徐佩， 郭春雨， 王超， 李鵬

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著溫室效應(yīng)的加劇，全球氣候變暖，極地冰雪融化加速，北極在地緣戰(zhàn)略、自然資源、航運(yùn)及科研方面的價(jià)值日益凸顯，而冰區(qū)船舶在其中的作用也越來(lái)越明顯。推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶動(dòng)力核心部分，其開(kāi)發(fā)和研究需要得到更多關(guān)注。而吊艙推進(jìn)器具有優(yōu)于常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了極地船舶的機(jī)動(dòng)性和操縱性，是極地船舶廣泛采用的推進(jìn)形式。當(dāng)極地船舶航行于有冰海域時(shí)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致碎冰沿著船體滑行至吊艙推進(jìn)器附近的流場(chǎng)中，使吊艙推進(jìn)器前流場(chǎng)的不均性進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重影響了吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力載荷，甚至產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲和空泡等問(wèn)題[1]。因此，開(kāi)展冰區(qū)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究對(duì)其設(shè)計(jì)和研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

國(guó)外在冰區(qū)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力載荷研究方面起步較早，掌握了較為全面的規(guī)律和機(jī)理。在理論研究方面，Liu等[2-3]利用面元法對(duì)固定尺寸的冰在阻塞狀態(tài)下吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力載荷進(jìn)行了預(yù)報(bào)。王國(guó)亮[4]利用面元法對(duì)不同尺寸的冰在阻塞狀態(tài)下螺旋槳的水動(dòng)力載荷進(jìn)行了預(yù)報(bào)，但未從機(jī)理上對(duì)宏觀力的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，且選擇的冰尺寸范圍較小。在數(shù)值模擬方面：郭春雨等[5]基于CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)固定尺寸的冰在不同冰槳間距時(shí)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)其水動(dòng)力載荷、壓力及流場(chǎng)進(jìn)行了分析。在試驗(yàn)研究方面： Doucet[6]、Walker[7]、Atlar[8]和Sampson[9]等在拖曳水池、空泡水筒中開(kāi)展了螺旋槳在均勻流和阻塞流中的模型試驗(yàn)研究，測(cè)量了不同冰槳間距、冰推送速度、阻塞高度、空泡數(shù)時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能的變化，但冰的幾何尺寸范圍選擇較小。

目前，在冰-吊艙推進(jìn)器干擾問(wèn)題的研究過(guò)程中，僅僅針對(duì)固定尺寸或者小范圍尺寸變化的冰開(kāi)展了冰對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能影響的理論研究、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究，對(duì)于多種不同尺寸的冰與吊艙推進(jìn)器的相互干擾還沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的分析?；诖?，本文利用STAR-CCM+軟件，基于RANS方法，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)合SSTk-ω湍流模型對(duì)不同尺寸的冰在阻塞狀態(tài)下吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 冰-吊艙推進(jìn)器干擾計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型建立

在模型建立過(guò)程中，吊艙推進(jìn)器的主要幾何參數(shù)如文獻(xiàn)[5]所示。圖1給出了數(shù)值計(jì)算時(shí)的慣性坐標(biāo)系和計(jì)算模型，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于槳盤(pán)面中心，x軸指向來(lái)流方向并與螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸重合，z軸豎直向上，y軸由右手定則確定。

圖1 慣性坐標(biāo)系Fig.1 Inertial coordinate system

1.2 計(jì)算流域及網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬過(guò)程中，建立了假定無(wú)限大的外流場(chǎng)區(qū)域，并認(rèn)為其邊界對(duì)吊艙推進(jìn)器沒(méi)有影響，該區(qū)域簡(jiǎn)稱外流域。外流場(chǎng)區(qū)域包含2個(gè)子計(jì)算區(qū)域，一個(gè)子區(qū)域是將冰包裹其中的冰流域，另一個(gè)子區(qū)域是將螺旋槳包裹其中的旋轉(zhuǎn)域，冰流域與旋轉(zhuǎn)域有部分區(qū)域相互重疊。此外，吊艙單元表面共生成了10層棱柱網(wǎng)格，y+是第一層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無(wú)量綱距離，y+取30，網(wǎng)格劃分形式如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid

