郭春雨，徐 佩，張海鵬

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001）

0 引 言

極地海洋在地球上大約占海洋總面積的7%，比歐洲和美國北部覆蓋的海洋區(qū)域加起來還大。特別是北極地區(qū)蘊藏著豐富的資源，有“地球最后寶庫”的美稱，既包括豐富的可再生能源，還有著日漸緊缺的石油、天然氣、金剛石和稀有元素等寶貴的不可再生資源[1]，隨著能源價格的上漲，對于新興能源開發(fā)的需求不斷增大。同時，隨著全球氣候的逐漸變暖，北極航道的開通成為了可能，相比于遠東和歐洲之間南部海上航線，北極航道縮短了60%的航行距離，這意味著存在巨大的潛在經(jīng)濟效益[2]，為了追求經(jīng)濟性，大量的船舶將會選擇北極航道航行。這給冰區(qū)航行船舶、極地科考船以及破冰船的建造提供了契機，隨著北極地區(qū)資源的開發(fā)以及航道的開通，冰區(qū)船舶的研究成為了人們越來越關注的焦點。船舶在冰區(qū)航行，特別是在破冰情況下航行時，經(jīng)常會導致碎冰在船舶艏部下沉，當船舶通過覆冰區(qū)域時，碎冰會沿著船體逐步靠近螺旋槳，從而使螺旋槳受到極端載荷的作用[3-5]，直接影響到船舶的推進效率，關系到了船舶的振動、航速和經(jīng)濟技術指標等，所以進行螺旋槳-冰相互作用的研究具有十分重要的意義。

國外在螺旋槳-冰相互作用的研究中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，自從Lindroos和Bj?rkestam（1986）[6]使用平板代替冰第一次成功嘗試了冰對螺旋槳的阻塞現(xiàn)象以來，螺旋槳-冰相互作用過程中螺旋槳水動力性能的研究一直都是研究人員關注的焦點。Laskow（1988）[7]通過蠟塊在加拿大國家研究委員會海洋技術研究所（IMD）的拖曳水池中進行了試驗，研究了導管槳的冰塊流與阻塞的水動力效應，并與Lindroos和Bj?rkestam（1986）的試驗進行了對比，試驗結果表明堵塞導致螺旋槳軸向推力、軸向扭矩、螺旋槳的振動和吸收力的增加。此外，還測量出阻塞導致導管推力的減少，導管推力的減小大于軸向推力的增加，從而使導管槳總推力下降。Luznik（1994）等人[8]利用加拿大海岸警備隊（CCGS）R級破冰船的固定距螺旋槳進行了一系列的試驗，試驗測量了阻塞流中螺旋槳與凹槽模型冰距離固定時，不同進速系數(shù)下螺旋槳水動力性能的變化，以及螺旋槳在某一個進速系數(shù)時，模型冰與螺旋槳不同距離時螺旋槳的水動力性能的變化。試驗過程中分別測量了螺旋槳的推力和扭矩，形成了螺旋槳-冰相互作用時螺旋槳水動力性能廣泛研究的一部分。Newbury（1994）等做過類似的試驗，區(qū)分點在于所選擇的模型結構不同。1996年，Walker等人[9]同樣在紐芬蘭紀念大學的拖曳水池中對直徑為200 mm的敞水槳進行了試驗，試驗過程中分別測量了螺旋槳在均勻流和阻塞流中平均和瞬時螺旋槳推力和扭矩以及模型冰拖曳力、模型冰接近螺旋槳時螺旋槳槳葉的壓力和模型冰距離的影響。試驗結果表明阻塞效應使螺旋槳推力和扭矩增加，此外，阻塞也導致了平均載荷振動的增加。Mooresc（2002）等人[10]在冰水池中對大傾斜螺旋槳進行了試驗，試驗過程中測量了螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳進速系數(shù)的變化，同時觀察到螺旋槳槳葉破壞的現(xiàn)象。2005年，Liu[11]改進了PROPELLA程序，研究了R級螺旋槳與鋸齒形冰塊距離改變時冰塊對吊艙推進器的水動力性能的影響，并與試驗值進行了對比。Wang（2006）等人[12-13]在冰水池中進行了螺旋槳-冰相互作用過程中螺旋槳的形狀和運轉(zhuǎn)條件（螺旋槳進速系數(shù)、槳葉的攻角和模型冰的切割深度）的試驗，并與數(shù)值計算進行了對比。2007年，Sampson等人[14-15]在愛默生空泡水筒中研究吊艙推進器在冰槽中運動時吊艙推進器的水動力性能，該過程類似于破冰船在系泊狀態(tài)下的運動狀態(tài)。此外，Sampson等人（2013）在愛默生空泡水筒中分析了吊艙推進器與模型冰在切削過程中的空泡問題，以及進行了空氣中的切削，并對實尺度螺旋槳-冰相互作用的數(shù)據(jù)進行了檢驗。

