螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)預(yù)報(bào)與空泡形態(tài)的對(duì)比研究

螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)預(yù)報(bào)與空泡形態(tài)的對(duì)比研究

0螺旋流場表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)預(yù)報(bào)的研究進(jìn)展20世紀(jì)60年代前后，隨著船舶大規(guī)模規(guī)劃和高速化的發(fā)展，軍艦首席法庭的劇烈振動(dòng)頻繁發(fā)生。據(jù)研究，在大多數(shù)情況下，由于螺母負(fù)荷的增加，螺旋漿在船的主框架（主要是由船舶的線型決定）中的不均勻流場運(yùn)行，局部非?？諝馀莩霈F(xiàn)，動(dòng)幅較大，即螺旋槳的激勵(lì)力急劇增加。在螺旋槳激振力試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)踐中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外不同實(shí)驗(yàn)室或同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室在不同時(shí)間,對(duì)同一條船舶的同一螺旋槳在相同工況下進(jìn)行螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)時(shí),總會(huì)出現(xiàn)不同程度的差異。這是和影響脈動(dòng)壓力測(cè)量的一些因素密不可分的,如水筒中空氣含量(氣核情況、水質(zhì)情況)、伴流模擬和轉(zhuǎn)速選定等。為此,主要進(jìn)行了以下研究工作:1.研究螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)值隨含氣量變化的規(guī)律;觀察螺旋槳模型空泡形態(tài)隨含氣量的變化規(guī)律,并與實(shí)槳空泡對(duì)比分析;探索脈動(dòng)壓力試驗(yàn)預(yù)報(bào)與實(shí)船測(cè)量值最接近時(shí)的空氣含量,探究其作為上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所空泡實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)船體表面脈動(dòng)壓力參考含氣量的可能性。2.比較船模伴流場和修正后的船模伴流場作為工作流場時(shí),螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)值及槳?？张菪螒B(tài),與對(duì)應(yīng)的實(shí)船測(cè)量觀察結(jié)果對(duì)比,并就伴流場修正對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)預(yù)報(bào)的影響作了探討。3.研究螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力的試驗(yàn)預(yù)報(bào)值隨槳模試驗(yàn)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。1試驗(yàn)工況以Sydney船舶的螺旋槳作為研究對(duì)象,該集裝箱船采用單槳對(duì)稱形式的船艉,槳模幾何圖形如圖1所示,試驗(yàn)工況見表1,槳模幾何要素見表2。Sydney實(shí)槳直徑D=7m,間隙比gt/D=0.267。已校驗(yàn)該槳模敞水性征曲線與第19屆ITTC(InternationalTowingTankConference)會(huì)議上Sydney槳敞水性征曲線吻合。2空氣含量對(duì)脈動(dòng)壓力系數(shù)的影響在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所空泡水筒模擬的船模伴流場中,伴流模擬情況滿足工程要求,采用平板測(cè)量方式對(duì)2個(gè)工況下的Sydney槳模進(jìn)行了脈動(dòng)壓力測(cè)量。測(cè)量裝置和傳感器布置見圖2。1#、2#、3#、4#、5#為模型試驗(yàn)傳感器布置位置,P4和P3為對(duì)應(yīng)于實(shí)船的傳感器布置位置。通常所測(cè)定的空氣含量實(shí)際上包括兩部分,即液中的自由氣體和已溶于液中的氣體?？諝夂砍Ｓ忙?αs表示,αs為當(dāng)?shù)卮髿鈮合滤泻瑲饬康娘柡椭?α為實(shí)際含氣量。通過對(duì)Sdyney槳模脈動(dòng)壓力的試驗(yàn)研究,將不同空氣含量下各個(gè)測(cè)量點(diǎn)一階脈動(dòng)壓力系數(shù)進(jìn)行整理(見圖3、圖4)。比較槳模和實(shí)槳的各階脈動(dòng)壓力系數(shù)(見圖5、圖6)。