高速攝影和水動力同步測試在冰槳碰撞模型試驗中的應用

武 珅， 宋明太， 芮 偉

(中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，無錫 214082)

船舶在冰區航行時，特別是破冰航行狀態，經常導致碎冰塊下浸并沿著船體側面和底面滑動，對船體和螺旋槳、舵等附體結構的正常運行帶來影響。對于船舶螺旋槳而言，通常裸露于船艉且浸深較淺，螺旋槳的旋轉抽吸作用使得冰水混合流中的冰塊靠近槳盤，進而與旋轉槳葉發生碰撞和切削作用，直至冰塊通過槳盤面。冰塊對槳葉的碰撞沖擊載荷要高于水動力載荷[1]，是造成冰區船舶螺旋槳葉片變形甚至損壞的主要因素，因此開展冰槳碰撞對冰區船舶螺旋槳的性能影響研究具有重要意義。

由于冰水混合環境下的冰槳碰撞作用過程復雜，涉及固-固、固-液、液-汽等多物理場的耦合作用，目前在數值模擬方面還未能建立起全耦合的分析求解方法，多采用分離解耦和假設簡化的方法處理[2]。現行的冰區螺旋槳載荷和強度校核規范多是源于模型和實船試驗，通過試驗反映物理作用現象，再經過理論分析和系列統計回歸進行修正參數的選取[3]，是解決此類力學問題的主要技術手段。對于冰槳碰撞切削作用的模型試驗，國內外學者利用凍結和非凍結冰，已分別在冰水池和拖曳水池、空泡水筒等開展了試驗研究工作。Wang等[4]在加拿大IOT冰水池開展了吊艙推進器切削層冰的模型試驗，測量了切削過程中螺旋槳的推力和扭矩特性變化。Huisman等[5-6]利用石蠟和樹脂的非凍結模型冰在荷蘭MARIN水池進行了自由運動冰與螺旋槳碰撞，測試了螺旋槳的多分量水動力性能變化。郭春雨等[7]采用非凍結模型冰，冰塊為夾持固定狀態，測試比較了螺旋槳在空氣中和水中切削模型冰時的推力和扭矩性能差異。相比于螺旋槳切削層冰和固定模型冰塊，自由運動冰塊存在平動和轉動的多自由度，受螺旋槳抽吸流場作用影響，與螺旋槳作用的隨機性和不確定性更強，冰槳碰撞螺旋槳水動力隨時間和空間變化。因此，在試驗過程中如果僅采集螺旋槳水動力曲線，不輔以冰槳碰撞的作用過程圖像，難以達到分析冰槳碰撞過程對螺旋槳性能影響規律的目的。由于冰槳碰撞是個瞬態的作用過程，捕捉冰塊運動和冰槳碰撞的細節信息需要借助于高速攝影技術，并保證高速攝像和螺旋槳水動力的采集同步，以實現對冰槳碰撞影響的時空同步分析。

關于船舶螺旋槳性能試驗的同步測試，主要為研究螺旋槳與流體作用產生的力學聲學特征信息之間的關聯關系和作用機理，國內外學者研究開發了獲取螺旋槳力學、聲學和槳葉圖像等多特征同步信息的測試技術，已將其應用在螺旋槳空泡、脈動壓力和噪聲等性能的試驗測試中。Pereira等[8-9]利用高速攝像技術記錄船尾流場中的螺旋槳空泡形態，通過對比螺旋槳非定常梢渦空泡、片空泡的演變過程和同步采集的脈動壓力變化，研究揭示了螺旋槳梢渦空泡、片空泡的周期發展和潰滅過程與脈動壓力的特征關系。Song等[10]在空泡水筒開展了槳葉梢渦空泡形態和噪聲性能的同步測試試驗，通過匹配調節高速相機采集幀數和水聽器采樣頻率，實現槳葉噪聲頻譜曲線與梢渦空泡形態變化圖像的同步采集，進而分析建立了槳葉梢渦空泡的聲學模型，研究揭示了槳葉梢渦空泡的發聲機制和噪聲變化特征。

鑒于此，本文利用空泡水筒模擬冰槳碰撞試驗環境，嘗試將高速攝像和螺旋槳水動力的同步測試技術應用到冰槳碰撞模型試驗中。為獲取自由冰塊運動和冰槳碰撞過程的螺旋槳水動力性能變化，需要搭建多相機圖像與螺旋槳水動力之間的同步采集測試系統，進行多相機的組合布置和觸發采集環節的參數匹配調節。然后，綜合分析冰塊和螺旋槳性能的時空特征變化信息，檢驗同步測試效果，為研究冰槳碰撞對螺旋槳性能影響提供測試手段。