1.3 計(jì)算工況設(shè)置

在極地環(huán)境中冰的形狀多種多樣，為了便于探究干擾機(jī)理，根據(jù)ABS規(guī)范[10]和文獻(xiàn)[4-9]中冰塊形狀，本文對(duì)冰塊形狀進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用長(zhǎng)方體的冰進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，冰的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別用符號(hào)L、B和H表示，如圖3所示，冰軸向位置為X=R/2[5]，上表面位置為h=1.1R，時(shí)間步長(zhǎng)為螺旋槳旋轉(zhuǎn)1°時(shí)所使用的時(shí)間(n=600 r/min)。

圖3 冰的幾何尺寸及相對(duì)位置Fig.3 Geometric size of ice and its location relative to propeller

在冰尺寸變化過(guò)程中，當(dāng)冰長(zhǎng)度變化時(shí)，近槳冰面的位置不變，遠(yuǎn)槳冰面的位置發(fā)生變化。當(dāng)冰寬度變化時(shí)，冰的寬度沿著螺旋槳軸線向兩側(cè)增加或者減少。當(dāng)冰厚度變化時(shí)，冰的上表面位置保持不變，下表面變化，其中，冰尺寸參數(shù)如表1所示。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)螺旋槳的推力和扭矩進(jìn)行了無(wú)量綱化，無(wú)量綱系數(shù)定義為：

(1)

式中：V是來(lái)流速度；D是螺旋槳直徑；J是進(jìn)速系數(shù)；n是螺旋槳轉(zhuǎn)速；T和Q是螺旋槳推力和扭矩；Kt和Kq是螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)。

表1 冰的尺寸參數(shù)Table 1 Dimensional parameters of ice

2 計(jì)算結(jié)果與分析

首先，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)吊艙推進(jìn)器敞水工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量為822萬(wàn)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 吊艙推進(jìn)器中螺旋槳實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值計(jì)算值對(duì)比分析Fig.4 Comparison of CFD and EFD results for propeller of podded propulsor

由圖4可知，CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值[11]吻合較好，計(jì)算誤差在5%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文使用方法的可靠性。

在吊艙推進(jìn)器敞水工況的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了冰-吊艙推進(jìn)器干擾狀態(tài)的數(shù)值模擬，對(duì)冰-吊艙推進(jìn)器計(jì)算模型的網(wǎng)格收斂性進(jìn)行分析。其中，冰的尺寸為(5R/3)×(5R/3)×(R/3)，軸向和徑向位置為X=R/2和h=1.1R,進(jìn)速系數(shù)J=0.3和J=0.7，以3套網(wǎng)格為基礎(chǔ)計(jì)算的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)如表2所示。

表2 冰-吊艙推進(jìn)器數(shù)值模擬過(guò)程中網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在冰-吊艙推進(jìn)器數(shù)值模擬的過(guò)程中，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到938萬(wàn)時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的變化較小。因此，為了提高計(jì)算精度且避免計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以敞水工況時(shí)822萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量為基礎(chǔ)，開(kāi)展不同尺寸的冰-吊艙推進(jìn)器相互干擾的數(shù)值模擬。

2.1 不同長(zhǎng)度的冰時(shí)吊艙推進(jìn)器非定常特性分析

保持冰寬度和厚度不變的情況下，模擬了4種不同長(zhǎng)度的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生阻塞影響時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能的變化，其中，冰的寬度和厚度為B=5R/3和H=2R/3，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=4R/3，5R/3，2R和7R/3，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種不同長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力載荷的影響Fig.5 Influence of four different ice lengths on propeller hydrodynamic load