目前，國內(nèi)在螺旋槳與冰方面的研究還非常少，而試驗方面的研究幾乎沒有。針對國內(nèi)在冰對螺旋槳水動力性能影響試驗短缺的情況，在哈爾濱工程大學船模拖曳水池中進行非凍結模型冰對螺旋槳水動力性能影響的試驗，探究非凍結模型冰在鄰近和阻塞狀態(tài)下對螺旋槳水動力性能的影響。

1 非凍結模型冰試驗

1.1 試驗設備

冰對螺旋槳水動力性能影響試驗在哈爾濱工程大學船模拖曳水池進行，船模拖曳水池的尺寸為：長×寬×深為108 m×7 m×3.5 m。拖車速度范圍為0.1～6.5 m/s，通過螺旋槳動力儀進行螺旋槳推力和扭矩的測量，其推力和扭矩的最大范圍是250 N和10 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 500 rpm；通過DHDAS數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集。冰對螺旋槳水動力性能試驗主要是在螺旋槳敞水性能實驗的基礎上進行，在螺旋槳來流方向上加入非凍結模型冰，通過改變模型冰的位置以及尺寸來研究螺旋槳推力和扭矩的變化，其中非凍結模型冰的移動裝置和螺旋槳敞水性能實驗裝置是兩個完全獨立的系統(tǒng)，分別由不同的固模架連接，固模架之間彼此沒有聯(lián)系，試驗裝置的安裝位置如圖1所示。

試驗過程中為了模擬真實冰的運動狀態(tài)，本試驗設計了非凍結模型冰推進裝置，該裝置在螺旋槳-冰相互作用過程中需要經(jīng)受極大的抽吸力，同時提供可控制的推進速度以及精確的移動距離。該推進裝置主要由kk線性模組、AC伺服電機和控制系統(tǒng)構成，kk線性模組和AC伺服電機固定在固模架上，通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)冰的移動，該控制系統(tǒng)主要通過驅(qū)動器來實現(xiàn)冰的點動向前、點動向后、連動向前和連動向后四種運動類型，運動過程中速度和位移的精度分別為±0.01 mm/s和±0.01 mm，最大移動范圍為550 mm，其中速度和位移大小可以通過驅(qū)動器中的內(nèi)部程序來改變。

1.2 螺旋槳

本次試驗所用的螺旋槳模型是根據(jù)某海事巡邏船原型槳按1：6縮尺比并進行局部修改得到的，螺旋槳的相關尺寸和參數(shù)如表1所示。

1.3 非凍結模型冰

考慮到船模拖曳水池的限制和其他因素，不能直接選擇凍結冰作為試驗材料，而是選擇非凍結模型冰作為試驗材料。與凍結冰相比非凍結模型冰具有費用低、制作時間短和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。非凍結模型冰是螺旋槳和冰相互作用過程中的關鍵因素，也是試驗前期最難選擇的工作，由于試驗過程中螺旋槳與模型冰之間的最小距離為1 mm，為了防止螺旋槳槳葉的破壞以及模型冰斷裂，最終選擇了壓縮強度為166 kPa的酚醛保溫板作為試驗材料。試驗過程中分別制作了長度為200 mm，厚度為80 mm和120 mm，寬度為200 mm的模型冰，模型冰的大小如圖2所示。

圖2 不同尺寸的模型冰Fig.2 Different sizes of model ice

圖3 螺旋槳-冰不同距離時模型冰的位置分布Fig.3 The location of model ice in the different distances between the propeller and the ice

