zhuǎn)的任何類型的螺旋槳，與空化效應(yīng)相關(guān)的問題都存在潛在的威脅。

Atlar等[9]介紹了在愛默生空泡水筒(ECT)進行的一系列空泡水筒試驗以驗證冰銑削現(xiàn)象，研究吊艙推進器在系柱條件下和倒車破冰模式下的空泡性能。試驗的主要目的是提供試驗以驗證空化現(xiàn)象對吊艙推進器在冰堵塞條件下和冰銑削條件下水動力性能的影響。在補充的空泡水筒槳模試驗中，進一步研究了吊艙艙體對螺旋槳性能的影響。

1.3 勢流理論法研究進展

在20世紀90年代中后期，加拿大紐芬蘭紀念大學(xué)(MUN)和海洋技術(shù)研究所(IOT)進行了一些試驗研究以研究槳-冰相互作用機理。在進行試驗研究的同時，Bose[10]二次開發(fā)了源自美國國家航空航天局(NASA)一種面元法程序(PM)，用以數(shù)值仿真預(yù)報冰堵塞效應(yīng)對螺旋槳推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響。與此同時，Liu[11]專門開發(fā)了一款內(nèi)部的非定常面元法程序，用于數(shù)值預(yù)報螺旋槳性能，以及基于邊界元法的程序用以研究螺旋槳翼型振蕩。這個內(nèi)部程序稱為PROPELLA，以R-Class號破冰船所用的螺旋槳為目標槳，是第一款專門用于預(yù)報冰塊堵塞對水動力性能影響的程序，包括軸推力、轉(zhuǎn)矩和軸向力的波動。Doucet等[12]用PROPELLA預(yù)報并分析了幾種大傾斜冰級螺旋槳軸向力的波動。由于流動高度的不穩(wěn)定性以及螺旋槳在重載條件下運轉(zhuǎn)，為了獲得收斂可靠的預(yù)報結(jié)果，槳模結(jié)合多體相互作用迭代算法和非定常數(shù)值庫塔條件是必不可少的,因此，Liu[13]開發(fā)并應(yīng)用了預(yù)先迭代庫塔條件。

Liu[14]用改進的PROPELLA研究R-Class號破冰船所用螺旋槳與壁面形冰塊的距離變化對水動力性能的影響，在數(shù)值模型中，壁面形冰塊設(shè)置為靜止的，螺旋槳以一定速度接近壁面形冰塊。Wang[15]在PROPELLA基礎(chǔ)上對其進行修改用以研究吊艙推進器的水動力性能，螺旋槳仍然選用R-Class號破冰船所用的螺旋槳，只是螺旋槳的尺寸為原先的1.5倍，以使其能夠適合吊艙艙體。

2 模型試驗方法簡介

2.1 冰水池模型試驗

冰水池槳模試驗?zāi)軌蛱峁┮卓刂频谋男阅芎拖嗷プ饔脳l件以降低這種不確定性。目前，在冰水池中進行槳模試驗的研究領(lǐng)域中，加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所(NRC/IOT)技術(shù)相對成熟，且受國際拖曳水池委員會(ITTC)冰委員會的委托研究冰水池試驗不確定性分析，在第22/23屆國際拖曳水池會議(ITTC)冰委員會專家委員會上進行了冰水池試驗不確定性分析報告。所以，本節(jié)將以加拿大海洋技術(shù)研究所(IOT)冰水池試驗為基礎(chǔ)介紹槳-冰相互作用試驗方法。

加拿大海洋技術(shù)研究所的冰水池可用尺寸為：長×寬×深=76 m×12 m×3 m，此外，還有15 m長的準備長度用來在試驗前準備試驗設(shè)備，見圖1。實驗室室內(nèi)空氣溫度范圍為-30℃～15℃，拖車的速度范圍為0.000 2 m/s～4 m/s。試驗中所用的模型冰是人工冷凍EG/AD/S模型冰，它能夠模擬真實柱狀海冰彎曲強度。

圖1 冰水池原理示意

吊艙推進器動力儀的原理圖見圖2，所用的螺旋槳模型是以加拿大海岸警衛(wèi)隊(CCG)R-Class號中型破冰船的螺旋槳為原型，為4葉槳。槳模的縮尺比是13.733，槳模的直徑為0.3 m。槳模平均螺距比為0.76，展開面比為0.669，槳轂直徑為0.11 m。螺旋槳槳葉設(shè)計是基于Stone Marine Meridian系列，但是槳葉厚度加大以便在冰區(qū)運行，螺旋槳是由3.3 kW電動馬達驅(qū)動。吊艙推進器動力儀上安裝了3個測力儀以測量葉片載荷和軸承載荷，測力儀可以測量6個自由度上的力和力矩，根據(jù)安裝在艙體內(nèi)部前后軸承上測力儀的測量值可以得到軸推力。由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度很高，且在槳-冰相互作用時要測量很多數(shù)據(jù)點，所以數(shù)據(jù)采集頻率為5 000 Hz。