由圖5可知，在整個(gè)進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)，冰長(zhǎng)度的變化對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響較小，主要原因可分為2個(gè)方面：一方面是冰對(duì)螺旋槳的阻塞面積未改變，使槳前軸向來(lái)流速度的變化范圍較??；另一方面是冰的長(zhǎng)度大于冰頂部和底部回流區(qū)的長(zhǎng)度[12]，冰長(zhǎng)度變化對(duì)螺旋槳前流場(chǎng)的影響較小，故螺旋槳推力和扭矩不變。

為了進(jìn)一步分析多種長(zhǎng)度的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器的影響，以J=0.3和J=0.7為例，進(jìn)行多種長(zhǎng)度的冰與吊艙推進(jìn)器相互干擾的數(shù)值模擬，其中，冰長(zhǎng)度的變化如表1所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 多種長(zhǎng)度的冰時(shí)螺旋槳水動(dòng)力載荷的變化Fig.6 Variation of propeller hydrodynamic load with ice lengths

由圖6(a)可知，當(dāng)J=0.3時(shí)，除長(zhǎng)度為L(zhǎng)=R/24的冰外，其他長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響基本不變。當(dāng)J=0.7時(shí)，不同長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響逐漸產(chǎn)生差異。當(dāng)L≤R時(shí)，冰的長(zhǎng)度越短，對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響越大。當(dāng)R

為了分析不同長(zhǎng)度冰的回流區(qū)對(duì)螺旋槳流場(chǎng)的影響，列舉了J=0.3，L=R/24，2R/3，R和4R/3時(shí)冰槳之間x-z平面內(nèi)的軸向速度云圖，如圖7所示。

圖7 冰槳之間的軸向速度云圖Fig.7 Axial velocity contour of the between ice and propeller

由圖7(a)可知，L=R/24的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生阻塞影響時(shí)，槳葉導(dǎo)邊附近來(lái)流速度減小，并形成明顯的低速區(qū)，誘導(dǎo)速度出現(xiàn)負(fù)值。低速區(qū)下端冰和槳葉之間的軸向來(lái)流速度增加，速度等值線較密，且冰底部的回流區(qū)對(duì)螺旋槳前流場(chǎng)的影響范圍較大。當(dāng)L=2R/3，R，4R/3的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生阻塞影響時(shí)，冰槳之間速度等值線的變化趨勢(shì)、高速區(qū)和低速區(qū)的分布規(guī)律都基本相同，故3種不同長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響也相同。與L=R/24的冰相比，冰和螺旋槳之間的速度等值線變疏，導(dǎo)邊附近低速區(qū)的范圍變小，速度值也減小，故L=R/24的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器的影響較大。

以槳盤(pán)面處軸向來(lái)流速度為研究對(duì)象，分析不同長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳槳盤(pán)面處軸向速度的影響，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同長(zhǎng)度的冰對(duì)螺旋槳盤(pán)面處軸向速度的影響Fig.8 Axial velocity contours at propeller disk for ice with different lengths

由圖8(a)可知，由于冰的阻塞作用，槳盤(pán)面處冰后阻塞區(qū)域內(nèi)形成明顯的低速區(qū)，軸向來(lái)流速度減小，故螺旋槳推力和扭矩增加。L=R/24的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生阻塞影響時(shí)阻塞區(qū)域內(nèi)低速度區(qū)的范圍比其他3種長(zhǎng)度的冰產(chǎn)生阻塞影響時(shí)低速度區(qū)的范圍略有增加。而L=2R/3，R，4R/3的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生阻塞影響時(shí)，槳盤(pán)面處低速區(qū)的范圍基本一致，對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響也相同。在圖8(b)中，當(dāng)L=R/24時(shí)，阻塞區(qū)域內(nèi)葉梢處附近形成明顯的低速區(qū)，且低速區(qū)范圍最大。隨著冰長(zhǎng)度的增加，槳盤(pán)面處阻塞區(qū)域內(nèi)無(wú)因次速度越來(lái)越大，即冰頂部和底部的回流區(qū)的影響范圍越小，冰對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響也越小，與圖6中螺旋槳推力和扭矩及圖7中軸向速度的變化相一致。

