自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.262

自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响

王超, 刘正, 李兴, 汪春辉^,, 徐佩

哈尔滨工程大学船舶工程学院, 哈尔滨 150001

Influence of Free-State Ice Size and Initial Position on Coupled Hydrodynamic Performance of Ice Propeller

WANG Chao, LIU Zheng, LI Xing, WANG Chunhui^,, XU Pei

College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

通讯作者: 汪春辉,女,副教授,电话(Tel.):0451-82568486; E-mail:chunhui_wang@hrbeu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2019-09-17

基金资助:

国家自然科学基金(51679052)
国家自然科学基金(51809055)
国家自然科学基金(51909043)
中国博士后科学基金(2019M651266)
中国博士后科学基金(2020M681082)
装备预研领域基金(JZX7Y20190247022501)

Received: 2019-09-17

作者简介 About authors

王超(1981-),男,安徽省砀山县人,副教授,博士生导师,主要研究方向为舰舶推进与节能技术、冰区船舶航行性能预报及其分析技术

摘要

为了模拟无约束状态下自由运动冰块对螺旋桨水动力性能的影响,文章使用重叠网格方法建立了冰桨相互作用的非接触模型.计算中采用六面体网格对计算域进行网格划分,然后使用动态流体-固体相互作用方法来模拟螺旋桨抽吸作用下的冰块的运动,经与冰桨作用下冰块运动轨迹实验结果的比对,证实文章方法的准确性.通过对不同大小的冰块、冰块的初始径向位置、初始轴向位置等参数变化下的螺旋桨水动力性能计算结果分析,得知:运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区.冰块大小会直接影响螺旋桨水动力性能,大尺寸的冰块在接近螺旋桨时阻塞效应比小尺度冰块更大,对螺旋桨的水动力性能影响更显著.

关键词： 冰桨相互作用; 碎冰; 自由运动; 数值模拟

Abstract

In order to simulate the effect of free-moving ice on the hydrodynamic performance of the propeller, a non-contact model of ice-impeller interaction was established by using the overlapping grid method. In the calculation process, the hexahedral mesh was used to conduct mesh division of the computational domain, and the dynamic fluid body interaction (DFBI) method was used to simulate the motion of ice blocks under the propeller suction effect. The accuracy of the numerical method is verified by the experimental study on the action of the ice under the influence of the ice propeller. On this basis, the influences of different parameters such as ice size, the initial radial position of ice, and the initial axial position on the hydrodynamic performance of the propeller are obtained. The results show that there are a certain accelerating area and a certain blocking area behind the moving ice block. The size of ice block has a direct influence on the hydrodynamic performance of the propeller.

Keywords： ice-propeller interaction; brushed ice; free movement; numerical simulation

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本文引用格式

王超, 刘正, 李兴, 汪春辉, 徐佩. 自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2021, 55(8): 990-1000 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.262

WANG Chao, LIU Zheng, LI Xing, WANG Chunhui, XU Pei. Influence of Free-State Ice Size and Initial Position on Coupled Hydrodynamic Performance of Ice Propeller[J]. Journal of shanghai Jiaotong University, 2021, 55(8): 990-1000 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.262