試驗期間，每2 h采樣一次冰的厚度、彎曲強度、抗壓強度和剪切強度，以記錄冰性能的變化。選取兩種切割深度：15和35 mm，抗壓強度分別為120和195 kPa，切割深度的定義見圖3[16]。

圖2 吊艙推進器動力儀原理示意

圖3 切割深度

為了更好地理解作用在螺旋槳上的冰載荷，假設(shè)螺旋槳在冰區(qū)運轉(zhuǎn)時的載荷由可分離水動力載荷、不可分離水動力載荷和冰接觸載荷組成。可分離水動力載荷來自敞水條件下的水動力載荷。然而，由于冰塊在接近螺旋槳時，槳葉的水動力升力不能夠充分的發(fā)展，所以試驗中可分離水動力載荷只能是近似值，并不完全等于敞水情況下螺旋槳的測量值。由于冰塊的存在，不可分離水動力載荷主要是由堵塞效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和空化效應(yīng)引起的。冰接觸載荷也叫冰銑削載荷，是由冰和槳發(fā)生碰撞引起的。將不可分離水動力載荷和冰接觸載荷稱為冰相關(guān)載荷，當槳葉和冰接觸碰撞時必會產(chǎn)生這兩種載荷。這種分類不僅有助于準確地評估作用在槳葉上的冰載荷，而且可以開發(fā)出冰接觸模型[17]。

試驗包括吊艙推進器敞水試驗和冰水池槳-冰相互作用試驗。在冰水池試驗中，螺旋槳以不同的切割深度、旋轉(zhuǎn)速度和前進速度銑削冰塊。冰水池中的測量值(冰-槳相互作用總載荷)減去敞水測量值(可分離水動力載荷)，就得到了冰相關(guān)載荷。

在槳-冰相互作用時，影響螺旋槳水動力性能的主要參數(shù)是切割深度、冰的抗壓強度和進速系數(shù)。一般情況下，隨著進速系數(shù)的增加，螺旋槳推力系數(shù)增加，當進速系數(shù)增加到一定值時，推力系數(shù)達到峰值；隨著進速系數(shù)進一步增大，推力系數(shù)減小。在低進速系數(shù)情況下，由于槳葉幾何螺距角的降低，切割深度減小會導(dǎo)致負攻角。隨著切割深度的增加，螺旋槳性能參數(shù)的變化越來越不明顯。通常情況下，切割深度越深，螺旋槳推力也越大；并且螺旋槳在銑削作用下的推力要比敞水條件下的推力大。對于非接觸冰-槳相互作用，堵塞效應(yīng)下的水動力載荷要比敞水條件下的水動力載荷大65%～75%。由于螺旋槳的吸力作用，可以觀察到預(yù)鋸開的冰塊有一個加速向螺旋槳槳葉運動的現(xiàn)象，雖然這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，但它仍是不確定性的一個因素；在不同的時間和位置，冰的性能發(fā)生著變化；沿著螺旋槳路徑的冰的厚度不均勻，這也導(dǎo)致了切割深度的變化，從而引起試驗結(jié)果的不確定性，這些都需要進一步試驗研究。

2.2 空泡水筒模型試驗

雖然冰水池模型試驗?zāi)軌蚝芎玫仡A(yù)報接觸載荷，但是由于無法按比例縮放大氣壓，所以只能假設(shè)冰水池冰-槳相互作用下的水動力載荷。有一部分研究人員在空泡水筒中進行少量的試驗以研究冰銑削作用。由于試驗很復(fù)雜，在空泡水筒中進行槳-冰相互作用試驗就顯得既新穎又少見。在這個領(lǐng)域，英國紐卡斯爾大學(xué)的愛默生空泡水筒(ECT)實驗室率先用模型冰開展了一系列的冰銑削試驗，而在空泡水筒中做冰銑削試驗就能夠使冰級槳在需要的空泡數(shù)下進行?？张菟苍囼灠l(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象的存在，且發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象是影響水動力性能的一個顯著的因素，這在冰水池試驗中并沒有發(fā)現(xiàn)。在空泡水筒中進行冰銑削試驗時空泡現(xiàn)象見圖4。