2.2 不同寬度的冰時(shí)吊艙推進(jìn)器非定常特性分析

保持冰長(zhǎng)度和厚度不變的情況下，模擬了4種不同寬度的冰在不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能的變化，其中冰的長(zhǎng)度和厚度分別為L(zhǎng)=5R/3和H=2R/3，寬度為B=2R/3，4R/3，2R，7R/3，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 4種不同寬度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力載荷的影響Fig.9 Influence of four different ice widths on propeller hydrodynamic load

在圖9中，當(dāng)2R/3≤B≤2R時(shí)，冰的寬度越寬，對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響越大，其增加的主要原因是隨著冰寬度的增加，螺旋槳前阻塞區(qū)域面積增加，使軸向來(lái)流速度減小的范圍增大，螺旋槳呈現(xiàn)出局部進(jìn)速系數(shù)減小的狀態(tài)，故螺旋槳推力和扭矩增加。當(dāng)2R

為了進(jìn)一步分析冰的寬度在槳盤(pán)面內(nèi)和槳盤(pán)面外變化對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響，進(jìn)行了多種寬度的冰與吊艙推進(jìn)器相互干擾的數(shù)值模擬，以J=0.3和J=0.7為例，冰寬度的變化如表1所示，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 多種寬度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力載荷的影響Fig.10 Influence of propeller hydrodynamic load with different ice widths

由圖10可知，當(dāng)J=0.3和J=0.7，B<2R時(shí)，冰的寬度越寬，對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響越大，且螺旋槳推力和扭矩呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)。當(dāng)2R≤B時(shí)，隨著冰寬度的增加，螺旋槳推力和扭矩逐漸趨于穩(wěn)定，螺旋槳推力和扭矩不繼續(xù)增加的主要原因是當(dāng)冰的寬度大于螺旋槳直徑時(shí)，隨著冰寬度的增加，螺旋槳前阻塞區(qū)域的面積也在增加，但增加的寬度在槳盤(pán)面以外區(qū)域，對(duì)螺旋槳前流場(chǎng)的影響較小，故螺旋槳推力和扭矩逐漸趨于穩(wěn)定。

以槳盤(pán)面處軸向來(lái)流速度為研究對(duì)象，分析不同寬度的冰對(duì)螺旋槳槳盤(pán)面處軸向速度的影響，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 4種不同寬度的冰時(shí)槳盤(pán)面處軸向速度云圖Fig.11 Axial velocity contours at propeller disk for ice with four different widths

在圖11(a)中，當(dāng)冰的寬度在槳盤(pán)面內(nèi)變化時(shí)，隨著冰寬度的增加，阻塞區(qū)域內(nèi)葉梢處低速區(qū)的范圍越大，且朝槳葉旋轉(zhuǎn)的相反方向蔓延。同時(shí)，旋出阻塞區(qū)域槳葉葉背上的高速區(qū)也逐漸增加，故螺旋槳推力和扭矩逐漸增加。當(dāng)B=2R時(shí)，阻塞區(qū)域內(nèi)的低速區(qū)在周向上朝兩側(cè)延伸，在徑向上向槳盤(pán)面以外區(qū)域延伸。當(dāng)B=7R/3時(shí)，阻塞區(qū)域內(nèi)的低速區(qū)有向槳盤(pán)面以外區(qū)域增加的趨勢(shì)，對(duì)槳盤(pán)面內(nèi)軸向速度的影響與B=2R時(shí)相同，所以，冰的寬度在槳盤(pán)面以外區(qū)域增加時(shí)，螺旋槳推力和扭矩逐漸趨于穩(wěn)定，與圖10中推力和扭矩的變化趨勢(shì)相同。當(dāng)J=0.7時(shí)，如圖11(b)所示，阻塞區(qū)域內(nèi)低速區(qū)的變化趨勢(shì)與低進(jìn)速系數(shù)時(shí)相同，不同點(diǎn)在于高進(jìn)速系數(shù)時(shí)，阻塞區(qū)域影響范圍更大，速度等值線更密。