船舶在碎冰水域航行或者破冰航行时,船尾螺旋桨在高速旋转状态下会形成低压区,由于这种吸力,即使在水下冰块也很容易被卷入到船体尾部区域与螺旋桨产生碰撞或相互干扰^[1].并且碎冰在船首很容易被压入船底并沿船底部滑行至船尾部与螺旋桨产生阻塞和碰撞等形式的干扰,导致螺旋桨所受载荷远大于敞水工况^[2].螺旋桨在旋转过程中会受到自由运动冰块的流场影响,会产生明显的不均匀脉动载荷,这对螺旋桨的空泡、噪声、振动等水动力问题的影响都较大^[3],这种影响与冰块自身的形状、大小、位置以及水流速度都息息相关.对于冰桨非接触干扰,国内外有很多学者都开展了这方面的研究.王国亮^[4]应用以计算流体力学(CFD)技术为基础,应用重叠网格技术,建立了模拟黏性流场中冰桨相互作用问题的数值方法.孙盛夏^[5]应用 FLUENT 软件建立黏性流场中冰阻塞问题的数值模拟方法,并对冰阻塞工况下的冰级螺旋桨诱导激振力进行数值预报.徐佩^[6]用CFD-DEM 方法开展了螺旋桨-碎冰-水耦合作用下的数值模拟,并对冰-桨-水相互作用进行了研究.Shih等^[7]通过2D面元法计算冰阻塞下螺旋桨的水动力性能,其计算结果表明阻塞工况下螺旋桨叶元体的最大升力系数和最大阻力系数都会大大增加,能够达到敞水工况的5.78倍.Yamaguchi^[8]推导了改进的升力面方法,通过实践计算认为该方法能够适用于冰桨非接触工况下螺旋桨的水动力性能.Bose^[9]通过3D非定常边界元法模拟了冰桨非接触过程中阻塞流下螺旋桨的水动力性能,并且对比分析了3D面元法的计算结果和Luznik等^[10]做的试验结果,发现冰桨非接触工况下螺旋桨水动力性能受冰桨间距影响较大.Walker^[11]指出,冰桨干扰载荷分为接触载荷和非接触载荷,并且认为当螺旋桨在碎冰后方的尾流场中运转时,其产生的非接触载荷会达到和接触载荷相同的量级,特别是对导管桨而言,复杂的尾流环境更容易引起空化.Veitch^[12]针对于船舶大侧斜桨与水下冰块的相互作用关系建立了一种新的模型,这种模型可用于计算冰桨接触工况下螺旋桨的表面应力与冰块运动.Liu等^[13]基于3D边界元法,开发了相应的计算程序PROPELLA,并在该程序的基础上添加了冰块的输入模块,在计算过程中,作者选用了3种形状的冰块来计算冰阻塞工况下的螺旋桨性能变化,通过对比发现其数值结果和试验结果具有较好的吻合性.随后Liu等^[14]以改进的3D面元法程序为对破冰螺旋桨进行了设计研究,改进程序能够极大帮助提高螺旋桨设计过程.叶礼裕等^[15]针对冰桨接触过程中螺旋桨可能会受到极端冰载荷的作用,基于近场动力学及其接触判别理论,提出了冰桨接触数值预报方法,对冰桨接触载荷进行了研究.王超等^[16]在循环水槽中搭建冰桨干扰试验平台,研究了冰桨相互干扰下的水动力载荷.

综上,目前绝大多数研究都将冰块运动固定或者是做一定的简化,这种简化与真实情况都存在着较大的差异,工程应用的意义偏弱.也正是基于这种考虑,文章将开展自由状态冰对螺旋桨水动力性能影响研究,计算分析不同冰块大小、冰块的初始径向位置、初始的轴向位置等参数的变化对螺旋桨水动力性能的影响;并且挑选相应的典型工况,进行不同冰厚、不同时刻下冰桨耦合作用力及流场分析.

1 基础理论和计算模型

1.1 控制方程

CFD计算流体力学软件主要的思路是结合数值计算和计算机显示来模拟反映出流体的科学^[17].目前此类商用软件较多,本文采用STAR-CCM+软件进行相关问题的计算.CFD求解的方法是用一系列的有限个离散的点所组成的变量去代替空间上和时间上连续的物理场,如速度、压力等,然后求解这些离散的点所组成的一系列偏微分方程,得到相应的速度、压力等所需的物理量.计算流体力学中对于不可压缩的牛顿流体需要满足连续性方程和动量守恒方程如下:

(1)

ρ / \partial t + \partial u_{i} / \partial x_{i} = 0

(2)

\frac{\partial ρ u_{i}}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i} u_{j})}{\partial x_{j}} = - \frac{\partial p_{1}}{\partial x_{j}} + \frac{\partial}{\partial x_{j}} (μ \frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}} - ρ \overset{'_{i}}{u}) + S_{j}

式中: $u_{i} 和 u_{j} 分别为速度的分量形式; p_{1} 为静水压力; ρ 为流体密度; μ 为动力黏性系数; ρ \overset{'_{i}}{u} 为雷诺应力项; S_{j}$ 为动量方程的广义源项.湍流模型采用SST k-ω模型.