1 試驗模型和測試裝置

1.1 螺旋槳模型

本次冰槳碰撞螺旋槳水動力性能試驗的測試對象為一只四葉螺旋槳模型[11]，槳模直徑0.25 m，右旋，盤面比0.72，0.7R螺距比0.817，如圖1所示。槳模材料暫選用鋁合金，還未考慮實船冰區螺旋槳的材料特點而選擇高強度的銅槳或不銹鋼槳，本次模型試驗的主要目的是搭建同步系統和檢驗測試效果。

1.2 模型冰

試驗模型冰在中國船舶科學研究中心的小型冰水池制備，凍結層冰的冰力學特性參數如表1所示。表1中冰厚和冰力學特性參數的選取主要是參考試驗槳模縮尺比和柯西相似關系，考慮到模型試驗是在常溫空泡水筒中進行，模型冰的冰力學特性參數會隨溫度的變化而變化，因此給出了試驗模型冰的冰力學特性參數變化范圍。

表1 試驗層冰的性能參數Tab.1 Performance parameters of test level ice

將凍結層冰預切割成三種尺寸的長方體冰塊，冰厚相同，長和寬分別為40 mm×40 mm、60 mm×60 mm和80 mm×80 mm，每種40塊，以滿足不同測試工況和重復性試驗要求。試驗模型冰樣如圖2所示。

圖2 試驗模型冰塊Fig.2 Test model ice

1.3 測試裝置

模型試驗在中國船舶科學研究中心的空泡水筒中進行。空泡水筒的工作段直徑0.8 m，長度3.2 m，水速范圍3～20 m/s，壓力調整范圍8～400 kPa，最低空泡數(無模型)0.15。空泡水筒長軸動力儀的推力、扭矩和轉速測試量程分別為4 000 N、500 N·m和4 500 r/min。

試驗中采用兩臺高速相機，一臺視角較大用于記錄冰槳相對運動和碰撞切削的整體作用效果，型號為Photron APX，幀率最高可達到8 000 fps，分辨率為1 024×512，空間分辨率每像素約0.18 mm。另一臺高速相機則聚焦于螺旋槳葉片，主要捕捉模型冰與槳葉的碰撞破壞過程，型號為Photron SA4，幀率和分辨率均與前者一致，空間分辨率每像素約0.13 mm。同時，為滿足高速相機高幀率對進光量的要求，在模型試驗中配備了4 000 W的照明燈進行補光。

2 測試方法

如圖3所示，螺旋槳模型安裝于空泡水筒的長軸動力儀上，模型冰位于螺旋槳來流前方，由長臂夾進行夾持布放，兩臺高速相機和照明燈均位于空泡水筒的同側面。為了實現冰槳碰撞過程中高速攝像和螺旋槳水動力性能的同步測量，分別從兩臺高速相機上引出信號同步控制線，首先通過兩臺高速相機觸發采集環節參數的匹配調節實現多相機的圖像采集同步。然后，將信號同步線的一端與水動力數據采集系統相連，另一端與圖像采集控制系統連接。對螺旋槳水動力時域信號進行采集時，在模型冰釋放前由圖像采集控制系統觸發信號控制兩臺高速相機開始圖像拍攝，與此同時發出上升沿電壓信號，該信號由水動力數據采集系統接收，并與螺旋槳水動力測試信號同步輸出。

圖3 模型試驗布置Fig.3 Model test arrangement

試驗前首先進行模型冰塊的布放位置調節，通過空泡水筒上蓋口、鋼板尺、卡尺等對長臂夾位置進行軸向、徑向和垂向定位。采用槳軸中心線和槳盤面作為垂向和軸向的基準位置，分別將夾持冰塊點到槳軸中心線和槳盤面的距離作為施放碎冰塊的垂向和軸向相對位置，而在徑向上保證從空泡水筒自上而下看長臂夾與槳軸中心成一條直線。在試驗中選取2個垂向位置，均位于槳軸上方，距槳軸中心線分別為D/2和D/4；2個軸向位置，均在螺旋槳來流前方，距槳盤面分別為D和D/2，所以模型冰塊共有4個初始釋放位置。以高速相機的拍攝視角看模型冰與螺旋槳的位置關系，4個釋放位置(D、D/2)、(D、D/4)、(D/2、D/2)和(D/2、D/4)分別稱之為左上、左下、右上和右下方。

