冰阻塞誘導(dǎo)的連體渦空泡及其發(fā)生機(jī)理分析

薛慶雨，武珅，顧湘男，翟樹(shù)成

1 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082

2 船舶振動(dòng)與噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082

3 江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082

0 引 言

當(dāng)梢隙比較小的螺旋槳在高負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有可能會(huì)在螺旋槳與船體之間發(fā)生非定常的線狀渦空化現(xiàn)象，即同時(shí)發(fā)生附著在船體和螺旋槳槳葉上的線狀渦的空化現(xiàn)象。連體渦空泡具有較強(qiáng)的能量，可能會(huì)造成船體局部振動(dòng)加劇，也可能會(huì)給船舶或螺旋槳本身的材料造成剝蝕損傷，所以在工程應(yīng)用中應(yīng)堅(jiān)決杜絕發(fā)生連體渦空泡的現(xiàn)象。連體渦空泡最早由Huse 在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到，隨后發(fā)表了相關(guān)研究論文[1]，介紹了試驗(yàn)結(jié)果，并針對(duì)連體渦空泡形成原因提出了幾點(diǎn)假設(shè)。基于起始渦假設(shè)，Huse 認(rèn)為，對(duì)于船舶螺旋槳，環(huán)量的脈動(dòng)部分會(huì)通過(guò)隨邊徑向渦的泄出形成閉合的渦環(huán)，而船體位于螺旋槳上方，因此槳葉環(huán)量的脈動(dòng)部分會(huì)在船體上終結(jié)。為此，作者又從能量的角度對(duì)這一假設(shè)做了更為深入的補(bǔ)充解釋。基于伴流場(chǎng)剪切流動(dòng)的假設(shè)，Huse 認(rèn)為，螺旋槳上半盤(pán)面的高伴流峰在最大速度梯度區(qū)域誘導(dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的剪切流動(dòng)，代表了能夠在流場(chǎng)中產(chǎn)生連體渦空泡所需的集中渦的渦量；但這一假設(shè)無(wú)法解釋當(dāng)流場(chǎng)中不存在剪切流形成機(jī)制時(shí)仍能觀察到連體渦空泡的情況。基于流場(chǎng)其他區(qū)域生成渦的假設(shè)，Huse 認(rèn)為，當(dāng)流場(chǎng)其他區(qū)域產(chǎn)生的渦進(jìn)入螺旋槳和船體之間的低壓環(huán)境后，會(huì)產(chǎn)生空泡，從而形成連體渦空泡；而渦可能是由特定的流動(dòng)產(chǎn)生，也可能是由空泡水筒的其他部位產(chǎn)生，這一假設(shè)存在很大的偶然性和不確定性。最后，Huse 對(duì)基于“皮魯埃特效應(yīng)”的假設(shè)（從自然界中龍卷風(fēng)的形成過(guò)程得到的啟發(fā)）予以了討論。然而，截至目前，人們尚未對(duì)發(fā)生連體渦空泡的機(jī)理達(dá)成一致的看法。Huse 也嘗試在實(shí)驗(yàn)室中采取抑制或消除連體渦空泡的措施，得出了在螺旋槳上方船體安裝豎直翼可以有效減弱連體渦空泡的結(jié)論，但因?yàn)閷?duì)連體渦空泡的機(jī)理還未完全理解，所以也就無(wú)法了解豎直翼存在的尺度效應(yīng)到底影響如何。

Nishiyama[2]針對(duì)連體渦空泡開(kāi)展了一系列平板試驗(yàn)研究，描述了當(dāng)連體渦空泡發(fā)生時(shí)，槳前、后流場(chǎng)的變化，他指出，在實(shí)驗(yàn)室條件下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵參數(shù)來(lái)控制連體渦空泡的演化過(guò)程；連體渦空泡與平板和螺旋槳之間的水動(dòng)力作用有關(guān)，若槳周?chē)嬖跍u自生流場(chǎng)，將更易出現(xiàn)連體渦以及連體渦空泡。Nishiyama 在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)合理調(diào)節(jié)螺旋槳載荷系數(shù)、梢隙比以及環(huán)境壓力，觀測(cè)了連體渦空泡從起始到生長(zhǎng)再到消失的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)連體渦渦核的壓力在螺旋槳一側(cè)比船體一側(cè)下降得早。因此，在螺旋槳一側(cè)連體渦空泡會(huì)率先產(chǎn)生并向船體一側(cè)發(fā)展，而消失則是從船體一側(cè)開(kāi)始。但文章未針對(duì)連體渦空泡發(fā)生的機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行深入探究。

