非接觸工況下冰槳干擾水動力載荷試驗

王超，葉禮裕，常欣，李興

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

非接觸工況下冰槳干擾水動力載荷試驗

王超，葉禮裕，常欣，李興

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

由于冰塊臨近和阻塞效應(yīng)，將在螺旋槳上產(chǎn)生極端水動力載荷，進而導(dǎo)致螺旋槳誘導(dǎo)的空泡、噪聲以及激振力等性能的惡化。冰槳干擾作用是一個極其復(fù)雜的過程，受到諸多因素的影響，為了探究非接觸工況下的冰槳干擾水動力特性，在循環(huán)水槽中搭建冰槳干擾試驗臺，并設(shè)計一套專門用于切削型冰模型的生成和制作的方法。通過試驗重復(fù)性分析及與其他學(xué)者結(jié)果的比較，驗證建立的冰槳干擾試驗臺的可行性。以切削型冰模型為對象，研究了非接觸工況下的螺旋槳水動力載荷隨冰槳間距變化的規(guī)律，探討了不同流速對冰模型誘導(dǎo)的空泡的影響。試驗結(jié)果表明：所建立的冰槳干擾試驗方法是可行的，能夠較好地用于冰槳干擾水動力試驗的分析中。

冰槳干擾； 水動力載荷； 非接觸工況； 循環(huán)水槽； 阻塞效應(yīng)；冰區(qū)槳

隨著全球氣候變暖，北極地區(qū)的冰蓋范圍逐漸縮小，該地區(qū)的軍事、經(jīng)濟和航運價值日益也突顯出來。特別是進入21世紀(jì)，各國在北極的主權(quán)爭奪愈演愈烈。俄羅斯、美國、加拿大等環(huán)北極國家已開始強化在北極地區(qū)的軍事部署，而冰區(qū)船舶在其中起到了關(guān)鍵性作用。由于北極氣候環(huán)境和地理環(huán)境極其復(fù)雜，存在大量的浮冰和冰脊，給冰區(qū)船舶的研發(fā)帶來了很大的困難。目前，冰區(qū)船舶都是采用螺旋槳作為其推進器的，螺旋槳的可靠性對其整體的航行性能都有重要的影響。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)生冰槳相互作用，將在螺旋槳上產(chǎn)生極端水動力載荷，從而可能會引起強度、噪聲、振動及空泡等問題，開發(fā)冰槳作用試驗測量裝置對推動我國冰區(qū)航行船舶推進性能試驗技術(shù)發(fā)展有很大的意義。

國外關(guān)于冰槳相互作用方面的研究起步很早，隨著近年來試驗設(shè)施和試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，已開發(fā)出先進的冰槳作用試驗測量裝置，掌握了較為全面的冰槳相互作用的規(guī)律和機理。非接觸工況下冰槳干擾水動力載荷特性對螺旋槳誘導(dǎo)的空泡、噪聲以及激振力等有很大的影響，國外已經(jīng)在這方面進行了較長時間的研究。在20世紀(jì)60～90年代，Jussila[1]、Jussila和Koskinen[2-3]、 Keinonen[4]等進行的大量系列實船試驗幫助了解冰槳作用過程中的載荷量級、載荷在槳葉上作用位置、載荷的分布情況等。但沒有辦法對載荷的來源給出詳細區(qū)分，也無法給出冰的屬性及運載環(huán)境等的具體信息。而在這個時期的水動力載荷模型試驗大多在敞水水池中進行，包括 Enkvist[5]和Johansson[6]在循環(huán)水槽中進行的模型試驗。這一階段的模型試驗對環(huán)境及運載條件等都進行了大量簡化，雖然其結(jié)論一般都是定性分析和影響規(guī)律總結(jié)，但這對冰-槳相互作用機理的深入研究仍具有很大的指導(dǎo)意義。20世紀(jì)90年代初期，加拿大政府和芬蘭政府為更新相關(guān)冰區(qū)規(guī)范，聯(lián)合開展了一個合作研究項目(JRPA#6)，對冰槳相互作用問題進行了大量的研究，較大的促進了冰槳相互作用問題的發(fā)展[6-7]。Luznik L等以加拿大海岸警衛(wèi)隊R級破冰船的定螺距槳為研究對象，在拖曳水池進行了一系列模型試驗，分別得到了均勻流和冰阻塞流條件下螺旋槳的性能，并測量了一定速度范圍內(nèi)螺旋槳的推力和扭矩[8]。該時期實船試驗方面的研究主要有Newbury[9-10]、Newbury[11]、Browne[12-13]等。其中Browne 在1997和1998年對之前的試驗進行了整理總結(jié)，給出了幾個參數(shù)(槳轉(zhuǎn)速、槳螺距、船速、冰強度和冰厚等)對軸轉(zhuǎn)矩和軸推力的影響，解釋了葉載荷與軸載荷的不同，給出了很多與承載相關(guān)的有意義的結(jié)論。