表2 試驗工況Tab.2 Test conditions

1.4 試驗工況

船舶在冰區(qū)航行時經(jīng)常受到不同數(shù)量、不同大小、不同方向的冰沿著船體逐漸接近螺旋槳對螺旋槳產(chǎn)生阻塞影響，使螺旋槳水動力性能發(fā)生顯著變化。試驗過程中試驗工況主要包括四部分，工況1：不同厚度的模型冰在阻塞狀態(tài)下對螺旋槳水動力性能的影響；工況2：螺旋槳在進速系數(shù)J=0.2，0.4和0.7時螺旋槳-冰不同距離時對螺旋槳水動力性能影響；工況3：探究冰在橫向不同位置時螺旋槳水動力性能的變化；工況4：探究冰在垂向不同位置時對螺旋槳水動力性能的影響。具體試驗工況如表2所示，工況2中螺旋槳-冰不同距離時模型冰的位置分布如圖3所示。

2 試驗結果及分析

首先建立模型冰運動時的相對坐標系，坐標系o-xyz定義為坐標系原點固定在螺旋槳槳葉的最前端，x軸定義為由槳模敞水試驗箱指向來流的方向，y軸正向為從槳模敞水試驗箱向來流方向看時指向左側(cè)為正方向，根據(jù)右手定則可以得出z軸的方向向上。此外，試驗過程中需要精確控制螺旋槳-冰之間的距離，試驗開始之前需要確定模型冰的初始位置，本試驗通過模型冰推進裝置把模型冰移動到坐標原點前平板的位置，該位置定義為模型冰的初始位置，其中平板的厚度為10 mm，模型冰到達該位置后可以進行其他位置的調(diào)節(jié)。試驗過程中以模型冰靠近螺旋槳的面為參考面，以參考面上最上端線的中點為參考點進行模型冰的移動。

本次試驗利用哈爾濱工程大學拖曳水池及螺旋槳動力儀對螺旋槳在阻塞和鄰近狀態(tài)下的受力情況進行試驗研究，在綜合考慮水池長度、拖車速度、以及雷諾數(shù)等各項因素下螺旋槳轉(zhuǎn)速設為n=1 000 rpm，試驗水溫為15攝氏度，螺旋槳的槳葉雷諾數(shù)依據(jù)下式計算得到：

式中：VA為螺旋槳航行時的進速（m/s）；n 為螺旋槳的轉(zhuǎn)速（r/s）；D 為螺旋槳槳模的直徑（m）；b0.75R為螺旋槳槳葉在0.75R處的葉切面弦長（m）；ν為水的運動粘性系數(shù)（m2·s-1）；當螺旋槳航行進速VA=0 m/s時，計算得到的雷諾數(shù)滿足我國上海交通大學船舶流體力學研究室規(guī)定的雷諾數(shù)Re=3×105的要求，使螺旋槳處于充分湍流的流場狀態(tài)。

試驗過程中螺旋槳推力T和扭矩Q分別由螺旋槳動力儀測得，為了后續(xù)試驗結果的分析和比較，無量綱系數(shù)定義如下：

2.1 敞水試驗

圖4為螺旋槳推力、扭矩和效率隨進速系數(shù)J變化的螺旋槳敞水性能曲線，進速系數(shù)J的變化范圍為J=0～0.9?？梢钥闯觯菪龢耐屏ο禂?shù)和扭矩系數(shù)隨進速系數(shù)的增加逐漸減小，效率隨進速系數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后逐漸減小的趨勢，在進速系數(shù)J=0.7時效率達到最大值。