槳?？张菪螒B(tài)按340°,0°,20°,40°從左向右排列(見圖7至圖12)。在工況2,α/αs=0.27,0.38,0.58,0.72,0.80時(shí),觀察空泡形態(tài),描繪槳?？张輬D像并將實(shí)槳和船模伴流場中螺旋槳空泡形態(tài)進(jìn)行比較。2.1空氣含量對(duì)脈動(dòng)壓力的影響1)由圖3、圖4所示,脈動(dòng)壓力系數(shù)隨空氣含量變化的規(guī)律為:在試驗(yàn)工況下,α/αs=0.27～0.35(0.38),脈動(dòng)壓力隨空氣含量的增加而迅速增加;α/αs=0.35(0.38)～0.60,脈動(dòng)壓力隨空氣含量的增加而緩慢增加;α/αs=0.60～0.90,脈動(dòng)壓力隨空氣含量的增加基本上穩(wěn)定不變。由圖8至圖12所示,空氣含量從α/αs=0.27～0.38,空泡形態(tài)由不穩(wěn)定發(fā)展到穩(wěn)定;α/αs=0.38～0.58,空泡形態(tài)有所發(fā)展;α/αs=0.58～0.80,空泡沒有大的變化。由此可以得出,在試驗(yàn)工況下,空氣含量很低時(shí),螺旋槳由于空泡形態(tài)較小或者還沒有發(fā)展,脈動(dòng)壓力也小;隨著空氣含量的增加,螺旋槳空泡形態(tài)迅速發(fā)展,脈動(dòng)壓力隨之劇增;而空氣含量增加到一定值,空泡形態(tài)已經(jīng)完全發(fā)展,脈動(dòng)壓力也達(dá)到最大;此后隨含氣量增加到接近飽和,空泡形態(tài)和脈動(dòng)壓力均趨于穩(wěn)定不變。這與德國漢堡水池中型空泡水筒不同氧氣含量下的脈動(dòng)壓力測(cè)量和空泡觀測(cè)的結(jié)果一致(見圖13、圖14)。2)由圖3、圖4所示,在工況1下的4#測(cè)量點(diǎn),空氣含量α/αs=0.38時(shí)的一階脈動(dòng)壓力系數(shù)是α/αs=0.27的2.52倍,α/αs=0.38時(shí)的一階脈動(dòng)壓力系數(shù)是α/αs=0.53的90.0%;在工況2下的4#測(cè)量點(diǎn),空氣含量α/αs=0.35時(shí)的一階脈動(dòng)壓力系數(shù)是α/αs=0.27的3.15倍,α/αs=0.35時(shí)的一階脈動(dòng)壓力系數(shù)是α/αs=0.53的88.6%。3)由圖5、圖6所示,α/αs=0.35～0.38時(shí),試驗(yàn)預(yù)報(bào)的脈動(dòng)壓力系數(shù)和實(shí)船測(cè)量脈動(dòng)壓力系數(shù)最接近,最關(guān)心的4#即最大預(yù)報(bào)脈動(dòng)壓力系數(shù)與實(shí)船P4非常接近,且此時(shí)空泡觀測(cè)效果也較佳。在工況2,α/αs≈0.35時(shí),Sydney槳模0°空泡照片如圖15所示。如果空氣含量控制在0.6左右,試驗(yàn)預(yù)報(bào)的脈動(dòng)壓力系數(shù)也比空氣含量0.35～0.38偏大10%左右。這在試驗(yàn)預(yù)報(bào)可接受范圍以內(nèi),但對(duì)空泡觀測(cè)不利。在工況2,α/αs≈0.58時(shí),Sydney槳模0°空泡照片如圖16所示。3實(shí)槳脈動(dòng)壓力值對(duì)比在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所空泡水筒中伴流模擬采用網(wǎng)格法。試驗(yàn)?zāi)M2個(gè)伴流場,即船模伴流場和用Hoekstra法修正后的船模伴流場,伴流模擬情況滿足工程要求。圖17左半部分為船模軸向伴流等值圖,右半部分為修正后的船模軸向伴流等值圖。由此圖可知,修正后的船模伴流等值線在船模伴流等值線的基礎(chǔ)上有明顯的內(nèi)縮?？张菟部諝夂勘３衷讦?αs≈0.4,測(cè)量裝置和傳感器布置見圖2。通過試驗(yàn),將Sydney螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)槳脈動(dòng)壓力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比(見圖18、圖19)。將實(shí)槳與船模伴流場及修正后的船模伴流場中槳?？张菪螒B(tài)進(jìn)行比較,槳模空泡形態(tài)按340°,0°,20°,40°從左向右排列(見圖20至圖22)。3.1槳葉的最大脈動(dòng)壓力值1)船模伴流場的修正對(duì)螺旋槳激振力預(yù)報(bào)的影響較大。就Sydney槳而言,Hoekstra法船模伴流場修正使預(yù)報(bào)的螺旋槳最大脈動(dòng)壓力值比船模伴流場中的偏大約35%。2)由圖20至圖22所示,在修正后的船模伴流場中的槳?？张菪螒B(tài)比船模伴流場中的偏大;而不論是在船模伴流場還是修正后的船模伴流場中的槳模空泡形態(tài)比實(shí)槳空泡形態(tài)都偏小。