國內(nèi)對冰槳相互作用問題的研究仍處于起步階段，雖然擁有拖曳水池、循環(huán)水槽以及空泡水筒等試驗設(shè)備，但是缺乏冰槳干擾試驗方面的技術(shù)儲備。隨著國內(nèi)對極地船舶的相關(guān)技術(shù)的迫切需求，冰區(qū)推進問題已經(jīng)受到相關(guān)研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注，為了給冰區(qū)船舶設(shè)計提供技術(shù)保障，需要盡快掌握冰槳相互作用的試驗技術(shù)。以此為突破口，在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽中搭建冰槳干擾試驗測量平臺，探索非接觸工況下冰槳干擾水動力載荷試驗方法，以期推動冰槳干擾試驗方面的研究工作。通過對所得到的試驗結(jié)果進行分析，掌握冰槳干擾特性。

1 試驗設(shè)施和試驗?zāi)Ｐ?/h2>

為了開展冰槳干擾過程的試驗和理論研究，搭建了冰槳干擾試驗臺，用于模擬冰槳干擾過程，以下初步介紹了試驗裝置和測試系統(tǒng)。

1.1 循環(huán)水槽

冰槳作用試驗的主要目的是用以評估不同冰載工況下的推進器水動力性能，國外均是大多在拖曳水池、空泡水筒中開展。而這里冰槳干擾水動力載荷試驗在循環(huán)水槽中進行，主要是考慮到循環(huán)水槽有以下優(yōu)點：測試模型沒有前進速度，而其周圍流場是持續(xù)運動的，因而不受試驗時間的限制，可進行長時間，多目標(biāo)，自動化測量，可大大節(jié)省試驗成本，而且循環(huán)水槽能夠很好地控制環(huán)境條件和試驗過程，能夠較好的測量冰槳作用相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，減小試驗測量誤差。與空泡水筒冰槳試驗相比，循環(huán)水槽尺寸較大，受壁面效應(yīng)影響較小，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗成本低，但是循環(huán)水槽無法改變環(huán)境壓力，空泡數(shù)難以滿足要求，因此無法觀測螺旋槳產(chǎn)生空泡。

本試驗是依托哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽開展的，循環(huán)水槽全長17.3 m，最大寬度6.2 m，高度 2.88 m，工作段長7 m，寬1.7 m，最大水深1.5 m，最高流速為2.3 m/s，水槽的收縮比為2，在穩(wěn)定段設(shè)有蜂窩器及整流網(wǎng)。有消除氣泡裝置，可使高流速時保證流動圖形顯示的高質(zhì)量。并有消波裝置，保證流速小于1.5 m/s時駐波高度不超過7 mm。

1.2 螺旋槳及其整流裝置模型

[14]中冰區(qū)槳的幾何參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合螺旋槳優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計了一款水動力性能以及幾何外形與R-class槳相當(dāng)?shù)谋鶇^(qū)螺旋槳。為了討論方便，將該設(shè)計槳命名為Icepropeller1。在設(shè)計槳水動力性能得到面元法和CFD法驗證的基礎(chǔ)上，對其進行實物模型加工，材料選用鋁合金，模型槳的直徑D為0.2 m，如圖1所示。由于該槳的轂徑比較大，槳葉的水動力性能容易受到槳軸的干擾，容易引起試驗誤差，必須配以合適的整流裝置，以減小水阻力。為此，專門為Icepropeller1設(shè)計了一套整流裝置，并采用CFD方法對該套整流裝置的整流效果進行驗證，確保性能滿足要求后加工整流裝置，選用的是尼龍材料，如圖2所示。通過敞水試驗證明：該整流裝置能夠很好地與本試驗螺旋槳模型相匹配。

