冰級(jí)槳水動(dòng)力性能研究綜述

, ,

(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(dòng)，接近螺旋槳時(shí)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(huì)引起噪聲、振動(dòng)、空泡，以及螺旋槳槳葉極端彎曲或破壞。無(wú)論是常規(guī)槳、導(dǎo)管槳還是吊艙推進(jìn)器，這些情況都有可能發(fā)生。

世界范圍內(nèi)對(duì)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(jì)80年代中期之前，研究冰堵塞效應(yīng)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響的論文很少，研究冰銑削作用下空化現(xiàn)象對(duì)水動(dòng)力性能影響的論文就更少了，更沒(méi)有應(yīng)用勢(shì)流理論面元法研究冰級(jí)槳的水動(dòng)力性能。直到20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始，研究人員才在這三方面做了大量的工作。自從第15屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)開(kāi)始設(shè)立冰委會(huì)至今已經(jīng)30年，重點(diǎn)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(qiáng)度、破裂韌性、重量與浮力，以及模態(tài)等)推薦試驗(yàn)規(guī)程已經(jīng)形成和冰水池船舶阻力試驗(yàn)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(yàn)研究也做了大量工作，并正以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)冰水池吊艙推進(jìn)器試驗(yàn)規(guī)程，以及在空泡水筒中試驗(yàn)研究空化現(xiàn)象對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響，第24/25屆ITTC冰委會(huì)專家委員會(huì)會(huì)議上已進(jìn)行了相關(guān)探討。在這兩屆ITTC冰委會(huì)中，來(lái)自加拿大國(guó)家研究委員會(huì)海洋技術(shù)研究所(NRC/IOT)的專家們和英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)愛(ài)默生空泡水筒實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。而對(duì)于應(yīng)用數(shù)值方法預(yù)報(bào)冰級(jí)螺旋槳水動(dòng)力性能，20世紀(jì)90年代后期，加拿大研究人員在這個(gè)方向有所突破。

1 研究進(jìn)展

1.1 冰水池模型試驗(yàn)研究進(jìn)展

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些試驗(yàn)?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(jìn)系統(tǒng)上冰載荷的預(yù)報(bào)。吊艙推進(jìn)器作為一種非常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，無(wú)論是無(wú)冰水域還是有冰水域，它的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)器槳葉上的冰載荷，是很有必要的。

作為一個(gè)聯(lián)合研究項(xiàng)目，冰水池試驗(yàn)研究吊艙推進(jìn)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(huì)和國(guó)家研究委員會(huì)的資助。研究人員做了大量的冰水池模型試驗(yàn)并分析采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2004年，韓國(guó)研究基金會(huì)和先進(jìn)船舶工程研究中心資助并參與了該項(xiàng)目以提升試驗(yàn)程序。最終，通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值預(yù)報(bào)，幫助理解槳-冰相互作用機(jī)理。

槳-冰相互作用試驗(yàn)包括實(shí)槳試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，其中實(shí)槳試驗(yàn)測(cè)量值是最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但是實(shí)槳試驗(yàn)代價(jià)極高，且實(shí)槳試驗(yàn)測(cè)量值具有高度的不確定性，這與冰的力學(xué)性能、試驗(yàn)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(yàn)，做了大量的冰水池試驗(yàn)，包括應(yīng)用真實(shí)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(kāi)始從事一個(gè)合作研究項(xiàng)目(JRPA JHJ6)。作為JRPA JHJ6的一部分，對(duì)槳-冰相互作用分別進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。Veitch將螺旋槳槳葉簡(jiǎn)化為楔形形狀，進(jìn)行試驗(yàn)以測(cè)量槳葉的接觸應(yīng)力。Soininen[1]全面簡(jiǎn)化了螺旋槳槳葉形狀，并且用海冰做了一系列試驗(yàn)，這些工作是加拿大和芬蘭聯(lián)合項(xiàng)目(JRPA JHJ6)的一部分。所有這些試驗(yàn)都是基于假定的運(yùn)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(jìn)行模型試驗(yàn)，測(cè)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(jìn)行了大傾斜螺旋槳模型試驗(yàn)，測(cè)得了槳模的推力和轉(zhuǎn)矩，討論了進(jìn)速系數(shù)的變化對(duì)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(duì)槳葉形狀的破壞現(xiàn)象。針對(duì)吊艙推進(jìn)器槳-冰相互作用，Wang等[4]在IOT冰水池做了一系列試驗(yàn)，并且引入數(shù)值方法分析槳-冰相互作用，改進(jìn)了以前的數(shù)值模型[5]，得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好。無(wú)論是試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果還是數(shù)值預(yù)報(bào)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(yùn)轉(zhuǎn)條件(進(jìn)速系數(shù)，攻角和槳的銑削深度)。

