2017, Vol. 38
随着全球气候变暖，北极地区的冰盖范围逐渐缩小，该地区的军事、经济和航运价值日益也突显出来。特别是进入21世纪，各国在北极的主权争夺愈演愈烈。俄罗斯、美国、加拿大等环北极国家已开始强化在北极地区的军事部署，而冰区船舶在其中起到了关键性作用。由于北极气候环境和地理环境极其复杂，存在大量的浮冰和冰脊，给冰区船舶的研发带来了很大的困难。目前，冰区船舶都是采用螺旋桨作为其推进器的，螺旋桨的可靠性对其整体的航行性能都有重要的影响。船舶在冰区航行特别是破冰航行状态，经常导致碎冰块下浸并沿着船体表面滑动，接近螺旋桨时发生冰桨相互作用，将在螺旋桨上产生极端水动力载荷，从而可能会引起强度、噪声、振动及空泡等问题，开发冰桨作用试验测量装置对推动我国冰区航行船舶推进性能试验技术发展有很大的意义。
国外关于冰桨相互作用方面的研究起步很早，随着近年来试验设施和试验技术的不断发展，已开发出先进的冰桨作用试验测量装置，掌握了较为全面的冰桨相互作用的规律和机理。非接触工况下冰桨干扰水动力载荷特性对螺旋桨诱导的空泡、噪声以及激振力等有很大的影响，国外已经在这方面进行了较长时间的研究。在20世纪60~90年代，Jussila[1]、Jussila和Koskinen [2-3]、Keinonen [4]等进行的大量系列实船试验帮助了解冰桨作用过程中的载荷量级、载荷在桨叶上作用位置、载荷的分布情况等。但没有办法对载荷的来源给出详细区分，也无法给出冰的属性及运载环境等的具体信息。而在这个时期的水动力载荷模型试验大多在敞水水池中进行，包括Enkvist[5]和Johansson[6]在循环水槽中进行的模型试验。这一阶段的模型试验对环境及运载条件等都进行了大量简化，虽然其结论一般都是定性分析和影响规律总结，但这对冰-桨相互作用机理的深入研究仍具有很大的指导意义。20世纪90年代初期，加拿大政府和芬兰政府为更新相关冰区规范，联合开展了一个合作研究项目(JRPA#6)，对冰桨相互作用问题进行了大量的研究，较大的促进了冰桨相互作用问题的发展[6-7]。Luznik L等以加拿大海岸警卫队R级破冰船的定螺距桨为研究对象，在拖曳水池进行了一系列模型试验，分别得到了均匀流和冰阻塞流条件下螺旋桨的性能，并测量了一定速度范围内螺旋桨的推力和扭矩[8]。该时期实船试验方面的研究主要有Newbury[9-10]、Newbury[11]、Browne[12-13]等。其中Browne在1997和1998年对之前的试验进行了整理总结，给出了几个参数(桨转速、桨螺距、船速、冰强度和冰厚等)对轴转矩和轴推力的影响，解释了叶载荷与轴载荷的不同，给出了很多与承载相关的有意义的结论。
国内对冰桨相互作用问题的研究仍处于起步阶段，虽然拥有拖曳水池、循环水槽以及空泡水筒等试验设备，但是缺乏冰桨干扰试验方面的技术储备。随着国内对极地船舶的相关技术的迫切需求，冰区推进问题已经受到相关研究机构的广泛关注，为了给冰区船舶设计提供技术保障，需要尽快掌握冰桨相互作用的试验技术。以此为突破口，在哈尔滨工程大学循环水槽中搭建冰桨干扰试验测量平台，探索非接触工况下冰桨干扰水动力载荷试验方法，以期推动冰桨干扰试验方面的研究工作。通过对所得到的试验结果进行分析，掌握冰桨干扰特性。
1 试验设施和试验模型为了开展冰桨干扰过程的试验和理论研究，搭建了冰桨干扰试验台，用于模拟冰桨干扰过程，以下初步介绍了试验装置和测试系统。
1.1 循环水槽冰桨作用试验的主要目的是用以评估不同冰载工况下的推进器水动力性能，国外均是大多在拖曳水池、空泡水筒中开展。而这里冰桨干扰水动力载荷试验在循环水槽中进行，主要是考虑到循环水槽有以下优点：测试模型没有前进速度，而其周围流场是持续运动的，因而不受试验时间的限制，可进行长时间，多目标，自动化测量，可大大节省试验成本，而且循环水槽能够很好地控制环境条件和试验过程，能够较好的测量冰桨作用相关的试验数据，减小试验测量误差。与空泡水筒冰桨试验相比，循环水槽尺寸较大，受壁面效应影响较小，测量结果更加准确，试验成本低，但是循环水槽无法改变环境压力，空泡数难以满足要求，因此无法观测螺旋桨产生空泡。