圖1 Icepropeller1槳實物模型Fig.1 Icepropeller1 propeller model

1.3 冰模型及其固定裝置的設(shè)計

為便于研究，將實際冰塊簡化成一塊切削型冰模型。冰塊受到螺旋槳的切削后將形成凹槽，該凹槽的形狀不是簡單的圓弧形，而應(yīng)該是與螺旋槳的幾何外形相匹配。通過編程識別槳葉表面，以形成槳葉表面形狀相匹配的冰模型。為研究阻塞效應(yīng)的冰槳干擾特性，需要加工出不同切削深度和切削高度的冰模型，圖3給出了切削深度和切削高度的定義方式。然而，切削型冰模型外形的準(zhǔn)確程度，直接關(guān)系到試驗結(jié)果誤差大小。由于螺旋槳外形比較復(fù)雜且表面曲度較大，當(dāng)前用常規(guī)的建模軟件根本無法實現(xiàn)切削型冰模型的制作。而直接切削冰塊容易引起模型槳的損壞，也不利于試驗重復(fù)開展。

為此，設(shè)計了一套方法專門用于切削型冰模型的生成和制作方法。該方法簡單、實用，能夠生成任意切削高度和深度的冰模型，具體的步驟如下：1)建立螺旋槳表面識別方法，基于Fortran語言將該識別方法編譯成程序。通過實踐證明該程序能夠方便地生成任意切削高度和深度的冰模型的表面網(wǎng)格和數(shù)據(jù)點，同時該程序也是后續(xù)基于粘流方法和勢流理論開展冰槳干擾數(shù)值預(yù)報方法研究的基礎(chǔ)和前提條件。2)基于建模軟件通過“點連線、線連面”的方式建立三維仿真冰模型；最后，將仿真冰模型導(dǎo)入到3D打印機進行冰模型的加工。圖4給出了切削型冰模型的制作流程。同時，考慮到本試驗主要測量螺旋槳水動力載荷，冰模型并未與螺旋槳發(fā)生直接物理接觸，因此冰模型只是物理邊界，無需考慮其物理及力學(xué)性質(zhì)，試驗采用高密度聚氯乙烯作為冰的替代材料，加工制成不同切削深度和高度的冰模型，如圖5所示。

圖2 螺旋槳整流裝置Fig.2 Propeller rectifier unit

圖3 冰模型切削高度和深度的定義方式Fig.3 Axis definition for depth of cut and depth of recess

圖4 切削型冰模型的制作流程Fig.4 Manufacturing procedure of ice block

圖5 不同尺寸的冰模型Fig.5 Ice block with different geometric dimensions

由于冰塊的形狀和運動狀態(tài)有很大隨機性，冰槳相互作用呈現(xiàn)的是一個非常復(fù)雜的過程，為了更好地控制冰槳相互作用過程和更好地確定冰槳相互作用特性，一般采用準(zhǔn)靜態(tài)的方法開展研究。在試驗過程中，需要對冰模型進行固定，保證冰模型與螺旋槳之間處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，設(shè)計了一套冰模型固定裝置，如圖6和7所示。其中，圖6是螺紋桿與冰模型連接端，為保證不同流速工況下冰模型與螺旋槳始終處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，采用雙螺紋桿連接冰模型，并可根據(jù)工況需求更換不同尺寸的模型冰，以便開展冰槳干擾變尺度影響分析研究；考慮到固定裝置可能會受到冰模型重力的作用產(chǎn)生完全變形，將連接端設(shè)計成三角形桁架結(jié)構(gòu)，以增加固定裝置的抗彎曲變形能力。圖7是水槽桁架固定端，可通過調(diào)節(jié)該裝置來改變冰模型與螺旋槳的軸向和徑向位置，以滿足各試驗工況要求，實現(xiàn)不同空間位置的干擾作用對螺旋槳載荷的變化的測量。

1.4 試驗測量系統(tǒng)

