陸 芳，陸林章，龐業(yè)珍，顧湘男

（1.中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082）

0 引 言

空泡通常發(fā)生在艦船的推進(jìn)器、減搖鰭、支架和測速儀的表面，其中螺旋槳最容易產(chǎn)生空泡。對于軍用艦艇，空泡引起的水下噪聲一方面降低了自身的隱蔽性，另一方面也降低了自身聲吶系統(tǒng)的工作性能；對于商用船舶，空泡引起的噪聲、振動和剝蝕等，一方面會影響船舶的運(yùn)行性能，另一方面也會影響海洋環(huán)境、海洋生物等[1]。

Friesch 等[2]研究了螺旋槳梢渦空泡引起的寬帶噪聲與高階脈動壓力之間的關(guān)系。Konno 等[3]研究了螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)現(xiàn)象的機(jī)理。Bosschers[4]研究了梢渦空泡引起寬帶譜噪聲的機(jī)理等。但由于梢渦空泡非常復(fù)雜，目前對于梢渦空泡的發(fā)展機(jī)理特別是猝發(fā)（bursting）機(jī)理等在理論上很難用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，同時對寬帶譜噪聲產(chǎn)生的機(jī)理尚不完全清楚。本文分析了3 600 箱集裝箱船實(shí)船測量的梢渦空泡猝發(fā)與脈動壓力及振動特性之間的關(guān)系，獲得梢渦空泡猝發(fā)誘發(fā)船體振動的高階量及寬帶譜特性。這有利于今后進(jìn)行梢渦空泡猝發(fā)特性的研究以及對噪聲特性、船體振動特性的研究。

1 實(shí)船參數(shù)和測量方法

1.1 實(shí)船主要參數(shù)

試驗(yàn)于2013 年6 月在一艘從歐洲（德國漢堡）到南美洲（巴拿馬）大西洋航線的3 600 箱集裝箱船上進(jìn)行，大西洋水質(zhì)清澈、陽光充足，適合進(jìn)行螺旋槳的實(shí)船空泡觀測測量。表1 為船體和螺旋槳的主要特性參數(shù)。

圖1 實(shí)船空泡觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Test set-up for cavitation observation

1.2 實(shí)船空泡測試

進(jìn)行實(shí)船螺旋槳的空泡觀測和研究有利于建立模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，減少根據(jù)模型試驗(yàn)預(yù)報實(shí)船性能時空泡“尺度效應(yīng)”的影響。上世紀(jì)70 年代開始，在進(jìn)行空泡及空泡噪聲、空泡剝蝕和空泡振動的研究過程中，為了提高對艦船空泡性能的認(rèn)識以及對空泡與噪聲、剝蝕和振動等的相關(guān)性研究，不斷提高根據(jù)試驗(yàn)預(yù)報實(shí)船螺旋槳空泡性能的可靠性和正確性，歐美各艦船研究所[5]在與船廠、船東以及船級社的合作下不時地進(jìn)行實(shí)船螺旋槳的空泡觀測試驗(yàn)研究；隨著造船業(yè)在亞洲的發(fā)展，韓國KRISO 及日本等國[6]的研究所也進(jìn)行了實(shí)船的相關(guān)研究。最初，利用普通照相機(jī)或普通攝像機(jī)進(jìn)行螺旋槳和舵等空泡的記錄和觀測，這種方法周期比較長、成本也比較高，船舶需要進(jìn)塢才能進(jìn)行空泡觀測孔的布置。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著數(shù)碼技術(shù)以及光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以利用直徑僅為十幾毫米的內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀測，還可利用高速攝像機(jī)記錄空泡形態(tài)的變化，空泡觀測孔甚至可以在船舶運(yùn)行過程中進(jìn)行布置，實(shí)船螺旋槳空泡觀測技術(shù)得到了進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。

為了能夠得到與國際水平相當(dāng)?shù)膶?shí)船試驗(yàn)結(jié)果，中國船舶科學(xué)研究中心（CSSRC）采用與國外當(dāng)代水平相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)備，即內(nèi)窺鏡與高速攝像機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)船空泡觀測和記錄，這種方法具有安裝簡便、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)窺鏡安裝于螺旋槳上方的船體艉部，具有圖像增強(qiáng)功能的高速攝像機(jī)與內(nèi)窺鏡連接圖像記錄和處理系統(tǒng)進(jìn)行螺旋槳空泡觀測。圖1為觀測系統(tǒng)示意圖，圖像采集幀率為1 000 f/s。

圖2 空泡觀測孔和脈動壓力測量位置示意圖Fig.2 Test arrangement for cavitation observation and pressure fluctuation measurement

1.3 脈動壓力和振動測量

在進(jìn)行空泡觀測的同時，還進(jìn)行螺旋槳空泡誘導(dǎo)的船體脈動壓力以及船體振動測量。為使空泡觀測孔與脈動壓力測量孔可以相互使用，在船體尾部螺旋槳上方開了7 個直徑為14 mm 的孔，相鄰兩孔之間距離為0.15D（D 為螺旋槳直徑），具體布置如圖2 所示。振動加速度傳感器則安裝在脈動壓力傳感器測量位置臨近處，圖3 為脈動壓力傳感器和振動加速度傳感器安裝示意圖。