1.2 空泡水筒模型試驗(yàn)研究進(jìn)展

當(dāng)冰區(qū)船在冰區(qū)航行時(shí)，螺旋槳和周?chē)乃楸鶋K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(jiǎn)化為三個(gè)階段：堵塞、碰撞和銑削。銑削是最后一個(gè)階段，在這個(gè)階段，螺旋槳在槳盤(pán)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(jìn)一步研究，特別是試驗(yàn)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(huì)改變螺旋槳的水動(dòng)力性能，當(dāng)冰塊接近螺旋槳槳葉時(shí)，引起高速的水流通過(guò)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(guò)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?cái)D出，在槳葉上產(chǎn)生附加的升力。無(wú)論螺旋槳是在冰堵塞條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，還是在銑削條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的空化效應(yīng)，尤其嚴(yán)重的是云狀空泡[6]。Doucet等[7]以加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)(CCG)R-Class號(hào)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(guó)家研究委員會(huì)海洋水動(dòng)力研究所(NRC/IMD)的空泡水筒進(jìn)行試驗(yàn)，包括一系列的侵蝕試驗(yàn)。觀察到了螺旋槳的渦流和嚴(yán)重的云狀空泡。Minchev等[8]也用同樣的螺旋槳槳模在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)愛(ài)默生空泡水筒(ECT)進(jìn)行了銑削條件下的空泡試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出：在低空泡數(shù)下進(jìn)行銑削試驗(yàn)，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(yán)重的云狀空泡。這一系列的試驗(yàn)證明了空化效應(yīng)，這還需要系統(tǒng)地研究，并且在冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)中要認(rèn)真考慮空化效應(yīng)。對(duì)于在冰區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)的任何類(lèi)型的螺旋槳，與空化效應(yīng)相關(guān)的問(wèn)題都存在潛在的威脅。

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

1.3 勢(shì)流理論法研究進(jìn)展

在20世紀(jì)90年代中后期，加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)(MUN)和海洋技術(shù)研究所(IOT)進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究以研究槳-冰相互作用機(jī)理。在進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，Bose[10]二次開(kāi)發(fā)了源自美國(guó)國(guó)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(bào)冰堵塞效應(yīng)對(duì)螺旋槳推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響。與此同時(shí)，Liu[11]專門(mén)開(kāi)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(bào)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(gè)內(nèi)部程序稱為PROPELLA，以R-Class號(hào)破冰船所用的螺旋槳為目標(biāo)槳，是第一款專門(mén)用于預(yù)報(bào)冰塊堵塞對(duì)水動(dòng)力性能影響的程序，包括軸推力、轉(zhuǎn)矩和軸向力的波動(dòng)。Doucet等[12]用PROPELLA預(yù)報(bào)并分析了幾種大傾斜冰級(jí)螺旋槳軸向力的波動(dòng)。由于流動(dòng)高度的不穩(wěn)定性以及螺旋槳在重載條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，為了獲得收斂可靠的預(yù)報(bào)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(kù)塔條件是必不可少的,因此，Liu[13]開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了預(yù)先迭代庫(kù)塔條件。