本試驗測量裝置由螺旋槳自航儀和DH5920N動態(tài)信號測試分析儀。其中，螺旋槳自航儀的額定推力250 N，額定扭矩10 N·m，最大轉(zhuǎn)速2 000 r/min，能夠測量螺旋槳軸上所受推力和扭矩，并將測量結(jié)果輸出到信號測試分析儀中進行分析處理。在試驗之前要對自航儀進行推力靜態(tài)校驗和扭矩靜態(tài)校驗。DH5920N動態(tài)信號測試分析儀可對應(yīng)變(應(yīng)力)及力、壓力。扭矩、荷重、溫度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等物理量進行自動、準(zhǔn)確可靠的動態(tài)測試和分析。

圖6 冰模型連接端Fig.6 Connecting port of ice model

圖7 水槽桁架固定端Fig.7 The fixed end of water channel Frame

2 試驗步驟

整個試驗保證螺旋槳轉(zhuǎn)速10 r/s不變，通過調(diào)整水流速度方式來開展不同進速系數(shù)下的冰槳干擾試驗；通過調(diào)節(jié)固定裝置、更換模型冰、改變其與螺旋槳的相對位置來進行變因素下的螺旋槳推力和扭矩測量。圖8給出了冰模型處于槳前不同軸向位置。此外，試驗采用的相似準(zhǔn)則與敞水試驗相同。試驗具體步驟如下：

1)按要求確定試驗中的螺旋槳轉(zhuǎn)速，取轉(zhuǎn)速10 r/s。通過ITTC雷諾數(shù)公式計算得到本試驗的雷諾數(shù)為6.21×105，大于臨界雷諾數(shù)5.0×105，滿足雷諾數(shù)的要求。

2)整個過程中進速VA的變化情況是從0m/s作為起點，直至推力T變?yōu)樨撝禐橹?。在此區(qū)間內(nèi)選擇7、8個速度點進行試驗。

3)先給固定冰的裝置裝上模型冰并加以固定好，按照試驗設(shè)計要求的參數(shù)調(diào)整好冰槳之間的相對位置。保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，使水流穩(wěn)定在某一個速度，同步測量下列數(shù)據(jù)：螺旋槳轉(zhuǎn)速n、前進速度VA、推力T、扭矩Q，并通過下式將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化成無因次量：

4)保證其他參數(shù)不變，只需改變水流速，同之前相同，重復(fù)試驗步驟測量下一組參數(shù)。

5)換取不同形式的冰模或調(diào)整位置，重復(fù)以上試驗步驟。

圖8 冰模型處于槳前不同軸向位置Fig.8 The ice model in front of the propeller at the different axial position

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 敞水工況水動力試驗

本試驗首先測量了Icepropeller1槳的敞水性能，并將試驗值與勢流理論計算結(jié)果進行了比較，如圖9所示。試驗測得的槳的推力系數(shù)KT以及扭矩系數(shù)KQ均與計算結(jié)果吻合較好。

圖9 Icepropeller1槳的敞水性能Fig.9 Uniform flow performance of Icepropeller1 propeller

3.2 試驗結(jié)果的重復(fù)性及與其他學(xué)者結(jié)果的比較

冰的存在導(dǎo)致冰槳干擾的水動力載荷比敞水情況要復(fù)雜得多。若試驗平臺搭建的不合理，開展重復(fù)相試驗會出現(xiàn)不同次試驗測得的螺旋槳的推力和扭矩會有很大的波動。因此，需對搭建的試驗平臺進行重復(fù)性驗證，并將試驗結(jié)果與其他學(xué)者的結(jié)果進行對比分析，以確保搭建的冰槳干擾平臺的可信度和可控性。

在進速系數(shù)0.4不變的條件下，重復(fù)進行三次冰槳干擾試驗，測量得到不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的變化，如圖10所示。其中，d為冰槳間距，R為螺旋槳的半徑。由圖可知，三次試驗測量得到的不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均較為接近。然而，冰槳干擾過程干擾區(qū)域的流場極其不穩(wěn)定，帶有一定的隨機性和脈動性，不可能每次試驗結(jié)果完全一致，特別是隨著冰槳間距減小，冰槳干擾流場的隨機性和脈動性越劇烈，重復(fù)測量得到的結(jié)果差異性越明顯。

圖10 不同冰槳間距下的螺旋槳推力和扭矩系數(shù)對比Fig.10 Comparison of thrust and torque coefficient in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