2.2 模型冰對螺旋槳水動力性能試驗

2.2.1 模型冰在軸向運動時螺旋槳性能分析

圖5為螺旋槳在模型冰h=25 mm和h=65 mm阻塞流和均勻流中螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)曲線，圖中可以看出阻塞導致螺旋槳在整個進速范圍內(nèi)螺旋槳推力和扭矩的增加。在圖5中，隨著進速系數(shù)的增加螺旋槳在阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩值與敞水實驗值相比差值越來越大，在高進速系數(shù)J=0.8時，螺旋槳推力和扭矩增加量最大，阻塞高度為h=25 mm和h=65 mm時螺旋槳推力系數(shù)增量分別為ΔKT=0.136 6和ΔKT=0.193 3，螺旋槳扭矩系數(shù)增量分別為Δ10KQ=0.147 5和Δ10KQ=0.181 8。圖5可以看出，模型冰越厚對螺旋槳的推力影響越大，且隨著進速系數(shù)的增加兩種阻塞狀態(tài)下的螺旋槳推力值之間的差值也越來越大。螺旋槳的扭矩呈現(xiàn)出在進速系數(shù)J=0～0.5范圍內(nèi)，阻塞高度越高螺旋槳的扭矩越小，在進速系數(shù)J=0.5～0.8范圍內(nèi)時，阻塞高度越高螺旋槳的扭矩值越大，且在該范圍內(nèi)螺旋槳扭矩值變化不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：由于螺旋槳-冰之間的距離較近，在低航速時模型冰越厚其尾部流場越均勻，螺旋槳扭矩也就越小。

圖4 螺旋槳敞水性能曲線Fig.4 Open water performance diagram of the propeller

圖5 阻塞流中螺旋槳的水動力性能曲線Fig.5 Propeller performance diagram in blocked flow

圖6 不同進速系數(shù)時螺旋槳推力系數(shù)曲線Fig.6 The thrust coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

圖7不同進速系數(shù)時螺旋槳扭矩系數(shù)曲線Fig.7 The torque coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

圖6 和圖7分別表示螺旋槳在進速系數(shù)J=0.2、J=0.4和J=0.7時螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳-冰之間距離的變化曲線，圖中可以看出，模型冰在X=10～500 mm范圍內(nèi)運動時，螺旋槳推力和扭矩隨螺旋槳-冰之間距離的減小而逐漸增加，增加的主要原因有兩個方面，一方面是螺旋槳-冰之間距離減小導致壁面效應的產(chǎn)生，壁面效應使螺旋槳槳葉后部的水流相對速度升高，導致流體的壓強相對減少，使得螺旋槳推力和扭矩的增加，它是模型冰和螺旋槳之間距離的非線性函數(shù)。另一方面是螺旋槳槳葉在冰阻塞引起的可分離緩慢流中旋轉(zhuǎn)，造成螺旋槳局部進速系數(shù)的減小，從而使螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)穩(wěn)定增加。圖中模型冰在X=1～10 mm范圍內(nèi)運動時，螺旋槳推力和扭矩系數(shù)顯著增加，但是螺旋槳推力和扭矩的增加量與螺旋槳敞水值相比不能穩(wěn)定增加，隨螺旋槳-冰距離的減小，螺旋槳的推力和扭矩值在個別點發(fā)生突變，使螺旋槳在該范圍內(nèi)運動時因阻塞造成的推力和扭矩的增加量不穩(wěn)定。圖中可以看出在螺旋槳-冰距離較近時螺旋槳-冰之間距離變化量很小時對螺旋槳水動力的性能產(chǎn)生很大的影響，螺旋槳-冰之間的距離每減小1 mm，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的最大增加量分別為ΔKT=0.01和ΔKQ=0.04。與螺旋槳敞水實驗值相比，螺旋槳在進速系數(shù)J=0.2時，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.036和ΔKQ=0.059，螺旋槳在進速系數(shù)J=0.4時，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.052和ΔKQ=0.079，螺旋槳在進速系數(shù)J=0.7時，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的增加量分別為ΔKT=0.121和ΔKQ=0.149。通過對比螺旋槳在不同進速系數(shù)下推力和扭矩系數(shù)曲線，模型冰在X=1～500 mm該范圍內(nèi)運動時，螺旋槳進速系數(shù)越小螺旋槳阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩值與敞水實驗值相比增量越小，進速系數(shù)越大螺旋槳推力和扭矩的增量越大。螺旋槳推力和扭矩的增加量除壁面效應和模型冰尾渦的影響外，螺旋槳-冰之間的限制流也導致了螺旋槳推力和扭矩的進一步增加，特別是螺旋槳推力和扭矩增加的數(shù)量級在實尺度預報時應該充分考慮。