Lu 等[3]采用渦流發(fā)生器成功控制了連體渦空泡，但未對(duì)連體渦空泡的發(fā)生原因做深入分析。黃紅波等[4]對(duì)渦流發(fā)生器在民船減振上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，從工程應(yīng)用的層面介紹了渦流發(fā)生器在降低船舶振動(dòng)水平方面的作用，確立了渦流發(fā)生器是一種消除振動(dòng)的有效措施。但造成船舶振動(dòng)的原因很多，文中并沒(méi)有具體針對(duì)連體渦空泡做相應(yīng)的研究。Xue 等[5-6]在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的一個(gè)集裝箱船螺旋槳模型試驗(yàn)中對(duì)連體渦空化現(xiàn)象進(jìn)行了觀測(cè)，但該螺旋槳方案因可能存在的工程隱患被放棄；隨后，又研發(fā)了消除連體渦的措施。在所開(kāi)發(fā)的4 個(gè)消渦方案中，有3 個(gè)通過(guò)試驗(yàn)證明可以消除連體渦空泡，最終，選擇最優(yōu)者應(yīng)用到了實(shí)船上。這是針對(duì)連體渦問(wèn)題的一次很成功的工程實(shí)踐，但關(guān)于連體渦空泡發(fā)生的影響因素以及連體渦空泡消除的機(jī)理仍不清楚，有必要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究工作。

Martio 等[7]采用非定常RANS 求解器，針對(duì)連體渦空泡開(kāi)展了數(shù)值研究。其通過(guò)保持梢隙比不變，針對(duì)7 個(gè)不同進(jìn)速系數(shù)情況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，RANS 方法是一種針對(duì)連體渦空泡機(jī)理開(kāi)展數(shù)值模擬研究的有效方法，后期可考慮引入空化模型進(jìn)行實(shí)尺度研究，并論證了采用數(shù)值方法研究連體渦空泡的可行性。

目前，對(duì)連體渦空泡的研究無(wú)論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，都是十分有限。本文將在前期工程層面工作[5-6]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步予以驗(yàn)證。機(jī)理試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的空泡水筒中開(kāi)展。首先，針對(duì)冰阻塞環(huán)境下的誘導(dǎo)連體渦空泡特性進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬手段監(jiān)測(cè)螺旋槳周?chē)牧鲌?chǎng)速度分布和壓力分布情況；然后，結(jié)合項(xiàng)目前期的部分研究成果[8]，對(duì)冰阻塞作用下的螺旋槳連體渦空泡發(fā)生機(jī)理進(jìn)行探索性的分析，以加深對(duì)連體渦空泡發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 機(jī)理試驗(yàn)

為詳細(xì)研究冰阻塞環(huán)境在誘導(dǎo)連體渦空泡中所起的作用，研究不同參數(shù)對(duì)連體渦空泡特性的影響，分析連體渦空泡的產(chǎn)生機(jī)理，本文在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的空泡水筒中設(shè)計(jì)了冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳性能試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)布局

本文設(shè)計(jì)的機(jī)理試驗(yàn)由在上、下和前、后方向上可以自由滑動(dòng)的金屬塊模擬冰塊（以下稱(chēng)“冰模型”），來(lái)進(jìn)行冰阻塞模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)布局如圖1 所示。螺旋槳模型直徑D=250 mm，冰模型橫截面寬250 mm，高125 mm，軸向長(zhǎng)度430 mm，可實(shí)現(xiàn)0～200 mm 的軸向運(yùn)動(dòng)，并裝配了相應(yīng)的軸向驅(qū)動(dòng)和位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。垂向位置固定后，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使冰模型做靠近或遠(yuǎn)離螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，以控制槳上連體渦空泡的產(chǎn)生。圖中：H 為冰模型下端面至螺旋槳軸中心的距離；L 為冰模型前端面至螺旋槳盤(pán)面的距離。