另外，由圖10可知，當(dāng)冰槳間距大于0.1R時，阻塞效應(yīng)比較明顯，冰的存在對螺旋槳的水動力性能影響較小，螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)小幅度增加；當(dāng)冰槳間距小于0.1R時，臨近效應(yīng)比較明顯，開始較為顯著地影響螺旋槳的水動力性能，這可以解釋為：當(dāng)冰塊阻斷某個槳葉的旋轉(zhuǎn)時，該槳葉部分區(qū)域出現(xiàn)低進速系數(shù)的情況，導(dǎo)致測得的螺旋槳平均推力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速增大。這一結(jié)果與文獻[15]給出的結(jié)論是一致的。

圖11給出了上述三組試驗的平均值與Doucet等人的試驗測量值、P. Liu的面元法計算值的對比結(jié)果[15]。其中，Doucet等的試驗測量結(jié)果與本試驗結(jié)果較為接近，但是由于本試驗的螺旋槳模型和Doucet等試驗采用的Rclass并非是同一個模型，螺旋槳幾何參數(shù)有一定的差異，只是敞水性能較為接近，兩者試驗預(yù)報結(jié)果有一定的偏差也是不可避免的。P. Liu的面元法計算結(jié)果與本試驗以及Doucet等的試驗測量結(jié)果均有一定的差異，可能是面元法基于理想流動力學(xué)思想的，忽略了粘性的影響，使得預(yù)報結(jié)果出現(xiàn)了偏差。由于粘性的存在，冰模型的后方會產(chǎn)生分離流，冰槳間距越小，分離流對后方螺旋槳水動力性能影響較大。但是，從整體分析來看，本試驗測量結(jié)果與其他兩位學(xué)者的預(yù)報結(jié)果曲線分布趨勢是比較一致的。由此可見，所搭建的冰槳干擾試驗臺是可信的。

圖11 不同方法的螺旋槳水動力性能對比Fig.11 Comparison of hydrodynamic performance with different methods

3.3 不同冰槳間距的干擾特性分析

在冰槳干擾水動力試驗中，冰槳間距是影響螺旋槳水動力性能的最關(guān)鍵的參數(shù)之一。圖12給出了0.0～0.7進速系數(shù)范圍內(nèi)不同冰槳間距和敞水條件下的螺旋槳的推力和扭矩系數(shù)分布曲線。由圖12可知，當(dāng)冰槳間距大于R且進速系數(shù)小于0.3時，冰槳干擾下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)曲線與敞水的曲線基本重合，而當(dāng)冰槳間距較小時，整個進速系數(shù)范圍內(nèi)冰槳干擾下的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均要比敞水時要大。這說明冰槳間距大于R且進流速度較小時，冰槳之間的相互作用可忽略不計；而冰槳間距較小時，無論水流速度多大，冰槳之間均有較大程度的干擾效應(yīng)。

為了分析阻塞程度與進速系數(shù)的關(guān)系，在圖12的基礎(chǔ)上計算出了整個進速范圍內(nèi)冰槳干擾下的螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)相對于敞水的增幅。由圖13可知，冰模型的阻塞程度與進速系數(shù)是非線性正相關(guān)關(guān)系，即隨著進速系數(shù)增大，冰槳干擾下的螺旋槳的水動力性能比敞水的增幅也在增大?？梢姡M流速度越大，冰模型的阻塞效應(yīng)越大。從兩幅圖的對比可知，冰槳干擾下的推力系數(shù)增幅比扭矩系數(shù)的增幅要大很多，特別進速系數(shù)較大，冰槳干擾下的推力系數(shù)增幅可達100%以上。

圖12 不同冰槳間距下的螺旋槳水動力性能Fig.12 Blockage performance in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

圖13 不同冰槳間距下的螺旋槳水動力性能增幅Fig.13 Blockage performance amplitude in varying the proximity of the propeller to the ice blockage

