螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力試驗預(yù)報與空泡形態(tài)的對比研究

螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力試驗預(yù)報與空泡形態(tài)的對比研究

0螺旋流場表面脈動壓力試驗預(yù)報的研究進(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）中的不均勻流場運行，局部非?？諝馀莩霈F(xiàn)，動幅較大，即螺旋槳的激勵力急劇增加。在螺旋槳激振力試驗預(yù)報實踐中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外不同實驗室或同一個實驗室在不同時間,對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)的船體表面脈動壓力預(yù)報時,總會出現(xiàn)不同程度的差異。這是和影響脈動壓力測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)的船體表面脈動壓力預(yù)報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,并與實槳空泡對比分析;探索脈動壓力試驗預(yù)報與實船測量值最接近時的空氣含量,探究其作為上海船舶運輸科學(xué)研究所空泡實驗室模型試驗預(yù)報船體表面脈動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,螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力預(yù)報值及槳模空泡形態(tài),與對應(yīng)的實船測量觀察結(jié)果對比,并就伴流場修正對螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力試驗預(yù)報的影響作了探討。3.研究螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力的試驗預(yù)報值隨槳模試驗轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。1試驗工況以Sydney船舶的螺旋槳作為研究對象,該集裝箱船采用單槳對稱形式的船艉,槳模幾何圖形如圖1所示,試驗工況見表1,槳模幾何要素見表2。Sydney實槳直徑D=7m,間隙比gt/D=0.267。已校驗該槳模敞水性征曲線與第19屆ITTC(InternationalTowingTankConference)會議上Sydney槳敞水性征曲線吻合。2空氣含量對脈動壓力系數(shù)的影響在上海船舶運輸科學(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,采用平板測量方式對2個工況下的Sydney槳模進(jìn)行了脈動壓力測量。測量裝置和傳感器布置見圖2。1#、2#、3#、4#、5#為模型試驗傳感器布置位置,P4和P3為對應(yīng)于實船的傳感器布置位置。通常所測定的空氣含量實際上包括兩部分,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為實際含氣量。通過對Sdyney槳模脈動壓力的試驗研究,將不同空氣含量下各個測量點一階脈動壓力系數(shù)進(jìn)行整理(見圖3、圖4)。比較槳模和實槳的各階脈動壓力系數(shù)(見圖5、圖6)。槳模空泡形態(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,觀察空泡形態(tài),描繪槳?？张輬D像并將實槳和船模伴流場中螺旋槳空泡形態(tài)進(jìn)行比較。2.1空氣含量對脈動壓力的影響1)由圖3、圖4所示,脈動壓力系數(shù)隨空氣含量變化的規(guī)律為:在試驗工況下,α/αs=0.27～0.35(0.38),脈動壓力隨空氣含量的增加而迅速增加;α/αs=0.35(0.38)～0.60,脈動壓力隨空氣含量的增加而緩慢增加;α/αs=0.60～0.90,脈動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,在試驗工況下,空氣含量很低時,螺旋槳由于空泡形態(tài)較小或者還沒有發(fā)展,脈動壓力也小;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壓力測量和空泡觀測的結(jié)果一致(見圖13、圖14)。2)由圖3、圖4所示,在工況1下的4#測量點,空氣含量α/αs=0.38時的一階脈動壓力系數(shù)是α/αs=0.27的2.52倍,α/αs=0.38時的一階脈動壓力系數(shù)是α/αs=0.53的90.0%;在工況2下的4#測量點,空氣含量α/αs=0.35時的一階脈動壓力系數(shù)是α/αs=0.27的3.15倍,α/αs=0.35時的一階脈動壓力系數(shù)是α/αs=0.53的88.6%。3)由圖5、圖6所示,α/αs=0.35～0.38時,試驗預(yù)報的脈動壓力系數(shù)和實船測量脈動壓力系數(shù)最接近,最關(guān)心的4#即最大預(yù)報脈動壓力系數(shù)與實船P4非常接近,且此時空泡觀測效果也較佳。在工況2,α/αs≈0.35時,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,試驗預(yù)報的脈動壓力系數(shù)也比空氣含量0.35～0.38偏大10%左右。這在試驗預(yù)報可接受范圍以內(nèi),但對空泡觀測不利。在工況2,α/αs≈0.58時,Sydney槳模0°空泡照片如圖16所示。3實槳脈動壓力值對比在上海船舶運輸科學(xué)研究所空泡水筒中伴流模擬采用網(wǎng)格法。試驗?zāi)M2個伴流場,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。空泡水筒空氣含量保持在α/αs≈0.4,測量裝置和傳感器布置見圖2。通過試驗,將Sydney螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力預(yù)報結(jié)果與實槳脈動壓力系數(shù)進(jìn)行對比(見圖18、圖19)。將實槳與船模伴流場及修正后的船模伴流場中槳模空泡形態(tài)進(jìn)行比較,槳?？张菪螒B(tài)按340°,0°,20°,40°從左向右排列(見圖20至圖22)。3.1槳葉的最大脈動壓力值1)船模伴流場的修正對螺旋槳激振力預(yù)報的影響較大。就Sydney槳而言,Hoekstra法船模伴流場修正使預(yù)報的螺旋槳最大脈動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?？张菪螒B(tài)比實槳空泡形態(tài)都偏小。4空泡水筒風(fēng)速對脈動壓力的影響試驗選用Sydney船模伴流場,伴流模擬情況滿足工程要求,測量裝置和傳感器布置見圖2。在相同的脈動壓力試驗工況下,試驗轉(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,進(jìn)行螺旋槳脈動壓力的測量?？张菟部諝夂勘３衷讦?αs≈0.4。通過試驗得到脈動壓力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律(見圖23、圖24)。為了找出隨試驗轉(zhuǎn)速增加,螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力下降及造成各實驗室測量差異的可能原因,對近期在上海船舶運輸科學(xué)研究所空泡實驗室脈動壓力測量試驗的多組試驗工況,在不同轉(zhuǎn)速時的p/pa(p為試驗時工作段壓力;pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?進(jìn)行計算,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,工作段的相對空氣含量值α/αsp隨之減小。由Sydney槳模2個試驗工況下,不同含氣量的試驗結(jié)果可見,隨著相對空氣含量值的減小,螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力隨之減小。在σn=1.826,KT=0.184,n=23.44r/s,空氣含量α/αs=0.35時,采用Sydney船模伴流場作為模型試驗伴流場,預(yù)報得到的最大一階脈動壓力系數(shù)為0.042。這與實槳測量最大一階脈動壓力系數(shù)0.043非常吻合。5預(yù)壓室試驗轉(zhuǎn)速a通過螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力預(yù)報的試驗研究,得到以下結(jié)論和建議:1.空氣含量對螺旋槳空泡的初生和發(fā)展及螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力預(yù)報有顯著的影響。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)的船體表面脈動壓力趨于穩(wěn)定。2.從Sydney槳模的試驗結(jié)果看,在船模伴流場中預(yù)報的最大螺旋槳脈動壓力比在修正后的船模伴流中的預(yù)報結(jié)果偏小近25%。但從船舶振動的安全性角度出發(fā),在模型試驗時,采用修正后的船模伴流來進(jìn)行試驗預(yù)報,可以使預(yù)報結(jié)果趨于安全。3.試驗轉(zhuǎn)速對螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動壓力預(yù)報有一定影響。在水筒實際空氣含量基本穩(wěn)定時,螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力預(yù)報值隨試驗轉(zhuǎn)速的增加而減小。綜合以上分析,在模型試驗預(yù)報螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面