圖4 空泡水筒中冰銑削試驗

以下主要以愛默生空泡水筒實驗室為基礎(chǔ)介紹空泡水筒模型試驗方法。

愛默生空泡水筒是封閉循環(huán)的減壓水筒，測試管段的尺寸為：3.10 m×1.22 m×0.81 m；最大流速為8 m/s；采用的是4葉片軸向葉輪驅(qū)動系統(tǒng)；葉輪直徑為1.4 m，空泡數(shù)范圍為0.5～23，見圖5。2008年空泡水筒得到升級改造，安裝了導(dǎo)流葉片、整流格柵和自動化控制系統(tǒng)。此外，ECT還裝備有LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及激光多普勒測速(LDV)系統(tǒng)。

圖5 愛默生空泡水筒(ECT)總布置

試驗中采用的吊艙推進器模型的原型是一艘雙動船的牽引式吊艙推進器，安裝有一個冰級槳。螺旋槳和吊艙推進器模型見圖6。

圖6 吊艙推進器模型

為了能在空泡水筒中模擬冰塊接近運轉(zhuǎn)的螺旋槳和銑削作用，設(shè)計并建造了一臺送料機構(gòu)，同時能夠承受高速運轉(zhuǎn)的螺旋槳產(chǎn)生的吸力，送料機構(gòu)的原理圖見圖7[18]。

圖7 送料機構(gòu)原理示意

早期在愛默生空泡水筒中進行冰銑削試驗時，曾經(jīng)嘗試了許多不同的模型冰材料，包括真實海冰和人工冷凍冰。但是考慮到空泡水筒試驗條件的限制以及其它的因素，特別是溫度，后來就不再使用傳統(tǒng)的人工冷凍EG/AD/S模型冰，只使用非凍結(jié)材料代替冷凍模型冰。紐卡斯爾大學(xué)機械工程實驗室測試了聚苯乙烯泡沫塑料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度為170 kPa，與人工冷凍EG/AD/S模型冰的抗壓強度近似，聚苯乙烯泡沫塑料模型冰如圖8。

圖8 聚苯乙烯泡沫塑料模型冰

機械工程實驗室中測量該泡沫塑料模型冰的強度特性，并繪制了抗壓強度曲線，見圖9[19]。

圖9 抗壓強度曲線

對于空泡水筒中冰銑削試驗，由于每次試驗持續(xù)的時間只有幾秒且聚苯乙烯泡沫塑料模型冰也被徹底的破壞，所以試驗的次數(shù)受到限制，不可避免地限制了參數(shù)變化的范圍。此外，試驗期間，要經(jīng)常測量空泡水筒水中的空氣含量以保證空氣含量在25%～35%。

在冰銑削作用時，有兩種不同操作程序饋送泡沫塑料模型冰：連續(xù)式饋送法和“走走停停”式饋送法。在連續(xù)式饋送法中，泡沫塑料模型冰以恒定的速度向螺旋槳移動，中間沒有任何中斷，直到達到最大切割長度，即非凍結(jié)模型冰的前端接觸到了吊艙推進器支柱的前緣。連續(xù)式饋送的目的是不間斷地測量螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩。“走走停?！笔金佀偷闹饕康氖怯^察和測量螺旋槳在固定位置的空化現(xiàn)象，也可以提供拍照和錄像的機會[20]。

槳-冰相互作用高度依賴于螺旋槳運行條件和空泡數(shù)，對于影響冰級槳的水動力性能的參數(shù)，空泡數(shù)和進速系數(shù)同等重要。螺旋槳轉(zhuǎn)矩的增加一部分是由于冰-槳接觸而另一部分是由于堵塞效應(yīng)；但是由于螺旋槳和冰塊接觸將會減小推力，所以推力的增加只可能是由堵塞效應(yīng)引起的螺旋槳升力增加而引起的。螺旋槳在非凍結(jié)模型冰固定位置進行銑削作用時，充分發(fā)展的云狀空泡影響了由螺旋槳在模型冰凹槽中運轉(zhuǎn)而引起的附加推力和轉(zhuǎn)矩。雖然空化效應(yīng)已將包含在測量的推力和轉(zhuǎn)矩中，但是定量分析冰銑削作用下空化效應(yīng)對螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的影響還需要進行在不同空泡數(shù)條件下進一步的對比試驗。如果要進一步弄清楚空泡數(shù)對螺旋槳水動力性能的影響，還需要在空泡水筒中進行系統(tǒng)的試驗，并且與冰水池的試驗進行對比分析。