本试验是依托哈尔滨工程大学循环水槽开展的，循环水槽全长17.3 m，最大宽度6.2 m，高度2.88 m，工作段长7 m，宽1.7 m，最大水深1.5 m，最高流速为2.3 m/s，水槽的收缩比为2，在稳定段设有蜂窝器及整流网。有消除气泡装置，可使高流速时保证流动图形显示的高质量。并有消波装置，保证流速小于1.5 m/s时驻波高度不超过7 mm。
1.2 螺旋桨及其整流装置模型参考文献[14]中冰区桨的几何参数和试验数据，结合螺旋桨优化设计方法，设计了一款水动力性能以及几何外形与R-class桨相当的冰区螺旋桨。为了讨论方便，将该设计桨命名为Icepropeller1。在设计桨水动力性能得到面元法和CFD法验证的基础上，对其进行实物模型加工，材料选用铝合金，模型桨的直径D为0.2 m，如图 1所示。由于该桨的毂径比较大，桨叶的水动力性能容易受到桨轴的干扰，容易引起试验误差，必须配以合适的整流装置，以减小水阻力。为此，专门为Icepropeller1设计了一套整流装置，并采用CFD方法对该套整流装置的整流效果进行验证，确保性能满足要求后加工整流装置，选用的是尼龙材料，如图 2所示。通过敞水试验证明：该整流装置能够很好地与本试验螺旋桨模型相匹配。
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图 1 Icepropeller1桨实物模型 Fig.1 Icepropeller1 propeller model |
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图 2 螺旋桨整流装置 Fig.2 Propeller rectifier unit |
为便于研究，将实际冰块简化成一块切削型冰模型。冰块受到螺旋桨的切削后将形成凹槽，该凹槽的形状不是简单的圆弧形，而应该是与螺旋桨的几何外形相匹配。通过编程识别桨叶表面，以形成桨叶表面形状相匹配的冰模型。为研究阻塞效应的冰桨干扰特性，需要加工出不同切削深度和切削高度的冰模型，图 3给出了切削深度和切削高度的定义方式。然而，切削型冰模型外形的准确程度，直接关系到试验结果误差大小。由于螺旋桨外形比较复杂且表面曲度较大，当前用常规的建模软件根本无法实现切削型冰模型的制作。而直接切削冰块容易引起模型桨的损坏，也不利于试验重复开展。
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图 3 冰模型切削高度和深度的定义方式 Fig.3 Axis definition for depth of cut and depth of recess |
为此，设计了一套方法专门用于切削型冰模型的生成和制作方法。该方法简单、实用，能够生成任意切削高度和深度的冰模型，具体的步骤如下：1) 建立螺旋桨表面识别方法，基于Fortran语言将该识别方法编译成程序。通过实践证明该程序能够方便地生成任意切削高度和深度的冰模型的表面网格和数据点，同时该程序也是后续基于粘流方法和势流理论开展冰桨干扰数值预报方法研究的基础和前提条件。2) 基于建模软件通过“点连线、线连面”的方式建立三维仿真冰模型；最后，将仿真冰模型导入到3D打印机进行冰模型的加工。图 4给出了切削型冰模型的制作流程。同时，考虑到本试验主要测量螺旋桨水动力载荷，冰模型并未与螺旋桨发生直接物理接触，因此冰模型只是物理边界，无需考虑其物理及力学性质，试验采用高密度聚氯乙烯作为冰的替代材料，加工制成不同切削深度和高度的冰模型，如图 5所示。
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图 4 切削型冰模型的制作流程 Fig.4 Manufacturing procedure of ice block |