本文為冰槳碰撞對螺旋槳性能影響的初次機理性試驗，主要關注在螺旋槳旋轉抽吸作用下的冰塊運動和冰槳碰撞特性，因此本次試驗空泡水筒沒有開水速，僅螺旋槳以給定轉速轉動。試驗時將空泡水筒的上蓋板打開，水筒中注水至上蓋口，螺旋槳設定2個試驗轉速分別為15 r/s和20 r/s。待螺旋槳旋轉抽吸流動穩定后，由長臂夾深入水筒至不同指定位置釋放模型冰塊，模型冰塊被抽吸至槳盤面而發生冰槳碰撞切削作用。模型試驗共包括3種尺寸冰塊、4個初始釋放位置和2個螺旋槳模型轉速，所以共有24個試驗工況。考慮到冰塊與螺旋槳運動、冰槳碰撞破壞過程存在一定的隨機和不確定性，在每組工況進行了5次重復性試驗測試，因此共進行了120次冰槳碰撞模型試驗測試，同步測量了不同幾何尺寸冰塊、不同初始釋放位置和不同螺旋槳轉速下的冰塊運動、碰撞破壞過程和螺旋槳的水動力系數變化。

3 測試結果分析

圖4給出了試驗采集到的一組螺旋槳模型推力時歷變化和高速攝像的同步信號曲線，實線為去掉螺旋槳模型水動力均值后以零點為波動變化的推力時歷信號曲線，虛線為高速相機的信號線。

圖4 水動力和高速攝像同步信號曲線Fig.4 Hydrodynamic and high-speed video synchronization signal curves

從圖4可以看出，1.0 s左右時刻發生的冰槳碰撞使得槳模推力曲線出現明顯的跳動，并在冰塊碰撞結束后衰減至穩定。而在螺旋槳模型推力的采集過程中，由高速相機圖像采集控制系統給出觸發信號，進而得到上升沿電壓信號開始圖像采集，根據高速相機的最大圖像存儲量和采集幀數計算得到圖像的采集時長，作為下降沿信號結束同步采集。

圖5和圖6給出了圖4中同步采集信號的上升沿和下降沿觸發時刻附近曲線的放大圖，通過采樣點和采樣時刻可計算得到同步采集時長為5.458 7 s，而高速相機采集相片的存儲量為10 917張圖片，采集幀數設置為2 000 fps/s，總采集時長為5.458 5 s。對比圖像采集時長和水動力上升沿到下降沿的采集時長可見，同步誤差在0.2 ms。此外，從圖5和圖6中的上升沿和下降沿電壓信號變化存在一定斜率可以看出，從觸發至信號穩定所需的時間在0.5 ms左右，而槳模推力的采樣頻率為3×104，高速相機的采樣間隔為0.5 ms，本試驗的高速攝影和水動力同步采集誤差應小于1 ms。可見，同步測試在冰槳碰撞螺旋槳水動力性能試驗中取得了良好的應用效果。

圖5 上升沿觸發時間Fig.5 Trigger time of the rising edge

圖6 下降沿觸發時間Fig.6 Trigger time of the falling edge

由于本次冰槳碰撞模型試驗存在多個測試工況，而且在相同工況下冰塊與螺旋槳的碰撞作用過程也不盡相同，因此研究冰槳碰撞對螺旋槳性能影響需要借助于試驗數據曲線和冰槳時空變化信息來進行綜合分析，下面從中選取兩組典型冰槳碰撞作用過程進行具體說明，工況如表2所示。

表2 典型試驗工況Tab.2 Typical test condition

圖7為工況1冰塊運動、冰槳碰撞破壞過程和螺旋槳模型推力的同步采集測試結果。需要指出的是，圖中的槳模推力截取了從冰塊運動靠近槳模到冰槳碰撞作用結束段的時歷變化曲線，在曲線上選取部分時刻點(A～O)，分別給出了兩臺高速相機在對應時刻采集到的圖片。

圖7 高速攝像和螺旋槳模型推力的同步測試結果(工況1)Fig.7 Test results of high-speed video and model propeller thrust synchronization measurement (case 1)

從圖7可以看出，兩臺高速相機分別從整體和局部視角同步采集到了冰塊運動和冰槳碰撞作用過程。總體來看，在右上方位置釋放后，自由狀態模型冰在螺旋槳抽吸力、重力和浮力的綜合作用下，約在D時刻運動至槳盤面，與旋轉槳模的4號槳葉導邊發生碰撞切削作用，直到J時刻破碎，然后向螺旋槳下游方向運動。從該工況模型冰的碰撞破碎過程來看，模型冰形狀和尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體，為三種模型冰中的最小尺寸，模型冰受到槳模4號槳葉的單次碰撞切削作用，即被切穿破碎而通過槳盤。

對比圖7槳模的推力變化曲線也可以看出，在發生冰槳碰撞作用前，即A、B、C以及之前時刻，槳模的均流水動力采集成穩定小幅波動狀態。在D時刻左右開始出現異常脈動，在整個D～J時間段內冰槳碰撞導致的脈動幅值要遠大于水動力作用，由于本次工況發生現象為冰槳的單次碰撞，在初次的推力脈動即達到沖擊峰值，如圖中F時刻。而在K時刻向后，雖然冰槳碰撞過程已經結束，但由于長軸動力儀受到冰槳碰撞的激勵作用，此時采集到的槳模推力會比碰撞前出現較大波動，并隨時間不斷衰減。