圖1 機(jī)理試驗(yàn)布局Fig. 1 Configuration of mechanism related experiment

1.2 試驗(yàn)方案

冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳模型空泡性能試驗(yàn)中，進(jìn)速系數(shù)為0.4，螺旋槳轉(zhuǎn)速35 r/s、轉(zhuǎn)速空泡數(shù)1.5。冰模型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在螺旋槳進(jìn)流前方，分別選取H=0.625D，0.5D，0.375D，0.25D，0.125D，0。在每個(gè)垂向位置，選取L=0.63D～0.07D，ΔL=0.04D。通過(guò)調(diào)節(jié)水流流速和螺旋槳轉(zhuǎn)速，使螺旋槳葉片載荷達(dá)到設(shè)定值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)垂向位移機(jī)構(gòu)，將冰模型先后定位在試驗(yàn)方案中給定的幾個(gè)垂向位置。在每個(gè)垂向位置，通過(guò)調(diào)節(jié)軸向位移機(jī)構(gòu)，使冰模型在L=0.63D～0.07D 的范圍內(nèi)，以ΔL=0.04D 的步長(zhǎng)沿軸向運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)頻閃錄像記錄螺旋槳上的空泡形態(tài)。圖2 所示為H=0.25D 時(shí)，槳和冰模型之間產(chǎn)生的連體渦空泡現(xiàn)象。從中可以看到，當(dāng)L/D=0.43 時(shí)，出現(xiàn)了連體渦空泡，從冰模型的前端面延伸到了螺旋槳葉片上；隨著螺旋槳與冰模型之間距離的減小，連體渦空泡有增強(qiáng)的趨勢(shì)，甚至出現(xiàn)了多條渦線并存的情況，如圖2(c)所示。

圖2 H=0.25D 時(shí)螺旋槳上的空泡形態(tài)Fig. 2 Cavitation on the propeller at H=0.25D

圖3 H=0.5D 時(shí)螺旋槳上的空泡形態(tài)Fig. 3 Cavitation on the propeller at H=0.5D

在相同的來(lái)流速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，當(dāng)H=0.5D 時(shí)，如圖3 所示，冰模型以同樣的方式向螺旋槳移動(dòng)，卻始終未發(fā)生連體渦空泡現(xiàn)象。這說(shuō)明對(duì)于H=0.5D 的情況，冰模型與螺旋槳之間沒(méi)有形成足夠強(qiáng)的水動(dòng)力相互作用，未達(dá)到連體渦空泡產(chǎn)生的條件。

2 數(shù)值模擬

本節(jié)針對(duì)冰阻塞環(huán)境下螺旋槳模型試驗(yàn)中觀察到的連體渦空泡，結(jié)合粘性CFD 方法，選取典型試驗(yàn)工況，對(duì)螺旋槳模型周?chē)膲毫?chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以輔助開(kāi)展對(duì)連體渦空泡發(fā)生機(jī)理的分析。

2.1 數(shù)值算法

空泡流動(dòng)控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，湍流模型采用SST k-ω 模型[9-10]。首先，采用多重坐標(biāo)參考系（MRF）方法進(jìn)行定常計(jì)算，得到準(zhǔn)穩(wěn)定流場(chǎng)，然后，采用非定常滑移網(wǎng)格方法模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，對(duì)壓力速度的求解采用SIMPLE 分離算法。

2.2 模擬方案

根據(jù)螺旋槳和冰模型的幾何參數(shù)，建立螺旋槳水動(dòng)力計(jì)算模型，選取螺旋槳受冰阻塞作用的典型工況：H=0.25D，L/D=0.63，0.35，0.11，模擬螺旋槳在不同冰、槳間距下速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化。

為了準(zhǔn)確模擬螺旋槳周?chē)姆嵌ǔＡ鲃?dòng)，將整個(gè)計(jì)算域劃分為了螺旋槳附近的旋轉(zhuǎn)域和流動(dòng)域。采用非定常滑移網(wǎng)格方法，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域的接觸面設(shè)置為交界面，每對(duì)交界面之間存在相對(duì)滑移，形狀可以任意變化，但兩者的形狀完全契合，交界面上的物理信息通過(guò)插值進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。如圖4 所示，將計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，計(jì)算域出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，計(jì)算域側(cè)面邊界設(shè)置為固定壁面以模擬空泡水筒壁面。