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图 5 不同尺寸的冰模型 Fig.5 Ice block with different geometric dimensions |
由于冰块的形状和运动状态有很大随机性，冰桨相互作用呈现的是一个非常复杂的过程，为了更好地控制冰桨相互作用过程和更好地确定冰桨相互作用特性，一般采用准静态的方法开展研究。在试验过程中，需要对冰模型进行固定，保证冰模型与螺旋桨之间处于相对静止状态，设计了一套冰模型固定装置，如图 6和7所示。其中，图 6是螺纹杆与冰模型连接端，为保证不同流速工况下冰模型与螺旋桨始终处于相对静止状态，采用双螺纹杆连接冰模型，并可根据工况需求更换不同尺寸的模型冰，以便开展冰桨干扰变尺度影响分析研究；考虑到固定装置可能会受到冰模型重力的作用产生完全变形，将连接端设计成三角形桁架结构，以增加固定装置的抗弯曲变形能力。图 7是水槽桁架固定端，可通过调节该装置来改变冰模型与螺旋桨的轴向和径向位置，以满足各试验工况要求，实现不同空间位置的干扰作用对螺旋桨载荷的变化的测量。
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图 6 冰模型连接端 Fig.6 Connecting port of ice model |
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图 7 水槽桁架固定端 Fig.7 The fixed end of water channel Frame |
本试验测量装置由螺旋桨自航仪和DH5920N动态信号测试分析仪。其中，螺旋桨自航仪的额定推力250 N，额定扭矩10 N·m，最大转速2 000 r/min，能够测量螺旋桨轴上所受推力和扭矩，并将测量结果输出到信号测试分析仪中进行分析处理。在试验之前要对自航仪进行推力静态校验和扭矩静态校验。DH5920N动态信号测试分析仪可对应变(应力)及力、压力。扭矩、荷重、温度、位移、速度、加速度、转速等物理量进行自动、准确可靠的动态测试和分析。
2 试验步骤整个试验保证螺旋桨转速10 r/s不变，通过调整水流速度方式来开展不同进速系数下的冰桨干扰试验；通过调节固定装置、更换模型冰、改变其与螺旋桨的相对位置来进行变因素下的螺旋桨推力和扭矩测量。图 8给出了冰模型处于桨前不同轴向位置。此外，试验采用的相似准则与敞水试验相同。试验具体步骤如下：
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图 8 冰模型处于桨前不同轴向位置 Fig.8 The ice model in front of the propeller at the different axial position |
1) 按要求确定试验中的螺旋桨转速，取转速10 r/s。通过ITTC雷诺数公式计算得到本试验的雷诺数为6.21×105，大于临界雷诺数5.0×105，满足雷诺数的要求。
2) 整个过程中进速VA的变化情况是从0 m/s作为起点，直至推力T变为负值为止。在此区间内选择7、8个速度点进行试验。
3) 先给固定冰的装置装上模型冰并加以固定好，按照试验设计要求的参数调整好冰桨之间的相对位置。保持螺旋桨转速不变，使水流稳定在某一个速度，同步测量下列数据：螺旋桨转速n、前进速度VA、推力T、扭矩Q，并通过下式将测量结果转化成无因次量：
| $J=\frac{{{V}_{A}}}{nD},{{K}_{T}}=\frac{T}{\rho {{n}^{2}}{{D}^{4}}},{{K}_{Q}}=\frac{Q}{\rho {{n}^{2}}{{D}^{5}}}$ |
4) 保证其他参数不变，只需改变水流速，同之前相同，重复试验步骤测量下一组参数。