圖8給出了工況2冰塊運動、冰槳碰撞破壞過程和螺旋槳模型推力變化的同步采集測試結果，包括冰槳碰撞過程的槳模推力時歷變化曲線和部分時刻點(A～R)的兩臺高速相機采集圖片。

圖8 高速攝像和螺旋槳模型推力的同步測試結果(工況2)Fig.8 Test results of high-speed video and model propeller thrust synchronization measurement (case 2)

從圖8冰槳碰撞過程圖片可以看出，工況2的模型冰與槳模發生多次的碰撞作用，從C時刻運動至槳盤與1號槳葉接觸，模型冰在旋轉槳葉帶動下發生翻轉和部分破壞，然后連續與2號、3號、4號槳葉以及再與1號槳葉發生碰撞切削作用。從C～O時刻，基本經過一個螺旋槳旋轉周期后，模型冰大部分受旋轉槳葉的沖撞作用向螺旋槳外半徑方向彈開，再向螺旋槳下游運動，而模型冰僅有小部分被槳葉切碎，未能整體貫穿。

從圖8槳模推力變化曲線上也可以看出，在冰槳碰撞作用過程中采集到的大幅推力脈動信號的持續時間要大于圖7，且推力脈動的幅值和數量也都增大，例如出現G、K、N等時刻的多個峰值。由于工況2的模型冰塊為80 mm×80 mm×40 mm的長方體，質量和慣性較工況1增大，且初始釋放位置在左上方，具有更多的抽吸加速時間和更大的軸向運動速度，因此冰槳碰撞槳模的推力脈動幅值更大，連續的冰槳碰撞沖擊作用明顯。而在P時刻冰槳碰撞結束后，受到連續激勵的長軸動力儀采集到的槳模推力波動也要大于工況1，衰減到穩定水動力采集狀態所需的時間也要增加。

從以上兩個冰槳碰撞案例可以看出，不同的模型冰尺寸、初始釋放位置和螺旋槳的運行工況，會產生模型冰塊受切削破碎經過槳盤和碰撞彈開至槳盤外的不同冰槳碰撞作用方式，且碰撞次數和碰撞程度均不相同，隨機性和不確定性較強。此外，由于每組工況均進行了重復性試驗，下面仍選取工況2對試驗測試的重復性進行分析。圖9給出了工況2部分重復性試驗的螺旋槳推力時歷曲線測試結果。

(a) 重復性試驗1

(b) 重復性試驗2圖9 工況2螺旋槳推力的重復性試驗結果Fig.9 Repeatability test results of propeller thrust in case 2

對比圖9和圖8的重復性試驗螺旋槳推力時歷曲線可以看出，相同工況螺旋槳與冰塊的碰撞作用時長和碰撞峰值基本在同一量級，但出現的峰值數目和峰值大小存在差異。這主要是由于螺旋槳存在旋轉運動，在每次試驗中難以做到槳葉在相同相位位置時釋放冰塊。雖然相同工況的重復性試驗使得冰塊在到達槳葉時的徑向位置基本相同，但冰塊與槳葉開始接觸的弦向位置不同，而螺旋槳又存在三維曲面形狀，使得冰塊與槳葉的碰撞作用方式不同，進而帶來冰槳碰撞次數和碰撞峰值大小的差異。可見，自由運動冰塊與螺旋槳碰撞的不同工況之間、相同工況的重復性試驗之間均可能出現不同的冰槳碰撞作用方式，也證明了本文建立冰槳碰撞作用過程圖像和螺旋槳水動力同步采集分析系統的必要性，否則難以對測試結果進行合理解釋。

因此開展此類問題研究，非常有必要借助于冰槳碰撞作用過程的性能曲線和時空特征變化信息，從多個工況以及重復性試驗中提取極限和平均結果，綜合分析冰槳碰撞對螺旋槳水動力性能的影響變化規律。

4 結 論

(1) 將高速攝影和螺旋槳水動力同步測試技術應用于冰槳碰撞螺旋槳水動力性能模型試驗中，通過多相機同步測試平臺的搭建和觸發采集環節的參數匹配調節，實現了冰槳碰撞過程中螺旋槳水動力隨時空變化的實時監測。通過對比圖像采集時長和觸發信號曲線，驗證了同步測試技術在冰槳碰撞模型試驗應用中取得了良好效果。

(2) 冰槳碰撞存在單次、多次等不同的碰撞作用方式，隨機性和不確定性強，對螺旋槳水動力性能的影響程度不同。同步測試可為冰槳碰撞提供時空多特征變化信息，為綜合分析冰槳碰撞對螺旋槳性能影響提供可靠依據。