4空泡水筒風(fēng)速對(duì)脈動(dòng)壓力的影響試驗(yàn)選用Sydney船模伴流場,伴流模擬情況滿足工程要求,測(cè)量裝置和傳感器布置見圖2。在相同的脈動(dòng)壓力試驗(yàn)工況下,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為17.58r/s、19.53r/s、21.48r/s、23.43r/s、25.39r/s、27.34r/s和29.30r/s時(shí),進(jìn)行螺旋槳脈動(dòng)壓力的測(cè)量。空泡水筒空氣含量保持在α/αs≈0.4。通過試驗(yàn)得到脈動(dòng)壓力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律(見圖23、圖24)。為了找出隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速增加,螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力下降及造成各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量差異的可能原因,對(duì)近期在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所空泡實(shí)驗(yàn)室脈動(dòng)壓力測(cè)量試驗(yàn)的多組試驗(yàn)工況,在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的p/pa(p為試驗(yàn)時(shí)工作段壓力;pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?進(jìn)行計(jì)算,得到n和p/pa關(guān)系曲線(見圖25)。由圖25可見:隨n增加,p/pa也隨之增加,工作段水的飽和空氣含量αsp隨之增加,而實(shí)際空泡水筒中水的總空氣含量α基本不變,因此,工作段的相對(duì)空氣含量值α/αsp隨之減小。由Sydney槳模2個(gè)試驗(yàn)工況下,不同含氣量的試驗(yàn)結(jié)果可見,隨著相對(duì)空氣含量值的減小,螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力隨之減小。在σn=1.826,KT=0.184,n=23.44r/s,空氣含量α/αs=0.35時(shí),采用Sydney船模伴流場作為模型試驗(yàn)伴流場,預(yù)報(bào)得到的最大一階脈動(dòng)壓力系數(shù)為0.042。這與實(shí)槳測(cè)量最大一階脈動(dòng)壓力系數(shù)0.043非常吻合。5預(yù)壓室試驗(yàn)轉(zhuǎn)速a通過螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)的試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論和建議:1.空氣含量對(duì)螺旋槳空泡的初生和發(fā)展及螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)有顯著的影響。隨著空泡水筒中水的空氣含量增加,螺旋槳空泡隨之初生并發(fā)展,螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力也隨之增大;當(dāng)空氣含量增加到一定值后,螺旋槳空泡形態(tài)達(dá)到完全發(fā)展?fàn)顟B(tài),螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力也隨之到達(dá)峰值;之后隨著空氣含量的增加,螺旋槳空泡形態(tài)及其誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力趨于穩(wěn)定。2.從Sydney槳模的試驗(yàn)結(jié)果看,在船模伴流場中預(yù)報(bào)的最大螺旋槳脈動(dòng)壓力比在修正后的船模伴流中的預(yù)報(bào)結(jié)果偏小近25%。但從船舶振動(dòng)的安全性角度出發(fā),在模型試驗(yàn)時(shí),采用修正后的船模伴流來進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)報(bào),可以使預(yù)報(bào)結(jié)果趨于安全。3.試驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)有一定影響。在水筒實(shí)際空氣含量基本穩(wěn)定時(shí),螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)值隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的增加而減小。綜合以上分析,在模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面