圖3 脈動壓力和振動傳感器安裝示意圖Fig.3 Set-up of transducers

2 螺旋槳空泡特性

通過用不同觀測角的內(nèi)窺鏡在不同觀測位置的圖像比較，選擇在No.6和No.7位置用不同觀測角（0°和45°）的內(nèi)窺鏡觀測螺旋槳槳葉片空泡以及梢渦空泡，通過高速攝像（1 000 f/s）記錄槳葉空泡的變化形態(tài)。試驗(yàn)在螺旋槳轉(zhuǎn)速為64 r/min、80 r/min 和95 r/min 的工況下測量（分別對應(yīng)航速14.5 kn、18 kn 和21.5 kn）。圖4 為不同工況下槳葉片空泡的空泡形態(tài)圖。圖4（a）顯示轉(zhuǎn)速為64 r/min 時，槳葉片空泡沒有出現(xiàn)；圖4（b）顯示轉(zhuǎn)速為80 r/min 時槳葉片空泡出現(xiàn)在0.85R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導(dǎo)邊到1/5 弦長區(qū)域；圖4（c）顯示轉(zhuǎn)速為95 r/min 時槳葉片空泡出現(xiàn)在0.78R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導(dǎo)邊到4/5弦長區(qū)域；隨著轉(zhuǎn)速的增加槳葉片空泡區(qū)域增加。圖5為不同工況下槳葉梢渦空泡猝發(fā)的空泡圖，隨著轉(zhuǎn)速的增加槳葉梢渦空泡的強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)烈度增加。

圖4 槳葉片空泡Fig.4 Sheet cavitation on propeller blade

圖5 螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)Fig.5 Bursting of tip vortex cavitation

3 脈動壓力和振動特性

圖6-8分別為轉(zhuǎn)速64 r/min、80 r/min和95 r/min工況下的脈動壓力和振動加速度測量結(jié)果。轉(zhuǎn)速為64 r/min 時（圖6），螺旋槳槳葉葉背片空泡尚未產(chǎn)生，脈動壓力主要由于槳葉運(yùn)動而產(chǎn)生，幅值很?。ㄒ浑A葉頻幅值小于0.5 kPa）。由于梢渦空泡誘導(dǎo)的脈動壓力二階葉頻量的特征也明顯（達(dá)到一階葉頻的2/3)。由梢渦空泡猝發(fā)誘發(fā)的脈動壓力寬帶譜特性也明顯，振動加速度則明顯表現(xiàn)出高階的寬帶譜特性。轉(zhuǎn)速為80 r/min（圖7），槳葉片空泡使得空泡誘導(dǎo)脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（1 kPa），梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)強(qiáng)度增加引起脈動壓力的二階葉頻及更高階葉頻（四階、五階）的幅值明顯增加；梢渦空泡和梢渦空泡猝發(fā)引起的船體振動具有明顯的葉頻高階量特性以及寬帶譜特性。轉(zhuǎn)速為95 r/min 時（圖8），槳葉片空泡區(qū)域的進(jìn)一步增加使得空泡誘導(dǎo)脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（2.5 kPa），梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)強(qiáng)度增加引起脈動壓力的二階葉頻及更高階葉頻（三階、四階）的幅值明顯增加；梢渦空泡和梢渦空泡猝發(fā)引起的船體振動具有明顯的葉頻高階量（二階、三階、四階）特性，寬帶譜特性不再明顯。

圖6 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=64 r/min）Fig.6 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 64 r/min)

圖7 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=80 r/min）Fig.7 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 80 r/min)

圖8 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=95r/min）Fig.8 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 95 r/min)

4 結(jié) 論

為了盡快彌補(bǔ)在實(shí)船空泡研究方面的空缺，我們開發(fā)了實(shí)船螺旋槳空泡測試技術(shù)并在實(shí)船上得到了成功應(yīng)用。在國內(nèi)首次建立了螺旋槳實(shí)船空泡觀測方法，使用該方法可以清楚地觀測和記錄螺旋槳槳葉空泡的形態(tài)和變化過程，為螺旋槳空泡特性以及由空泡引起的諸如噪聲、振動、剝蝕等特性的研究提供了相應(yīng)的手段。

通過對螺旋槳槳葉片空泡、梢渦空泡發(fā)展以及梢渦空泡猝發(fā)特性與船體空泡誘導(dǎo)的脈動壓力、船體振動等特性的分析和研究可以得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)螺旋槳槳葉片空泡沒有使脈動壓力一階葉頻量明顯增大時螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)會引起船體振動的寬帶譜表現(xiàn)明顯；

（2）螺旋槳空泡引起的船體振動主要表現(xiàn)在二階葉頻以上的頻段，甚至到五階葉頻以上，主要由螺旋槳梢渦空泡以及梢渦空泡的猝發(fā)引起；

（3）隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，槳葉片空泡增加，梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)，梢渦空泡猝發(fā)更為強(qiáng)烈，脈動壓力高階量增加，并誘發(fā)船體振動高階量增強(qiáng)，這時會引起船體的劇烈振動。