1.2 标准k-w模型

$标准的两方程在求解过程中需要对两个位置参数进行求解,这种方式的实用性高并且应用范围较广,精度也比较高等,目前,标准 k-ω模型在计算流体力学处理湍流问题中得到了很广泛的应用.但是标准k-ω模型也有一定的局限性,其只对于完全的湍流模拟较为准确,其他的准确性则较差.在标准k-ω模型中k 表示湍流脉动动能, ε 则表示湍流脉动动能耗散率 . k 的值在一定程度上表征了湍流时间尺度和脉动长度的大小, 而 ε 表征了湍动长度和时间的倒数, k 和 ε 是衡量湍流流动的两个非常重要的参数 . 在标准的 k - ε 模型方程中, k 和 ε$ 是未知的量,在方程中反映如下:

(3)

\frac{\partial (ρk)}{\partial t} + \frac{\partial (ρk u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + G_{k} + G_{b} - ρε - Y_{M} + S_{k}

(4)

\frac{\partial (ρε)}{\partial t} + \frac{\partial (ρε u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + C_{1 ε} \frac{ε}{k} (G_{k} + C_{3 ε} G_{b}) - C_{2 ε} ρ \frac{ε^{2}}{k} + S_{ε}

(5)

μ_{t} = ρ C_{μ} \frac{k^{2}}{ε}

${式中:G}_{k} 为 k 诱导的平均速度梯度项; G_{b} 为浮力作用引起的 k 的产生项; Y_{M} 为可压湍流中脉动扩张的贡献量; σ_{k}, σ_{ε} 分别为与 k 和 ε 对应的普朗特数; S_{k}, S_{ε} 为用户定义的源项; μ_{t} 为湍流速度; C_{1 ε}, C_{2 ε}, C_{3 ε} 和 C_{μ}$ 为经验常数.

在计算中,ε被定义为

(6)

\begin{matrix} ε = \frac{μ}{ρ} \overset{\frac{\partial u'_{i}}{\partial x_{k}}}{\frac{\partial u'_{i}}{\partial x_{k}}} \end{matrix}

1.3 动态流体-固体相互作用

动态流体-固体相互作用(Dynamic Fluid Body Interaction)简称为DFBI.当物体在流体中运动时,该模型能够监测出物体受到流体作用力而产生的运动状态.对于DFBI模型,影响其求解结果的因素有很多,主要包括物体自身的物理量,如:质量、惯性力矩;软件自身计算误差,如:通过积分流体压力而产生的力;人为因素,如:自定义的力和力矩.缆绳、弹簧这样的体耦合产生的作用力也会使其产生误差.DFBI运动的求解器是在全部6个自由度下进行计算的.在CFD软件STAR-CCM+中DFBI属性是模拟树中一个独立的输入窗口,在模拟计算时至少一个区域要被指派到DFBI对象中.针对在水中自由运动的冰块,其合力可以表示为

(7)

f = F_{r} (f_{p} + f_{τ} + f_{g} + \sum f_{ext})

(8)

n = F_{r} (n_{p} + n_{τ} + \sum n_{ext})

(9)

F_{r} = \{\begin{array}{l} 0, & t < t_{s} \\ \frac{t - t_{s}}{t_{r}}, & t_{s} \leq t < t_{s} + t_{r} \\ 1, & t_{s} + t_{r} \leq t \end{array}

${式中:F}_{r} 为一个阶越函数; f_{p} 与 n_{p} 分别表示作用于物体的力和力矩; f_{τ} 和 n_{τ} 分别为作用于物体的剪力和剪力矩; f_{g} 表示物体的重力; f_{ext} 与 n_{ext} 分别为物体所受其他外力以及力矩; t_{s} 为指定释放时间; t_{r}$ 为释放时间.