2.3 不同厚度的冰時(shí)吊艙推進(jìn)器非定常特性分析

保持冰長(zhǎng)度和寬度不變的情況下，模擬了4種不同厚度的冰對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響，其中，冰的長(zhǎng)度和寬度為L(zhǎng)=5R/3和B=5R/3，厚度為H=R/3，2R/3，4R/3，2R，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在相同進(jìn)速系數(shù)時(shí)，隨著冰厚度的增加，螺旋槳推力和扭矩越大，主要原因是隨著冰厚度的增加，冰對(duì)螺旋槳的阻塞面積增加，螺旋槳前來(lái)流速度減少的范圍越大，螺旋槳出現(xiàn)低進(jìn)速系數(shù)的情況越明顯，故螺旋槳推力和扭矩增加。當(dāng)H≤4R/3時(shí)，螺旋槳推力和扭矩隨進(jìn)速系數(shù)的增加呈現(xiàn)出線性減少的趨勢(shì)。而H=2R時(shí)，螺旋槳推力和扭矩隨進(jìn)速系數(shù)的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，增加的主要原因是當(dāng)H=2R時(shí)，螺旋槳的4個(gè)槳葉完全位于冰后阻塞區(qū)域內(nèi)，隨著來(lái)流速度的增加，冰的阻塞現(xiàn)象越明顯，阻塞區(qū)域內(nèi)低速區(qū)的范圍也越大，故螺旋槳推力和扭矩增加。

此外，考慮到船舶艉部破冰過(guò)程中冰的厚度在槳盤(pán)面以外區(qū)域仍有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，故以J=0.3和J=0.7為例，分析了多種不同厚度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響，其中，冰厚度的變化如表1所示，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖12 4種不同厚度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力載荷的影響Fig.12 Influence of four different ice thicknesses on propeller hydrodynamic load

圖13 多種厚度的冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力載荷的影響Fig.13 Influence of propeller hydrodynamic load with different ice thicknesses

由圖13可知，在相同進(jìn)速系數(shù)時(shí)，隨著冰厚度的增加，螺旋槳推力和扭矩逐漸增加。當(dāng)H<2R時(shí)，冰的厚度越厚，對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響越大，且螺旋槳推力和扭矩呈線性增加的趨勢(shì)。當(dāng)2R≤H時(shí)，冰的厚度在槳盤(pán)面以外區(qū)域增加，螺旋槳推力和扭矩緩慢增加，與冰的寬度在槳盤(pán)面以外區(qū)域增加時(shí)螺旋槳推力和扭矩的變化趨勢(shì)不同。當(dāng)冰的厚度在槳盤(pán)面以外區(qū)域繼續(xù)增加時(shí)，螺旋槳推力和扭矩增加的原因是冰的厚度大于螺旋槳直徑，槳葉全部位于冰后阻塞區(qū)，槳葉正前方的軸向來(lái)流被完全阻擋，但軸向來(lái)流仍然是螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中抽吸作用下的主要來(lái)流，所以，當(dāng)冰的厚度在槳盤(pán)面以外區(qū)域增加時(shí)對(duì)軸向來(lái)流速度仍產(chǎn)生阻塞影響，故螺旋槳推力和扭矩增加。

以槳盤(pán)面處軸向來(lái)流速度為研究對(duì)象，分析不同厚度的冰對(duì)螺旋槳槳盤(pán)面處軸向速度的影響，分析結(jié)果如圖14所示。