Liu[14]用改進(jìn)的PROPELLA研究R-Class號(hào)破冰船所用螺旋槳與壁面形冰塊的距離變化對(duì)水動(dòng)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(duì)其進(jìn)行修改用以研究吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，螺旋槳仍然選用R-Class號(hào)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(yàn)方法簡(jiǎn)介

2.1 冰水池模型試驗(yàn)

冰水池槳模試驗(yàn)?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(jìn)行槳模試驗(yàn)的研究領(lǐng)域中，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)海洋技術(shù)研究所(NRC/IOT)技術(shù)相對(duì)成熟，且受?chē)?guó)際拖曳水池委員會(huì)(ITTC)冰委員會(huì)的委托研究冰水池試驗(yàn)不確定性分析，在第22/23屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)冰委員會(huì)專家委員會(huì)上進(jìn)行了冰水池試驗(yàn)不確定性分析報(bào)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(yàn)為基礎(chǔ)介紹槳-冰相互作用試驗(yàn)方法。

加拿大海洋技術(shù)研究所的冰水池可用尺寸為：長(zhǎng)×寬×深=76 m×12 m×3 m，此外，還有15 m長(zhǎng)的準(zhǔn)備長(zhǎng)度用來(lái)在試驗(yàn)前準(zhǔn)備試驗(yàn)設(shè)備，見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣溫度范圍為-30℃～15℃，拖車(chē)的速度范圍為0.000 2 m/s～4 m/s。試驗(yàn)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(shí)柱狀海冰彎曲強(qiáng)度。

圖1 冰水池原理示意

吊艙推進(jìn)器動(dòng)力儀的原理圖見(jiàn)圖2，所用的螺旋槳模型是以加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)(CCG)R-Class號(hào)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(kāi)面比為0.669，槳轂直徑為0.11 m。螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)是基于Stone Marine Meridian系列，但是槳葉厚度加大以便在冰區(qū)運(yùn)行，螺旋槳是由3.3 kW電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。吊艙推進(jìn)器動(dòng)力儀上安裝了3個(gè)測(cè)力儀以測(cè)量葉片載荷和軸承載荷，測(cè)力儀可以測(cè)量6個(gè)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(cè)力儀的測(cè)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(shí)要測(cè)量很多數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以數(shù)據(jù)采集頻率為5 000 Hz。

試驗(yàn)期間，每2 h采樣一次冰的厚度、彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(qiáng)度分別為120和195 kPa，切割深度的定義見(jiàn)圖3[16]。

圖2 吊艙推進(jìn)器動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的載荷由可分離水動(dòng)力載荷、不可分離水動(dòng)力載荷和冰接觸載荷組成?？煞蛛x水動(dòng)力載荷來(lái)自敞水條件下的水動(dòng)力載荷。然而，由于冰塊在接近螺旋槳時(shí)，槳葉的水動(dòng)力升力不能夠充分的發(fā)展，所以試驗(yàn)中可分離水動(dòng)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(cè)量值。由于冰塊的存在，不可分離水動(dòng)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(dòng)力載荷和冰接觸載荷稱為冰相關(guān)載荷，當(dāng)槳葉和冰接觸碰撞時(shí)必會(huì)產(chǎn)生這兩種載荷。這種分類(lèi)不僅有助于準(zhǔn)確地評(píng)估作用在槳葉上的冰載荷，而且可以開(kāi)發(fā)出冰接觸模型[17]。

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

在槳-冰相互作用時(shí)，影響螺旋槳水動(dòng)力性能的主要參數(shù)是切割深度、冰的抗壓強(qiáng)度和進(jìn)速系數(shù)。一般情況下，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳推力系數(shù)增加，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)增加到一定值時(shí)，推力系數(shù)達(dá)到峰值；隨著進(jìn)速系數(shù)進(jìn)一步增大，推力系數(shù)減小。在低進(jìn)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(huì)導(dǎo)致負(fù)攻角。隨著切割深度的增加，螺旋槳性能參數(shù)的變化越來(lái)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(duì)于非接觸冰-槳相互作用，堵塞效應(yīng)下的水動(dòng)力載荷要比敞水條件下的水動(dòng)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(kāi)的冰塊有一個(gè)加速向螺旋槳槳葉運(yùn)動(dòng)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(gè)因素；在不同的時(shí)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(yàn)結(jié)果的不確定性，這些都需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2.2 空泡水筒模型試驗(yàn)