圖4 計(jì)算域示意圖Fig. 4 Schematic diagram of computational domain

采用切割單元體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約500 萬(wàn)，對(duì)螺旋槳與冰模型附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖5 所示。非定常水動(dòng)力數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為7.94×10-5s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)角度為1.000 44°，總迭代步數(shù)為5.96 萬(wàn)。

圖5 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig. 5 Mesh division of computational domain

2.3 速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布

基于前文所述數(shù)值方法，分別對(duì)冰阻塞環(huán)境下螺旋槳周?chē)乃俣葓?chǎng)及壓力場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6 和圖7 所示。由圖可見(jiàn)，隨著冰模型逐漸向槳盤(pán)面移動(dòng)，其前端面附近流體的軸向速度出現(xiàn)了明顯下降，且速度場(chǎng)分布越來(lái)越不均勻，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非定常特性；同樣，在這一過(guò)程中，螺旋槳與冰模型這兩者間的局部壓力也在不斷下降，而且靠近螺旋槳一側(cè)的壓力下降得更快，特別是在螺旋槳葉梢附近出現(xiàn)了明顯的低壓極值點(diǎn)。

3 機(jī)理分析

3.1 皮魯埃特效應(yīng)

圖6 冰阻塞環(huán)境下的軸向速度場(chǎng)分布Fig. 6 Axial velocity field distribution under ice block conditions

圖7 冰阻塞環(huán)境下的壓力場(chǎng)分布Fig. 7 Pressure field distribution under ice block conditions

在自然界，“皮魯埃特效應(yīng)”廣泛存在，例如“龍卷風(fēng)”現(xiàn)象等。當(dāng)氣流向下伸展時(shí)，渦旋會(huì)不斷拉伸變細(xì)，在同樣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作用下，變細(xì)的渦管的中心轉(zhuǎn)速會(huì)加快，即渦旋的強(qiáng)度變大，壓力下降，使得渦旋有足夠的強(qiáng)度發(fā)展至地面，從而形成龍卷風(fēng)。“皮魯埃特效應(yīng)”即是一個(gè)體積較大的渦旋在伸展變細(xì)的過(guò)程中，渦旋核心的旋轉(zhuǎn)不斷加快，從而導(dǎo)致渦強(qiáng)不斷增加的過(guò)程。若在水中生成了這樣的渦旋，那么不斷伸展變細(xì)的一端的中心旋轉(zhuǎn)會(huì)加快，強(qiáng)度增強(qiáng)，壓力下降，在滿足空化的環(huán)境條件下，較細(xì)一端的渦旋就會(huì)從其中心首先發(fā)生空化，并向另一端蔓延，進(jìn)而呈現(xiàn)出特別的渦空泡現(xiàn)象。

3.2 連體渦空泡形成機(jī)理分析

前文已經(jīng)給出了冰阻塞環(huán)境下連體渦空泡的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，這里將結(jié)合螺旋槳周?chē)俣葓?chǎng)和壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)連體渦空泡的形成機(jī)制進(jìn)行分析。當(dāng)冰模型越來(lái)越靠近螺旋槳時(shí)，對(duì)于H=0.25D 的情況，阻塞效應(yīng)將越來(lái)越強(qiáng)，并導(dǎo)致流速降低，如如圖6 所示。因此，螺旋槳將不能從前方得到足夠的來(lái)流，槳盤(pán)面實(shí)際進(jìn)速大幅減小，葉面的載荷不斷增加，與冰模型之間的水動(dòng)力相互作用持續(xù)增大。再加上螺旋槳自身的抽吸作用，冰模型兩側(cè)壁面附近的流動(dòng)會(huì)增強(qiáng)；同時(shí)，冰模型下壁面形成加速流動(dòng)，并在端部向上翻卷。在此過(guò)程中，螺旋槳上方的流體有可能誘導(dǎo)出現(xiàn)回流，只是其強(qiáng)度無(wú)法確定。這幾股運(yùn)動(dòng)的流體在冰模型前端面附近發(fā)生強(qiáng)烈的耦合作用，很可能會(huì)在該區(qū)域形成一個(gè)或數(shù)個(gè)流動(dòng)遲滯點(diǎn)，即形成流動(dòng)速度為0 的流體層，如圖8 所示。流動(dòng)遲滯點(diǎn)處的流體層在螺旋槳旋轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)作用下，會(huì)形成渦旋，然后在“皮魯埃特效應(yīng)”的持續(xù)作用下，流場(chǎng)壓力，特別是在靠近葉梢處，會(huì)越來(lái)越低（圖7），這一渦旋將向螺旋槳延伸，并終結(jié)到槳葉上。當(dāng)渦管中心的壓力降低到飽和蒸汽壓以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空化，如圖2 所示，從而形成連體渦空泡。由于靠近螺旋槳一側(cè)的渦管更細(xì)，旋轉(zhuǎn)速度更快，所以渦管中心的壓力也將更早地降至空化臨界點(diǎn)，形成渦空泡，這與試驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象是吻合的。在上述連體渦空泡演化過(guò)程中，因存在反向流動(dòng)，回流能否影響到金屬塊的前端面，對(duì)流動(dòng)遲滯點(diǎn)的形成起多大作用尚無(wú)法得知，所以在圖8 中采用虛線來(lái)表示。