1.4 数学模型的建立及数值方法创新

在涉及到物体自由运动的求解计算中,重叠网格具有较大的优势.文章使用重叠网格以及DFBI模块实现冰块放开自由度,该数值方法的创新性在于能够实现模拟螺旋桨抽吸作用下的冰块的运动,冰块每次移动不需要重新生成网格,自动化程度高.目前该方法广泛用于放开自由度条件下物体的模拟.通常将整个计算域分成两个区域,即大域和旋转域.大域一般为一个较大的体,包含有速度进口、压力出口等基本边界条件;而旋转域一般是由和螺旋桨旋转轴同轴的圆柱体和螺旋桨表面组成.对于旋转的螺旋桨和运动的冰块,采用重叠网格可以有效地求解这种相对运动的问题.首先建立一个圆柱体为计算的大域,大域的中心位于坐标原点,直径为 $6 D, D 为螺旋桨直径, 大域前端设置为速度进口, 其距离原点的距离为 6 D, 后端为压力出口, 出口距离原点距离是 6 D . 在建立大域的同时, 在坐标中心建立一个旋转域, 旋转域由导入的螺旋桨表面与一个圆柱体组成, 圆柱的直径是 1.5 D, 前后表面以 yOz 平面对称, 各离坐标轴原点 0.5 D .$ 大域、旋转域以及冰块区域如图1所示.

图1

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图1 计算域划分图

Fig.1 Diagram of computational domain division

1.5 几何模型的建立

冰块模型采用规范中强度校核推荐使用的长×宽×高为H_ice×2H_ice×3H_ice的长方体,其中H_ice为冰块的厚度.螺旋桨采用ICEPROPELLER螺旋桨^[16],缩尺比为1∶20.1.0 m厚的冰块缩尺后尺寸为0.05 m×0.10 m×0.15 m,1.5 m厚的冰块缩尺后尺寸为0.075 m×0.150 m×0.225 m,同理2 m厚的冰缩尺后尺寸为0.1 m×0.2 m×0.3 m.计算使用的ICEPROPELLER螺旋桨主要参数如表1所示.在计算中,为获得流场的一个稳定的计算解,需要先对流场进行1 s的稳态计算,在此计算期间需要将冰块固定不动,流场稳定再释放冰块,在释放冰块的过程中调用DFBI模块,并将冰块的运动设定为自由运动.在释放之前需要建立一个局部坐标系,原点选在冰块的质心,坐标系和螺旋桨的坐标系一样遵从右手坐标系,冰桨局部坐标系、冰桨径向位置D_R与轴向位置D_A如图2所示.

表1 ICEPROPELLER主要参数

Tab.1 Main parameters of ICEPROPELLER

直径/m	叶数	螺距比	毂径比	盘面比	纵倾角/(°)
0.2	4	0.78	0.3	0.67	10

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图2

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图2 冰桨坐标系及其相对位置

Fig.2 Ice and propeller coordinate system and its relative position

冰块的转动惯量在很大程度上表征了冰块旋转的难易程度,所以模拟冰受力后的运动情况还需要设定冰块的转动惯量,因此要在CFD模拟之前将其设置好,转动惯量矩阵中各个变量的定义如下:

(10)

\begin{matrix} \begin{array}{l} M_{xx} = \int (y^{2} + z^{2}) d m \\ M_{yy} = \int (x^{2} + z^{2}) d m \\ M_{zz} = \int (x^{2} + y^{2}) d m \end{array}\} \end{matrix}

${式中:M}_{xx}, M_{yy}, M_{zz} 分别表示对 x, y, z 轴的转动惯量, 用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等物理量之间的关系, 表征物体旋转的状态以及难易程度; m$ 为冰块的质量.