在圖14(a)中，當(dāng)J=0.3時(shí)，隨著冰厚度的增加，冰后阻塞區(qū)域內(nèi)葉梢處低速區(qū)的范圍逐漸增加，且向周向和徑向2個(gè)方向延伸。當(dāng)H<2R時(shí)，整個(gè)槳盤(pán)面沒(méi)有被冰完全阻塞，阻塞區(qū)域內(nèi)速度等值線逐漸加密，而非阻塞區(qū)域內(nèi)速度分布與敞水工況時(shí)相似，槳葉葉梢處形成封閉的低速區(qū)，在槳葉葉背處形成高速區(qū)。當(dāng)H=2R時(shí)，螺旋槳4個(gè)槳葉葉梢處都出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，且上端槳葉葉梢處的低速區(qū)范圍明顯大于底部槳葉葉梢處的低速區(qū)范圍。隨著冰厚度的增加，當(dāng)H=7R/3時(shí)，槳盤(pán)面內(nèi)槳葉葉梢處低速區(qū)的范圍都發(fā)生了改變，上端左側(cè)槳葉葉梢處的低速區(qū)范圍減小，而右側(cè)槳葉葉梢處的低速區(qū)范圍增加。同時(shí)，槳盤(pán)面內(nèi)底部槳葉葉梢處的低速區(qū)的范圍沿周向和徑向延伸，且變化范圍較大。此外，槳盤(pán)面處低速區(qū)范圍的增加必定會(huì)加速槳葉上空泡的產(chǎn)生，由此可以判斷出船舶在艉部破冰過(guò)程中冰對(duì)螺旋槳槳葉剝蝕的影響較大。當(dāng)J=0.7時(shí)，如圖14(b)所示，槳盤(pán)面處軸向速度隨冰厚度的變化趨勢(shì)與J=0.3時(shí)基本相同。因此，可以判斷出，隨著冰厚度的增加，螺旋槳推力和扭矩不斷增加。

圖14 4種不同厚度的冰時(shí)槳盤(pán)面處軸向速度云圖Fig.14 Axial velocity contours at propeller disk for ice with four different thicknesses

3 結(jié)論

1)本文采用基于重疊網(wǎng)格技術(shù)的粘流方法計(jì)算得到的數(shù)值模擬結(jié)果與吊艙推進(jìn)器敞水工況時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，計(jì)算誤差在5%范圍內(nèi)，同時(shí)，對(duì)求解冰-吊艙推進(jìn)器的干擾問(wèn)題也具有較好的應(yīng)用性和可靠性。

2)不同長(zhǎng)度的冰與吊艙推進(jìn)器相互干擾時(shí)，冰對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響與冰的長(zhǎng)度和來(lái)流速度有關(guān)。冰的長(zhǎng)度大于螺旋槳半徑時(shí)，冰長(zhǎng)度的變化對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響幾乎不變。冰的長(zhǎng)度小于螺旋槳半徑時(shí)，冰長(zhǎng)度的變化對(duì)螺旋槳推力和扭矩的影響與來(lái)流速度有關(guān)。

3)冰的寬度在槳盤(pán)面內(nèi)變化時(shí)，隨著冰寬度的增加，螺旋槳推力和扭矩呈線性增加的趨勢(shì)。冰的寬度在槳盤(pán)面以外區(qū)域變化時(shí)，隨著冰寬度的增加，螺旋槳推力和扭矩逐漸趨于穩(wěn)定。

4)冰的厚度在槳盤(pán)面內(nèi)增加時(shí)，螺旋槳推力和扭矩呈線性增加的趨勢(shì)。在槳盤(pán)面以外區(qū)域增加時(shí)，螺旋槳推力和扭矩繼續(xù)增加。當(dāng)冰的厚度大于螺旋槳直徑時(shí)，槳葉空泡現(xiàn)象必然加劇，因此，艉部破冰船舶推進(jìn)器設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注空泡的問(wèn)題。

在未來(lái)工作中，將會(huì)系統(tǒng)地開(kāi)展不同尺寸的冰與多工況吊艙推進(jìn)器相互作用的理論和試驗(yàn)研究，更加全面地揭示冰-吊艙推進(jìn)器的干擾特性。