3 數(shù)值模擬方法簡介

數(shù)值模擬方法較之于試驗方法更方便、更快捷，而且節(jié)約費用。國外對冰級吊艙推進器水動力性能的數(shù)值模擬已經(jīng)進行了一些的研究，但僅限于勢流理論的面元法和升力面法的耦合，在粘流理論方面并沒有實質(zhì)的進展。這是因為吊艙推進器在冰區(qū)運行時，可能會發(fā)生螺旋槳槳葉或吊艙艙體與冰塊的碰撞碎裂的現(xiàn)象，這涉及到結(jié)構(gòu)方面的問題，是粘流理論無法解決的問題。所以目前數(shù)值模擬方法僅限于勢流理論法。

目前較多應(yīng)用的是基于勢流理論面元法的PROPELLA，這是一款專門研究吊艙推進器的內(nèi)部數(shù)值仿真程序，由加拿大紐芬蘭紀念大學(xué)的海洋工程研究中心、加拿大國家研究委員會的海洋技術(shù)研究所、加拿大海洋咨詢公司和Thordon軸承有限公司聯(lián)合開發(fā)。

PROPELLA是一款源和偶極混合分布的非定常時域低階面元法程序，能夠預(yù)報帶有不同配置的螺旋槳的水動力性能。在面元上均勻分布源和偶極，以此離散幾何形狀較簡單的螺旋槳。采用雙曲面元的低階面元法將面元上均勻分布奇點，可以用來離散幾何形狀比較復(fù)雜的螺旋槳，如大傾斜螺旋槳。將偶極子均勻分布在四邊形平面面板上以模擬螺旋槳拖出的尾跡。早期的PROPELLA所用的數(shù)值模型如圖10[21]。

圖10 早期PROPELLA的數(shù)值模型

Liu等[22]以PROPELLA為基礎(chǔ)，開發(fā)了一款增強的非定常低階面元法模型用以數(shù)值分析R-Class號破冰船的吊艙推進器螺旋槳的水動力性能。圖11顯示了槳-冰相互作用的原理：圖中的冰塊是預(yù)先鋸開的，并且在吊艙推進器前保持靜止。圖中的斜線表示預(yù)先鋸開的冰塊，保持靜止，吊艙推進器螺旋槳旋轉(zhuǎn)并向前運動。在螺旋槳接近冰塊三角區(qū)域之前，螺旋槳葉稍到冰塊測邊緣的距離是350 mm，比螺旋槳的直徑(300 mm)大一些，所以冰塊測邊緣的堵塞效應(yīng)可以忽略不計。在初始時刻，螺旋槳的盤面在冰塊三角形底邊的位置。由于冰塊三角區(qū)域是等腰直角三角形，所以螺旋槳葉稍距將要接觸的冰塊的距離為350 mm。當螺旋槳盤面前進350 mm到y(tǒng)軸時，螺旋槳葉稍和冰塊發(fā)生碰撞。

圖11 冰-槳相互作用數(shù)值模型原理圖

這個吊艙推進器與冰相互作用的數(shù)值模型是建立在多體相互作用的基礎(chǔ)之上的，采用以面向?qū)ο蟮某绦蛩枷霝榛A(chǔ)的面元法。在這個數(shù)值模型中，吊艙艙體、支架、螺旋槳和冰是不同的對象。對于具有面向?qū)ο笏枷氲臄z動勢流面元法，每個對象都有它自己的源和偶極影響系數(shù)矩陣。為了考慮這種相互作用，每個對象體都會受到所有分布在其它對象物體表面上的源和偶極的影響。流域中冰塊、螺旋槳、吊艙艙體和支架網(wǎng)格見圖12所示。

圖12 冰塊、螺旋槳、吊艙艙體和支架的網(wǎng)格

雖然用這個新的數(shù)值模型計算得到結(jié)果與早先的試驗結(jié)果吻合較好，但是這個新的數(shù)值模型仍然需要進一步改進，從而能夠算出更加合理的結(jié)果。另外，這個數(shù)值模型不僅可以用來預(yù)報螺旋槳與冰的相互作用，還可以用來預(yù)報螺旋槳與其它物體的作用。

4 未來研究展望

4.1 實驗方面

1)無論是冰水池模型試驗還是空泡水筒模型試驗，研究的重點都是冰級槳在通過冰層時槳葉與冰的銑削作用對水動力性能的影響。而實際情況是，冰塊沿著船體滑動通過槳盤面時，首先發(fā)生的是冰塊與旋轉(zhuǎn)的槳葉發(fā)生碰撞，然后是連續(xù)的槳-冰銑削作用，直至冰塊被碾碎通過槳盤面，在這個過程中，冰塊對槳葉的碰撞產(chǎn)生的載荷要高于槳-冰銑削作用的載荷。因此，今后的研究應(yīng)重點評估來自不同方向的冰塊對槳葉的沖擊載荷，以及對冰級槳水動力性能的影響。