1.6 网格划分

划分网格时对大域、旋转域以及冰块域都选用六面体网格,基于重叠网格可以很方便地模拟不同条件下冰桨干扰问题,而每次移动不需要重新生成网格,自动化程度高.模拟旋转域和冰块域的外表面的边界类型都设定为重叠网格,文章的计算案例中冰块一直在运动,考虑模拟冰块运动数据的准确性对冰块大致的运动区域网格进行一定的加密,冰块运动加密区为一个中心与坐标原点重合的圆柱体,该圆柱体能包住螺旋桨以及冰块运动区域,加密的截面图如图3(a)所示.冰块和螺旋桨之间需要对网格进行细化,因此需要对其表面选用更为精细的网格,除此之外,还需要对螺旋桨的导边以及随边进行网格的细化.螺旋桨以及冰块表面网格如图3(b)和3(c)所示.

图3

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图3 计算域截面和物体表面网格分布

Fig.3 Cross-section of calculation area and surface distribution of object surface

2 计算方法的验证

冰桨相互作用下冰块运动轨迹模型实验研究可更为直观地揭示冰桨相互作用过程中螺旋桨水动力载荷以及冰块运动轨迹的变化规律.同时模型实验方法也是冰桨相互作用问题理论预报及数值模拟方法研究的重要补充和准确性保证.模型实验方法需要满足相似准则主要包括几何相似、动力相似、弗劳德相似、黏性力相似.课题组基于满足实验雷诺数大于临界雷诺数以及弗劳德数相同的基础上.以冰块与螺旋桨统一缩尺比为1∶20在哈尔滨工程大学大型循环水槽(见图4)中,采用ICEPROPELLER桨模型系统地开展了冰桨作用下冰块运动轨迹实验研究,探讨了冰块运动轨迹对螺旋桨水动力载荷的影响规律,分析了在冰桨非接触的相互作用过程中进速系数及冰桨相对位置等因素对螺旋桨性能以及各水动力参数的影响,为冰区桨的理论预报及数值模拟方法的可行性和准确性提供验证和支撑作用.

图4

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图4 水平循环水槽

Fig.4 Horizontal circulation sink

为了验证数值计算方法,以实验来流速度为0.6 m/s,螺旋桨转速600 r/min,D_R=0.02 m, D_A=0.20 m, 模型冰尺寸为0.015 m×0.030 m×0.045 m为例进行冰块运动规律分析.实验开始放开固定装置冰块随水流一同运动直到与螺旋桨碰撞,高速摄像机在xOz平面内连续拍摄冰块运动整个过程,实验过程如图5所示.实验后期数据处理采用Photron FASTCAM Analysis软件处理.在实验和数值模拟过程中,由于桨毂较长,影响冰块在y方向上的测量,所以,本文仅在xOz平面内进行实验和数值模拟的冰块位置对比,如图6所示.

图5

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图5 冰桨作用下冰块运动轨迹实验

Fig.5 Ice trajectory experiment under the action of ice and propeller

图6

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图6 实验和数值模拟的冰块位置对比

Fig.6 Comparison of experimental and numerical simulations of ice positions

从图6中可以看出,随着轴向位置的增加z向位置均呈现上升趋势.在x方向0~0.05 m范围内,冰块在实验过程中属于初始释放时刻,来流速度和浮力对冰块的运动轨迹影响较大,使冰块的运动轨迹比较紊乱,实验值和数值结果误差偏大.待冰块运动稳定后,如图中x方向0.05~0.15 m范围内,冰块运动轨迹实验测量值与数值模拟值吻合较好,误差基本控制在5%以内.当x位置在0.15 m之后由于冰块距螺旋桨较近,数值模拟时冰块对流场的干扰较大导致计算误差较大,冰块的运动状态改变较大.在图中表现为冰块在z方向上位置的增加量变大,呈现陡增趋势,与实验值存在误差.但总体上该数值模拟的冰块运动轨迹结果可以采用.

综上所述,认为运用本次数值模拟手段可以较为真实地模拟自由状态冰对螺旋桨水动力性能的影响以及其周围流场情况.