雖然冰水池模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫仡A(yù)報(bào)接觸載荷，但是由于無(wú)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(dòng)力載荷。有一部分研究人員在空泡水筒中進(jìn)行少量的試驗(yàn)以研究冰銑削作用。由于試驗(yàn)很復(fù)雜，在空泡水筒中進(jìn)行槳-冰相互作用試驗(yàn)就顯得既新穎又少見(jiàn)。在這個(gè)領(lǐng)域，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的愛(ài)默生空泡水筒(ECT)實(shí)驗(yàn)室率先用模型冰開(kāi)展了一系列的冰銑削試驗(yàn)，而在空泡水筒中做冰銑削試驗(yàn)就能夠使冰級(jí)槳在需要的空泡數(shù)下進(jìn)行?？张菟苍囼?yàn)發(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(dòng)力性能的一個(gè)顯著的因素，這在冰水池試驗(yàn)中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。在空泡水筒中進(jìn)行冰銑削試驗(yàn)時(shí)空泡現(xiàn)象見(jiàn)圖4。

圖4 空泡水筒中冰銑削試驗(yàn)

以下主要以愛(ài)默生空泡水筒實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)介紹空泡水筒模型試驗(yàn)方法。

愛(ài)默生空泡水筒是封閉循環(huán)的減壓水筒，測(cè)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(dòng)系統(tǒng)；葉輪直徑為1.4 m，空泡數(shù)范圍為0.5～23，見(jiàn)圖5。2008年空泡水筒得到升級(jí)改造，安裝了導(dǎo)流葉片、整流格柵和自動(dòng)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(cè)速(LDV)系統(tǒng)。

圖5 愛(ài)默生空泡水筒(ECT)總布置

試驗(yàn)中采用的吊艙推進(jìn)器模型的原型是一艘雙動(dòng)船的牽引式吊艙推進(jìn)器，安裝有一個(gè)冰級(jí)槳。螺旋槳和吊艙推進(jìn)器模型見(jiàn)圖6。

圖6 吊艙推進(jìn)器模型

為了能在空泡水筒中模擬冰塊接近運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳和銑削作用，設(shè)計(jì)并建造了一臺(tái)送料機(jī)構(gòu)，同時(shí)能夠承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳產(chǎn)生的吸力，送料機(jī)構(gòu)的原理圖見(jiàn)圖7[18]。

圖7 送料機(jī)構(gòu)原理示意

早期在愛(ài)默生空泡水筒中進(jìn)行冰銑削試驗(yàn)時(shí)，曾經(jīng)嘗試了許多不同的模型冰材料，包括真實(shí)海冰和人工冷凍冰。但是考慮到空泡水筒試驗(yàn)條件的限制以及其它的因素，特別是溫度，后來(lái)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?fàn)柎髮W(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了聚苯乙烯泡沫塑料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度為170 kPa，與人工冷凍EG/AD/S模型冰的抗壓強(qiáng)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(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量該泡沫塑料模型冰的強(qiáng)度特性，并繪制了抗壓強(qiáng)度曲線，見(jiàn)圖9[19]。

圖9 抗壓強(qiáng)度曲線

對(duì)于空泡水筒中冰銑削試驗(yàn)，由于每次試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)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(yàn)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(yàn)期間，要經(jīng)常測(cè)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(shí)，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?！笔金佀头?。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(dòng)，中間沒(méi)有任何中斷，直到達(dá)到最大切割長(zhǎng)度，即非凍結(jié)模型冰的前端接觸到了吊艙推進(jìn)器支柱的前緣。連續(xù)式饋送的目的是不間斷地測(cè)量螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩?！白咦咄Ｍ！笔金佀偷闹饕康氖怯^察和測(cè)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(jī)會(huì)[20]。