5) 换取不同形式的冰模或调整位置，重复以上试验步骤。
3 试验结果及分析 3.1 敞水工况水动力试验本试验首先测量了Icepropeller1桨的敞水性能，并将试验值与势流理论计算结果进行了比较，如图 9所示。试验测得的桨的推力系数KT以及扭矩系数KQ均与计算结果吻合较好。
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图 9 Icepropeller1桨的敞水性能 Fig.9 Uniform flow performance of Icepropeller1 propeller |
冰的存在导致冰桨干扰的水动力载荷比敞水情况要复杂得多。若试验平台搭建的不合理，开展重复相试验会出现不同次试验测得的螺旋桨的推力和扭矩会有很大的波动。因此，需对搭建的试验平台进行重复性验证，并将试验结果与其他学者的结果进行对比分析，以确保搭建的冰桨干扰平台的可信度和可控性。
在进速系数0.4不变的条件下，重复进行三次冰桨干扰试验，测量得到不同冰桨间距下螺旋桨的推力系数和扭矩系数的变化，如图 10所示。其中，d为冰桨间距，R为螺旋桨的半径。由图可知，三次试验测量得到的不同冰桨间距下螺旋桨的推力系数和扭矩系数均较为接近。然而，冰桨干扰过程干扰区域的流场极其不稳定，带有一定的随机性和脉动性，不可能每次试验结果完全一致，特别是随着冰桨间距减小，冰桨干扰流场的随机性和脉动性越剧烈，重复测量得到的结果差异性越明显。
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图 10 不同冰桨间距下的螺旋桨推力和扭矩系数对比 Fig.10 Comparison of thrust and torque coefficient in varying the proximity of the propeller to the ice blockage |
另外，由图 10可知，当冰桨间距大于0.1R时，阻塞效应比较明显，冰的存在对螺旋桨的水动力性能影响较小，螺旋桨的推力系数和扭矩系数小幅度增加；当冰桨间距小于0.1R时，临近效应比较明显，开始较为显著地影响螺旋桨的水动力性能，这可以解释为：当冰块阻断某个桨叶的旋转时，该桨叶部分区域出现低进速系数的情况，导致测得的螺旋桨平均推力系数和扭矩系数迅速增大。这一结果与文献[15]给出的结论是一致的。
图 11给出了上述三组试验的平均值与Doucet等人的试验测量值、P. Liu的面元法计算值的对比结果[15]。其中，Doucet等的试验测量结果与本试验结果较为接近，但是由于本试验的螺旋桨模型和Doucet等试验采用的Rclass并非是同一个模型，螺旋桨几何参数有一定的差异，只是敞水性能较为接近，两者试验预报结果有一定的偏差也是不可避免的。P. Liu的面元法计算结果与本试验以及Doucet等的试验测量结果均有一定的差异，可能是面元法基于理想流动力学思想的，忽略了粘性的影响，使得预报结果出现了偏差。由于粘性的存在，冰模型的后方会产生分离流，冰桨间距越小，分离流对后方螺旋桨水动力性能影响较大。但是，从整体分析来看，本试验测量结果与其他两位学者的预报结果曲线分布趋势是比较一致的。由此可见，所搭建的冰桨干扰试验台是可信的。
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图 11 不同方法的螺旋桨水动力性能对比 Fig.11 Comparison of hydrodynamic performance with different methods |