3 计算结果及分析

选取冰的厚度分别为0.050, 0.075, 0.100 m.在计算的过程中,为保证进速系数不变将保持螺旋桨的转速和水流的进速不变,不同大小冰块中心释放的初始位置都是保持在(-0.5,0.1,0) m的位置上,不同大小的冰块的质量(m)和转动惯量都需要单独设置,具体的数值见表2.

表2 不同大小冰块对应的质量及惯性矩

Tab.2 Mass and moment of inertia corresponding to different sizes of ice

H_ice/m	m/kg	M_xx/(kg·m²)	M_yy/(kg·m²)	M_zz/(kg·m²)
0.050	0.675	7.03×10^-4	1.83×10^-3	1.41×10^-3
0.075	2.280	5.34×10^-3	1.39×10^-2	4.11×10^-2
0.100	5.400	2.25×10^-2	5.85×10^-2	4.50×10^-2

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3.1 冰块大小对螺旋桨水动力性能及流场的影响

图7给出了H_ice=0.050, 0.075, 0.100 m以及无冰时的螺旋桨推力系数和转矩系数曲线,其中:推力系数K_T和转矩系数10K_Q均为冰块未碰到螺旋桨时监测值.从中可以看出,冰块大小的不同对于螺旋桨水动力性能的影响也有很大的不同,当冰块较小(H_ice =0.050 m)时,总体来说螺旋桨的推力系数和转矩系数都会小于螺旋桨的敞水值,呈现出先增大后减小的趋势.当冰块的厚度增加到0.075 m或0.100 m时,螺旋桨的敞水性能随时间会出现较大的波动,先是小于敞水值,之后逐渐增大然后大于敞水值,运动到最后阶段会小于敞水值.出现这样的变化趋势的原因是由于在来流中运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区,这里所说的加速区是指流场速度会大于来流速度的区域,阻塞区是指流场速度会小于来流速度的区域.从图7还可得出随着冰块厚度的增加,螺旋桨的推力系数和转矩系数总体上呈现上升趋势,这是由于随着冰块大小的增加,冰块后方的阻塞区面积也会增加,阻塞区的增大会使的桨盘面处整体的来流速度减小,从而使螺旋桨的推力和转矩都变大.

图7

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图7 不同冰厚下螺旋桨K_T、10K_Q曲线

Fig.7 K_T and 10K_Q curves of propeller at different ice thicknesses

图8是不同厚度的冰块在t=1.3 s时运动到桨周围的yx剖面以及yz剖面流场图,图中v为沿着螺旋桨轴向的速度.从图中可以看出冰块正后方的区域是阻塞区,而冰块后方两侧某些区域是加速区.在冰块运动过程中,冰块会逐渐向螺旋桨移动.当冰块开始运动时,螺旋桨桨盘面大部分区域都是处于冰块后方的加速区,桨盘面的进速会比敞水工况的进速要大,因此其水动力性能会小于敞水值(见图7);当冰块与螺旋桨越来越接近时,桨盘面处的阻塞区面积会变大,桨盘面处进速会降低,这时螺旋桨的推力系数和转矩系数都会变大(见图7).由此可见桨盘面处的流场受运动的冰块影响较大,但是总的趋势还是先以加速区为主,后以阻塞区为主.从图8中还可看出随着冰块厚度的逐渐变大,冰块上下两侧以及后方的阻塞区也会逐渐变大.对螺旋桨上方的区域流场干扰较大.相反冰块的厚度越小,冰块上下两侧以及后方的阻塞区相对来说较小,对螺旋桨上部区域的干扰越小,在这种情况下冰况后方的低速区不容易影响到螺旋桨,因此可以看出较小的冰块对螺旋桨的水动力性能的影响是较小的.