槳-冰相互作用高度依賴于螺旋槳運(yùn)行條件和空泡數(shù)，對(duì)于影響冰級(jí)槳的水動(dòng)力性能的參數(shù)，空泡數(shù)和進(jìn)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(huì)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(jìn)行銑削作用時(shí)，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(yùn)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(cè)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(duì)螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的影響還需要進(jìn)行在不同空泡數(shù)條件下進(jìn)一步的對(duì)比試驗(yàn)。如果要進(jìn)一步弄清楚空泡數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響，還需要在空泡水筒中進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)，并且與冰水池的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介

數(shù)值模擬方法較之于試驗(yàn)方法更方便、更快捷，而且節(jié)約費(fèi)用。國(guó)外對(duì)冰級(jí)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬已經(jīng)進(jìn)行了一些的研究，但僅限于勢(shì)流理論的面元法和升力面法的耦合，在粘流理論方面并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。這是因?yàn)榈跖撏七M(jìn)器在冰區(qū)運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)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(wèn)題，是粘流理論無(wú)法解決的問(wèn)題。所以目前數(shù)值模擬方法僅限于勢(shì)流理論法。

目前較多應(yīng)用的是基于勢(shì)流理論面元法的PROPELLA，這是一款專門(mén)研究吊艙推進(jìn)器的內(nèi)部數(shù)值仿真程序，由加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)的海洋工程研究中心、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)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(kāi)發(fā)。

PROPELLA是一款源和偶極混合分布的非定常時(shí)域低階面元法程序，能夠預(yù)報(bào)帶有不同配置的螺旋槳的水動(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)，可以用來(lái)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(kāi)發(fā)了一款增強(qiáng)的非定常低階面元法模型用以數(shù)值分析R-Class號(hào)破冰船的吊艙推進(jìn)器螺旋槳的水動(dòng)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(kāi)的，并且在吊艙推進(jìn)器前保持靜止。圖中的斜線表示預(yù)先鋸開(kāi)的冰塊，保持靜止，吊艙推進(jìn)器螺旋槳旋轉(zhuǎn)并向前運(yùn)動(dòng)。在螺旋槳接近冰塊三角區(qū)域之前，螺旋槳葉稍到冰塊測(cè)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(cè)邊緣的堵塞效應(yīng)可以忽略不計(jì)。在初始時(shí)刻，螺旋槳的盤(pán)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(dāng)螺旋槳盤(pán)面前進(jìn)350 mm到y(tǒng)軸時(shí)，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(gè)吊艙推進(jìn)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(gè)數(shù)值模型中，吊艙艙體、支架、螺旋槳和冰是不同的對(duì)象。對(duì)于具有面向?qū)ο笏枷氲臄z動(dòng)勢(shì)流面元法，每個(gè)對(duì)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(gè)對(duì)象體都會(huì)受到所有分布在其它對(duì)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(jiàn)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(gè)新的數(shù)值模型計(jì)算得到結(jié)果與早先的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是這個(gè)新的數(shù)值模型仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)，從而能夠算出更加合理的結(jié)果。另外，這個(gè)數(shù)值模型不僅可以用來(lái)預(yù)報(bào)螺旋槳與冰的相互作用，還可以用來(lái)預(yù)報(bào)螺旋槳與其它物體的作用。

4 未來(lái)研究展望

4.1 實(shí)驗(yàn)方面

1)無(wú)論是冰水池模型試驗(yàn)還是空泡水筒模型試驗(yàn)，研究的重點(diǎn)都是冰級(jí)槳在通過(guò)冰層時(shí)槳葉與冰的銑削作用對(duì)水動(dòng)力性能的影響。而實(shí)際情況是，冰塊沿著船體滑動(dòng)通過(guò)槳盤(pán)面時(shí)，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(guò)槳盤(pán)面，在這個(gè)過(guò)程中，冰塊對(duì)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(diǎn)評(píng)估來(lái)自不同方向的冰塊對(duì)槳葉的沖擊載荷，以及對(duì)冰級(jí)槳水動(dòng)力性能的影響。