2.2.2 模型冰在橫向運動時螺旋槳性能分析

圖8所示，模型冰在y軸上移動時螺旋槳推力在低進速系數(shù)時變化不明顯，在高進速系數(shù)時略有差異，模型冰在y軸負方向和螺旋槳正前方時螺旋槳產(chǎn)生的推力大于模型冰位于y軸正方向時螺旋槳產(chǎn)生的推力。對于螺旋槳扭矩系數(shù)而言，模型冰位于y軸正方向時螺旋槳產(chǎn)生的扭矩大于模型冰在y軸負方向和螺旋槳正前方時螺旋槳產(chǎn)生的扭矩，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是螺旋槳的旋向為右旋，當模型冰位于y軸正方向時螺旋槳的吸流區(qū)受到阻擋，使螺旋槳因阻塞造成的周向誘導速度減小，從而使螺旋槳產(chǎn)生的扭矩變大。

圖8 冰在y軸不同位置時螺旋槳水動力性能曲線Fig.8 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of y axis

圖9 冰在z軸不同位置時螺旋槳水動力性能曲線Fig.9 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of z axis

2.2.3 模型冰在垂向運動時螺旋槳性能分析

由圖9（a），模型冰沿z軸負方向運動螺旋槳受到的推力越大，但是在進速系數(shù)J=0～0.2范圍內(nèi)，模型冰在z=20 mm位置處時對螺旋槳產(chǎn)生的推力大于模型冰在z=-20 mm位置處時對螺旋槳產(chǎn)生的推力，且模型冰在z=-20 mm位置處螺旋槳進速系數(shù)大于0.3時，隨螺旋槳進速系數(shù)的增加螺旋槳受到的推力逐漸增加，圖9（b）中的扭矩也呈現(xiàn)出同樣的趨勢。圖9（b）中，在進速系數(shù)J=0～0.3范圍內(nèi)，模型冰在z=60 mm處時對螺旋槳扭矩的影響大于模型冰在z=20 mm處對螺旋槳扭矩的影響，其他進速范圍內(nèi)，模型冰沿z軸負方向運動螺旋槳受到的扭矩越大。在圖9中可以看出，模型冰在z軸不同位置時對螺旋槳推力和扭矩的影響隨進速系數(shù)的增加差值越來越大，與螺旋槳敞水實驗值相比差值也越來越大。

3 結 論

（1）模型冰對螺旋槳的阻塞導致了螺旋槳推力和扭矩的增加，在螺旋槳-冰距離很近時增加的主要原因歸結于螺旋槳-冰之間的距離、模型冰尾渦以及螺旋槳與冰之間限制流的影響，螺旋槳推力和扭矩增加的數(shù)量級在實尺度預報中應該充分考慮。

（2）不同厚度的模型冰在阻塞狀態(tài)下對螺旋槳推力和扭矩的影響表現(xiàn)為：模型冰越厚對螺旋槳產(chǎn)生的推力越大，對螺旋槳扭矩的影響則表現(xiàn)為在低進速系數(shù)時模型冰越薄對螺旋槳產(chǎn)生的扭矩越大，越厚對螺旋槳產(chǎn)生的扭矩越小，在高進速系數(shù)時則相反。因此，冰區(qū)船舶螺旋槳設計中應充分考慮薄冰對螺旋槳扭矩的影響。

（3）通過對比不同航速下螺旋槳-冰之間距離對螺旋槳推力和扭矩的影響可以得出，螺旋槳的進速系數(shù)越小螺旋槳阻塞狀態(tài)下的推力和扭矩與敞水實驗值相比增量越小，進速系數(shù)越大螺旋槳推力和扭矩值的增量越大，同時，對螺旋槳產(chǎn)生的空泡、振動以及槳葉的破壞也越大。因此，船舶在冰區(qū)航行時應保持低速航行。

（4）模型冰在橫向運動時對螺旋槳推力的影響幾乎不變，對螺旋槳扭矩的影響則表現(xiàn)為在y軸正方向時最大，冰區(qū)船舶螺旋槳設計過程中應充分考慮螺旋槳的旋向問題。隨著模型冰在z軸負方向的運動，螺旋槳推力和扭矩越大，且出現(xiàn)了逐漸上升的趨勢。

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