在冰桨干扰水动力试验中，冰桨间距是影响螺旋桨水动力性能的最关键的参数之一。图 12给出了0.0~0.7进速系数范围内不同冰桨间距和敞水条件下的螺旋桨的推力和扭矩系数分布曲线。由图 12可知，当冰桨间距大于R且进速系数小于0.3时，冰桨干扰下的推力系数和扭矩系数曲线与敞水的曲线基本重合，而当冰桨间距较小时，整个进速系数范围内冰桨干扰下的推力系数和扭矩系数均要比敞水时要大。这说明冰桨间距大于R且进流速度较小时，冰桨之间的相互作用可忽略不计；而冰桨间距较小时，无论水流速度多大，冰桨之间均有较大程度的干扰效应。
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图 12 不同冰桨间距下的螺旋桨水动力性能 Fig.12 Blockage performance in varying the proximity of the propeller to the ice blockage |
为了分析阻塞程度与进速系数的关系，在图 12的基础上计算出了整个进速范围内冰桨干扰下的螺旋桨的推力系数和扭矩系数相对于敞水的增幅。由图 13可知，冰模型的阻塞程度与进速系数是非线性正相关关系，即随着进速系数增大，冰桨干扰下的螺旋桨的水动力性能比敞水的增幅也在增大。可见，进流速度越大，冰模型的阻塞效应越大。从两幅图的对比可知，冰桨干扰下的推力系数增幅比扭矩系数的增幅要大很多，特别进速系数较大，冰桨干扰下的推力系数增幅可达100%以上。
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图 13 不同冰桨间距下的螺旋桨水动力性能增幅 Fig.13 Blockage performance amplitude in varying the proximity of the propeller to the ice blockage |
由于整个试验过程均是在大气压条件下进行的，空泡数过大不足以使螺旋桨产生空泡。但是，在试验过程中意外地发现冰桨间距较小时冰桨干扰区域有明显的空泡。图 14给出了在螺旋桨转速为10 r/s和冰桨间距为0.03R不变的条件下不同进速下的冰模型后方的空泡情况。由图可知，当进速为0 m/s时，冰模型后方不产生空泡，而随着进速的提高，冰模型后侧的表面开始出现空泡，形成空泡尾流，这主要是由于随着进速的提高，冰模型后方的水流越容易紊乱，局部地区水流速度过快，容易形成低压区。上述现象是在冰桨间距较小时才发生的，即冰桨间距越小时，干扰区域越容易形成低压区。
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图 14 冰模型诱导的空泡形式 Fig.14 Cavitation pattern induced by ice block |
从空泡的运动轨迹可明显推测出冰桨干扰区域的水流相当紊乱，而且这些空泡均有向内的径向诱导速度，大部分空泡都打到螺旋桨叶背上，将带来螺旋桨水动力下降及剥蚀问题。从而可以想象，破冰船处于破冰状态时，其螺旋桨处于重载工况，螺旋桨的性能不仅会受到自身诱导空泡的影响，更受到海冰诱导空泡的影响。
4 结论1) 通过试验的重复性及与其他学者结果的比较，证明所搭建的冰桨干扰试验可很好的控制冰桨干扰过程，能够准确地获得非接触工况下的冰桨干扰水动力载荷，验证了在循环水槽开展冰桨干扰试验的可靠性和可行性。
2) 通过对不同冰桨间距下螺旋桨的推力系数和扭矩系数的测量结果表明，当冰桨间距大于0.1R时，冰桨干扰呈现出的是临近效应，整个螺旋桨的推力系数和扭矩系数小幅度增加；当冰桨间距小于0.1R时，阻塞效应比较明显，整个螺旋桨的推力系数和扭矩系数迅速增大。
3) 当冰桨间距较小时，冰桨干扰区域有明显的空泡，而且随着进速的提高，冰模型诱导的空泡将越严重，并形成空泡尾流。
本文只对单块切削型冰模型开展冰桨干扰试验研究，揭示的冰桨干扰规律和机理也有限。在后续的研究中，将系统地开展冰桨干扰特性研究，更全面地揭示冰桨干扰特性，并将试验研究结果为冰区螺旋桨的设计和运营提供支撑。
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