2)當(dāng)發(fā)生槳-冰相互作用時(shí)，冰級(jí)槳槳葉發(fā)生一定的變形，甚至很?chē)?yán)重的變形，模型試驗(yàn)和實(shí)槳實(shí)際運(yùn)行都驗(yàn)證了這種情況。這勢(shì)必影響冰級(jí)槳周?chē)牧鲌?chǎng)，對(duì)冰級(jí)槳的水動(dòng)力性能產(chǎn)生影響。因此，后續(xù)需要研究槳-冰相互作用對(duì)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(duì)水動(dòng)力性能的影響。

3)國(guó)外學(xué)者雖然采用模型試驗(yàn)和數(shù)值算法預(yù)報(bào)冰級(jí)槳水動(dòng)力性能，但未涉及冰級(jí)槳尺度效應(yīng)。冰級(jí)槳的運(yùn)行條件比普通槳要復(fù)雜的多，不僅涉及到水動(dòng)力問(wèn)題，還涉及到槳-冰相互作用的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，所以冰級(jí)槳模型試驗(yàn)需要遵循的相似準(zhǔn)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(jí)槳模型和實(shí)槳之間的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似以及動(dòng)力相似，建立冰級(jí)槳性能的預(yù)報(bào)方法。

4)由于真實(shí)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(jī)性、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不確定性等，模型試驗(yàn)測(cè)量值和實(shí)槳測(cè)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(méi)有高到足以采集到真正的峰值。所以，有必要開(kāi)發(fā)概率統(tǒng)計(jì)方法，分析作用在槳葉上的冰載荷和水動(dòng)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(bào)槳-冰非接觸作用下的水動(dòng)力性能，但是面元法是建立在勢(shì)流理論的基礎(chǔ)上的，計(jì)算過(guò)程忽略了粘性的影響，因此在工程應(yīng)用中需要對(duì)設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行粘性修正。由于勢(shì)流理論忽略粘性力，導(dǎo)致在研究尺度效應(yīng)對(duì)冰級(jí)槳的影響、空泡與粘性流的非線性相互作用等問(wèn)題時(shí)無(wú)法給出定量的計(jì)算結(jié)果。對(duì)此，有待于進(jìn)一步研究以利于工程的應(yīng)用。

2)對(duì)于普通螺旋槳，基于粘性流理論的計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在預(yù)報(bào)水動(dòng)力性能方面能夠得出很好的結(jié)果。但是，對(duì)于冰級(jí)槳，由于會(huì)發(fā)生槳-冰接觸載荷，這涉及到結(jié)構(gòu)碰撞的問(wèn)題，這是粘流理論無(wú)法解決的問(wèn)題。有必要開(kāi)發(fā)出一款計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合的軟件預(yù)報(bào)槳-冰接觸載荷。勞氏船級(jí)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(wèn)題。后續(xù)還需要進(jìn)一步研究以完善粘流理論預(yù)報(bào)冰級(jí)槳水動(dòng)力性能。

5 結(jié)論

冰級(jí)槳水動(dòng)力性能的研究離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法，因此無(wú)論實(shí)驗(yàn)方法還是數(shù)值模擬方法都需要不斷完善；實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法也需要相互借鑒，以期提高預(yù)報(bào)結(jié)果的精度，指導(dǎo)工程實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法應(yīng)該在冰級(jí)槳水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，冰級(jí)槳水動(dòng)力性能需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法來(lái)驗(yàn)證和預(yù)報(bào)，更需要經(jīng)歷實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)。

在冰級(jí)槳水動(dòng)力性能的研究中，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)方面還是數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)還處于起步階段，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有學(xué)者公開(kāi)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(kāi)采也日益明確，為確保我國(guó)船舶領(lǐng)域在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位以及確保我國(guó)在北極事務(wù)中的發(fā)言權(quán)，國(guó)內(nèi)學(xué)者有必要在冰級(jí)槳水動(dòng)力性能研究領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)的研究工作。

[1] SOININEN H.A Propeller-ice contact model[D].Espoo:Helsinki University of Technology,1998.