3.4 不同流速對冰模型誘導(dǎo)空泡的影響

由于整個試驗過程均是在大氣壓條件下進行的，空泡數(shù)過大不足以使螺旋槳產(chǎn)生空泡。但是，在試驗過程中意外地發(fā)現(xiàn)冰槳間距較小時冰槳干擾區(qū)域有明顯的空泡。圖14給出了在螺旋槳轉(zhuǎn)速為10 r/s和冰槳間距為0.03R不變的條件下不同進速下的冰模型后方的空泡情況。由圖可知，當(dāng)進速為0 m/s時，冰模型后方不產(chǎn)生空泡，而隨著進速的提高，冰模型后側(cè)的表面開始出現(xiàn)空泡，形成空泡尾流，這主要是由于隨著進速的提高，冰模型后方的水流越容易紊亂，局部地區(qū)水流速度過快，容易形成低壓區(qū)。上述現(xiàn)象是在冰槳間距較小時才發(fā)生的，即冰槳間距越小時，干擾區(qū)域越容易形成低壓區(qū)。

圖14 冰模型誘導(dǎo)的空泡形式Fig.14 Cavitation pattern induced by ice block

從空泡的運動軌跡可明顯推測出冰槳干擾區(qū)域的水流相當(dāng)紊亂，而且這些空泡均有向內(nèi)的徑向誘導(dǎo)速度，大部分空泡都打到螺旋槳葉背上，將帶來螺旋槳水動力下降及剝蝕問題。從而可以想象，破冰船處于破冰狀態(tài)時，其螺旋槳處于重載工況，螺旋槳的性能不僅會受到自身誘導(dǎo)空泡的影響，更受到海冰誘導(dǎo)空泡的影響。

4 結(jié)論

1)通過試驗的重復(fù)性及與其他學(xué)者結(jié)果的比較，證明所搭建的冰槳干擾試驗可很好的控制冰槳干擾過程，能夠準(zhǔn)確地獲得非接觸工況下的冰槳干擾水動力載荷，驗證了在循環(huán)水槽開展冰槳干擾試驗的可靠性和可行性。

2)通過對不同冰槳間距下螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的測量結(jié)果表明，當(dāng)冰槳間距大于0.1R時，冰槳干擾呈現(xiàn)出的是臨近效應(yīng)，整個螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)小幅度增加；當(dāng)冰槳間距小于0.1R時，阻塞效應(yīng)比較明顯，整個螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速增大。

3)當(dāng)冰槳間距較小時，冰槳干擾區(qū)域有明顯的空泡，而且隨著進速的提高，冰模型誘導(dǎo)的空泡將越嚴(yán)重，并形成空泡尾流。

本文只對單塊切削型冰模型開展冰槳干擾試驗研究，揭示的冰槳干擾規(guī)律和機理也有限。在后續(xù)的研究中，將系統(tǒng)地開展冰槳干擾特性研究，更全面地揭示冰槳干擾特性，并將試驗研究結(jié)果為冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計和運營提供支撐。

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本文引用格式：

王超，葉禮裕，常欣，等. 非接觸工況下冰槳干擾水動力載荷試驗[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017， 38(8): 1190-1196.

WANG Chao, YE Liyu, CHANG Xin, et al. Test of hydrodynamic loads under non-contact propeller-ice interaction[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(8): 1190-1196.

Test of hydrodynamic loads under non-contact propeller-ice interaction

WANG Chao, YE Liyu, CHANG Xin, LI Xing

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

As a result of ice approaching and blocking effect, marine screw propellers may be exposed to extreme hydrodynamic loads, leading to the deterioration of performances induced by a propeller, such as cavitation, noise, and vibration. The propeller-ice interaction is a complicated process that is affected by many factors. To study the characteristics of hydrodynamic non-contact loads during propeller-ice interaction, a testing apparatus of propeller-ice interaction was set up in a circulating water channel, and a building and manufacturing method for ice blocks was developed. The feasibility of the testing apparatus was validated through experimental repeatability analysis and a comparison with the results of other scholars. The characteristics of hydrodynamic non-contact loads at varying proximities of the propeller to an ice block and ice-induced cavitation versus water flow velocity were studied. Experimental results show that the method is feasible and can be used in the analysis of the hydrodynamic performance of propeller-ice interaction.

propeller ice interaction; hydrodynamic load; non contact condition; circulating water channel; blockage effect； ice class propeller

2016-06-01.

日期：2017-04-26.

國家自然科學(xué)基金項目(51679052, 51379040)；國防基礎(chǔ)科研計劃項目(JCKY2016604B001).

王超(1981-), 男, 副教授.

王超, E-mail: wangchao0104@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201605082

U661.31

A

1006-7043(2017)08-1190-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1802.088.html