图8

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图8 t=1.3 s时不同冰厚冰桨相互作用流场图

Fig.8 Flow field diagram of interaction between different ice thicknesses at t=1.3 s

3.2 冰块径向位置变化对螺旋桨水动力性能及流场的影响

冰桨的径向位置是指冰块中心在径向上的距离.冰块的厚度选取为0.075 m,并且保持进速系数J=0.6.冰块初始释放的径向位置有3个,分别为D_R=0,0.05,0.10 m,监测了在这3种径向位置下的螺旋桨水动力性能时域变化,如图9所示.

图9

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图9 不同径向位置下螺旋桨K_T、10K_Q曲线

Fig.9 K_T and 10K_Q curves of propeller at different radial positions

图9为不同径向位置下螺旋桨K_T、10K_Q曲线,其中推力系数和转矩系数均为冰块未碰到螺旋桨时监测值.从图9中可以看出不论是推力系数还是转矩系数总体上随着冰块径向位置D_R的增大存在减少的趋势,并且K_T、10K_Q曲线自身呈现先增大后减小最后又增大的趋势.D_R从0变化到0.10 m的过程中,无论是推力系数还是转矩系数在整体上都是呈现出减小的趋势,这是因为在初始释放过程中,当D_R较小时,冰块对螺旋桨的遮挡面积较大,冰块的阻塞效应会明显大于其加速效应,这种情况下螺旋桨桨盘面处的来流速度比敞水工况下较小,因此推力系数和转矩系数会变大.

图10~12为冰块不同径向位置释放时在不同时刻(t=1.1,1.2,1.3 s)运动到桨周围的yx剖面以及yz剖面流场图.图中v表示为沿着螺旋桨轴向的速度.从图中可以看出,各个径向位置释放的冰块在初始释放时刻冰块周围的流场大致相似,随着冰块不断向前运动,冰块周围的流场会发生较大变化,存在加速区和阻塞区.以图10中D_R=0为例,初始释放时,冰块正对螺旋桨,其正后方的阻塞区更容易蔓延并影响到螺旋桨桨盘面处,导致桨盘面的速度会比敞水情况小,推力系数和转矩系数都会增加.释放以后由于浮力的作用,冰块会向上运动,其后方的阻塞区会逐渐远离螺旋桨,两侧的加速区会加强对螺旋桨的影响,整体上来看,桨盘面的进速会大于其敞水工况,出现一段推力系数和转矩系数都降低甚至小于敞水工况的情况,最后当冰块运动接近螺旋桨时,冰块正后方阻塞区域正对螺旋桨,桨盘面处的速度将会大大减小, 导致其推力系数和转矩系数大幅度增加并超过敞水工况.从图10~12中还可以看出当初始径向释放位置较小时,在运动过程中冰块会稍微上浮一段距离,并且冰块上下两侧的流场分布较为对称;当冰块初始位置逐渐变大,运动过程中冰块两侧的流场会变得不均匀.

图10

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图10 D_R=0 不同时刻流场图

Fig.10 Flow field diagram at different times and D_R=0

图11

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图11 D_R=0.05 m不同时刻流场图

Fig.11 Flow field diagram at different times and D_R=0.05 m

图12

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图12 D_R=0.10 m不同时刻流场图

Fig.12 Flow field diagram at different times and D_R=0.10 m

3.3 冰块轴向位置变化对螺旋桨水动力性能及流场的影响

冰块厚度选为0.075 m,并且保持进速系数 J=0.6,在此情况下改变冰块的轴向位置.冰块中心释放的初始位置分别是(-0.4,0.1,0) m,(-0.5,0.1,0) m,(-0.6,0.1,0) m,(-0.7,0.1,0) m,不同冰块轴向位置下螺旋桨的敞水性能曲线绘制如图13所示.