[2] SEARLE S,VEITCH B,BOSE N.Ice class propeller performance in extreme Conditions[C]∥Society of Naval Architects and Marine Engineers.1999:127-152.

[3] MOORES C,VEITCH B,BOSE N,et al.Multi-component blade load measurements on a propeller in ice[C]∥Society of Naval Architects and Marine Engineers.2002:169-188.

[4] WANG J,AKINTURK A,BOSE N.Numerical prediction of model podded propeller-Ice interaction loads[C]∥25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Hamburg,2006.

[5] WANG J,AKINTURK A,BOSE N.Numerical prediction of propeller performance during propeller ice Interaction[J].Marine Technology,2008.

[6] WALKER D,BOSE N.Hydrodynamic loads and dynamic effects of cavitation on ice class propellers in simulated ice blocked flow[C]∥Proceedings of the Propeller/Shafting’94 Symposium.SNAME,1994.

[7] DOUCE J M,BOSE N,WALKER D,et al.Cavitation erosion on a model ice class propeller in blocked flow[C]∥PROPCAV’95,Newcastle,1995.

[8] MINTCHEV D,BOSE N,VEITCH B,et al.Propeller ice milling tests in the emerson cavitation tunnel[C]∥NCT50.Newcastle,2000.

[9] ATLAR M,PRASETYAWAN I,ARYAWAN W D,et al.Ice milling tests with a model podded propulsor[R].Newcastle:Emerson Cavitation Tunnel-University of Newcastle,2002.

[10] BOSE N.Ice blocked propeller performance predictions using a panel method[C]∥Transactions of the Royal Institutions of Naval Architects.1996.

[11] LIU P.A time-domain panel method for oscillating propulsors with both chordwise and spanwise flexibility[D].Newfoundland:Memorial University of Newfoundland,1996.

[12] DOUCET J M,LIU P,BOSE N,et al.Numerical prediction of ice-induced loads on ice-class screw propellers using a synthesized contact/hydrodynamic code[R].Newfoundland:Memorial University of Newfoundland,1998.

[13] LIU P,BOSE N,COLBOURNE B.Use of broyden’s iteration for an unsteady numerical kutta condition[J].International Shipbuilding Progress,2002,49:263-273.

[14] LIU P,COLBOURNE B,CHIN S.A time-domain surface panel method for a flow interaction between a marine propeller and an ice blockage with variable proximity[J].Journal of Naval Architecture and Marine Engineering,2005,12(1):15-20.

[15] WANG J,AKINTURK A,JONES S J,et al.Ice loads on a model podded propeller blade in milling conditions[C]∥24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,Halkidiki Greece,2005.

[16] WANG J,AKINTURK A,FOSTER W,et al.An experimental model for ice performance of podded propellers[C]∥27th American Towing Tank Conference,2004.

[17] WANG J.Prediction of propeller performance on a model podded propulsor in ice (propeller-ice interaction)[D].Newfoundland:Memorial University of Newfoundland,2007.

[18] SAMPSON R.The effect of cavitation during propeller ice interaction[D].Newcastle:University of Newcastle,2009.

[19] ATLAR M,PRASETYAWAN I,ARYAWAN W,et al.Cavitation in ice milling tests with a mdel podded propulsor[C]∥4th ASME JSME Joint Fluids Engineering Conference.Hawaii,2003.

[20] SAMPSON R,ATLAR M,SASAKI N.Propeller ice interaction-effect of proximity[C]∥First Interna tional symposium on marine propellers (SMP’09).Trondheim,2009.

[21] LIU P,DOUCET J M,VEITCH B,et al.Numerical prediction of ice induced hydrodynamic loads on propellers due to blockage[J].Oceanic Engineering International(OEI),2000,4(1):31-38.

[22] LIU P,AKINTURK A,HE M,et al.Hydrodynamic performance evaluation of an ice class podded propeller under ice interaction[C]∥the OMAE 2008,Estoril Portugal,2008.