圖8 連體渦空泡形成機(jī)制的流動(dòng)分析Fig. 8 Hydrodynamic analysis about the mechanism of propellerhull vortex cavitation

對(duì)于H=0.5D 的情況，如圖3 所示，當(dāng)冰模型以同樣的情況向螺旋槳移動(dòng)時(shí)，始終未產(chǎn)生連體渦空泡，這恰好為以上分析連體渦空泡的形成機(jī)理提供了反面證據(jù)，即在這種情況下，槳盤(pán)面能夠得到足夠多的來(lái)流，也即冰模型的阻塞效應(yīng)未達(dá)到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致上文所述的誘導(dǎo)連體渦空泡因素不復(fù)存在，因此連體渦空泡未出現(xiàn)。從連體渦空泡產(chǎn)生機(jī)理的流動(dòng)分析來(lái)看，首先，需存在如上所述的渦形成機(jī)制，在螺旋槳和冰模型之間的強(qiáng)水動(dòng)力相互作用下形成流動(dòng)遲滯點(diǎn)，并在螺旋槳旋轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)作用下形成渦系結(jié)構(gòu)；其次，能夠形成“皮魯埃特效應(yīng)”機(jī)制，即該渦旋能在某種力的作用下不斷拉伸、生長(zhǎng)，并最終附著在固壁上；最后，這一切都?xì)w結(jié)為螺旋槳的高負(fù)荷以及足夠小的來(lái)流空間導(dǎo)致的阻塞效應(yīng)，例如機(jī)理試驗(yàn)中冰模型至槳軸的距離足夠小。

4 結(jié) 論

本文在空泡水筒中開(kāi)展了冰阻塞環(huán)境下螺旋槳空泡，特別是連體渦空泡特性的試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)連體渦空泡形成機(jī)理進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論：

1） 當(dāng)H=0.25D時(shí)，會(huì)誘發(fā)連體渦空泡；當(dāng)H=0.5D時(shí)，不發(fā)生連體渦空泡。在前者情況下，冰模型與螺旋槳之間的水動(dòng)力作用強(qiáng)度更強(qiáng)，說(shuō)明在冰阻塞環(huán)境下水動(dòng)力相互作用是影響連體渦空泡的一個(gè)重要因素。

2） 壁面附近流動(dòng)遲滯點(diǎn)的形成以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)形成的誘導(dǎo)作用是本文機(jī)理試驗(yàn)中渦的誘發(fā)機(jī)制，連體渦空泡的形成需要流場(chǎng)中存在渦系結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬為此提供了很好的支撐，同時(shí)也驗(yàn)證了連體渦空化從螺旋槳一側(cè)起始的觀測(cè)結(jié)果。

3） 在冰阻塞環(huán)境下，“皮魯埃特效應(yīng)”是連體渦空泡形成的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，它使得在一個(gè)壁面上形成的渦旋能夠向附近的固壁延伸并終結(jié)在固壁上，這一效應(yīng)的引入能夠很好地解釋本文試驗(yàn)中連體渦空泡形成的機(jī)理。