图13

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图13 不同轴向位置下螺旋桨K_T、10K_Q曲线

Fig.13 K_T and 10K_Q curves of propeller at different axial positions

图13中推力系数和转矩系数均为冰块未碰到螺旋桨时的监测值.从图13中可以看出,不同轴向位置的螺旋桨水动力变化性能都会具有很明显的周期性,而且是在一定的大波动下具有小周期波动,小周期波动与螺旋桨旋转周期相同,显然是由于螺旋桨的旋转作用引起的;综合各图来看,各图的大波动都具有相似的波峰波谷,大周期波动由冰块的轴向运动干扰螺旋桨桨前流场,产生较大的不均匀性造成的.在轴向位置保证不变的前提下,可以看出螺旋桨的推力系数时间变化曲线,与转矩系数曲线的形状是相同的,也就是两者具有相同的变化趋势,这说明螺旋桨在旋转过程中,其水动力性能变化受桨前流场影响很大,而且流场的分布对推力及转矩的影响是类似的.此外从图中还可以看出,不同的轴向位置曲线之间具有一定的时间差,显然这是由于冰块的释放位置不同所引起的.由于冰块的释放位置不同.当冰块轴向距离较近(x=-0.4 m)时,冰桨较容易发生碰撞,当轴向距离超过0.4 m时,冰桨便不再发生碰撞,这也反映出冰桨碰撞在很大程度上取决于冰块的初始释放位置.

图14为不同轴向位置冰块运动到桨前方流线图,图中p为桨前方的压强.由于初始释放的轴向位置有差别,所以到达桨盘面附近的时间会有较大的差异,在图14中体现为截取图片的时间不同.从图中可以看出,当轴向距离较小时,即本文中轴向间距x=-0.4 m时,冰桨会发生碰撞;当冰桨初始轴向间距较大,如本文中x=-0.5 m和x=-0.6 m时,冰桨不会发生碰撞,但是冰块与螺旋桨的叶梢会挨得很近,这种情况下叶梢间隙处的高速流动很容易产生变化较快的流场,叶梢末端的流场对螺旋桨的性能影响较大,因此敞水曲线会表现出明显的震荡(见图13).当冰桨初始轴向距离x=-0.7 m时,冰块在运动过程中会从螺旋桨的上方飘过,而且螺旋桨叶梢与冰块的表面间距较大,不会像轴向间距x=-0.5 m和x=-0.6 m时的敞水曲线表现出那么明显的震荡.

图14

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图14 不同轴向位置冰块运动到桨前方流线图

Fig.14 Ice movement at different axial positions to the front of propeller

4 结论

文章针对于特定的冰桨非接触模型进行建模,在此基础上分析了不同大小的冰块、冰块的初始径向位置、轴向位置等参数的变化对螺旋桨水动力性能的影响情况,以及分析螺旋桨周围流场的变化情况,所得主要结论如下:

(1) 数值模拟方法获取的冰块运动轨迹和实验结果吻合良好,说明数值模拟方法具有很高的可靠性.

(2) 在冰桨相互作用的来流中,运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区,并且这两种区域可能同时作用于螺旋桨的桨盘面处.当螺旋桨桨盘面受加速区影响显著时,螺旋桨的推力和转矩都会小于敞水工况值;反之当桨盘面受阻塞区影响显著时,推力和转矩都会有所提高.

(3) 冰块大小的不同对于螺旋桨水动力性能的影响也有很大的不同,大尺寸的冰块在接近螺旋桨时阻塞效应会更加明显.

(4) 不论是推力系数还是转矩系数总体上随着冰块径向位置D_R的增大存在减少的趋势,并且K_T、10K_Q曲线自身呈现先增大后减小最后有增大的趋势.初始径向释放位置较小时,在运动过程中冰块会稍微上浮一段距离,并且冰块上下两侧的流场分布较为对称;当冰块初始位置逐渐变大,运动过程中冰块两侧的流场会变得不均匀.径向位置的不同很大程度上会影响螺旋桨桨盘面处的流场.

(5) 不同轴向位置的螺旋桨水动力变化性能都会具有很明显的周期性,而且是在一定的“大波动”下具有小周期的波动,并且轴向位置不同对螺旋桨的水动力性能影响是存在着一定的时间差.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

郭春雨, 谢畅, 赵大刚.

冰级桨水动力性能研究综述

[J]. 船舶工程, 2014, 43(4):1-8.