2)當發(fā)生槳-冰相互作用時，冰級槳槳葉發(fā)生一定的變形，甚至很嚴重的變形，模型試驗和實槳實際運行都驗證了這種情況。這勢必影響冰級槳周圍的流場，對冰級槳的水動力性能產(chǎn)生影響。因此，后續(xù)需要研究槳-冰相互作用對槳葉產(chǎn)生何種變形，如何盡量避免槳葉變形，以及槳葉變形對水動力性能的影響。

3)國外學(xué)者雖然采用模型試驗和數(shù)值算法預(yù)報冰級槳水動力性能，但未涉及冰級槳尺度效應(yīng)。冰級槳的運行條件比普通槳要復(fù)雜的多，不僅涉及到水動力問題，還涉及到槳-冰相互作用的結(jié)構(gòu)問題，所以冰級槳模型試驗需要遵循的相似準則和尺度效應(yīng)比普通槳復(fù)雜的多。因此，后續(xù)需要弄清楚冰級槳模型和實槳之間的幾何相似、運動相似以及動力相似，建立冰級槳性能的預(yù)報方法。

4)由于真實冰和模型冰力學(xué)性能的非均勻性和非定常性、槳-冰相互作用的隨機性、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不確定性等，模型試驗測量值和實槳測量值具有高度的不確定性。通常情況下，數(shù)據(jù)采集率也沒有高到足以采集到真正的峰值。所以，有必要開發(fā)概率統(tǒng)計方法，分析作用在槳葉上的冰載荷和水動力載荷。

4.2 數(shù)值模擬方面

1)雖然基于面元法的PROPELLA能夠成功的預(yù)報槳-冰非接觸作用下的水動力性能，但是面元法是建立在勢流理論的基礎(chǔ)上的，計算過程忽略了粘性的影響，因此在工程應(yīng)用中需要對設(shè)計和計算結(jié)果進行粘性修正。由于勢流理論忽略粘性力，導(dǎo)致在研究尺度效應(yīng)對冰級槳的影響、空泡與粘性流的非線性相互作用等問題時無法給出定量的計算結(jié)果。對此，有待于進一步研究以利于工程的應(yīng)用。

2)對于普通螺旋槳，基于粘性流理論的計算流體力學(xué)CFD軟件技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在預(yù)報水動力性能方面能夠得出很好的結(jié)果。但是，對于冰級槳，由于會發(fā)生槳-冰接觸載荷，這涉及到結(jié)構(gòu)碰撞的問題，這是粘流理論無法解決的問題。有必要開發(fā)出一款計算流體力學(xué)與計算結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合的軟件預(yù)報槳-冰接觸載荷。勞氏船級社的Erik Vroegrijk已經(jīng)初步嘗試了在STAR-CCM+基礎(chǔ)上應(yīng)用離散元思想研究相關(guān)問題。后續(xù)還需要進一步研究以完善粘流理論預(yù)報冰級槳水動力性能。

5 結(jié)論

冰級槳水動力性能的研究離不開實驗方法和數(shù)值模擬方法，因此無論實驗方法還是數(shù)值模擬方法都需要不斷完善；實驗方法和數(shù)值模擬方法也需要相互借鑒，以期提高預(yù)報結(jié)果的精度，指導(dǎo)工程實踐；實驗方法和數(shù)值模擬方法應(yīng)該在冰級槳水動力性能優(yōu)化設(shè)計方面發(fā)揮更大的作用。同時，冰級槳水動力性能需要通過實驗或數(shù)值模擬方法來驗證和預(yù)報，更需要經(jīng)歷實際應(yīng)用的考驗。

在冰級槳水動力性能的研究中，無論是實驗方面還是數(shù)值模擬方面，國內(nèi)還處于起步階段，目前國內(nèi)還沒有學(xué)者公開發(fā)表相關(guān)的論文。由于北極航線日益明朗以及北極油氣資源的開采也日益明確，為確保我國船舶領(lǐng)域在國際競爭中占據(jù)有利地位以及確保我國在北極事務(wù)中的發(fā)言權(quán)，國內(nèi)學(xué)者有必要在冰級槳水動力性能研究領(lǐng)域開展相關(guān)的研究工作。

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