螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报与空泡形态的对比研究

螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报与空泡形态的对比研究

0螺旋流场表面脉动压力试验预报的研究进展20世纪60年代前后，随着船舶大规模规划和高速化的发展，军舰首席法庭的剧烈振动频繁发生。据研究，在大多数情况下，由于螺母负荷的增加，螺旋浆在船的主框架（主要是由船舶的线型决定）中的不均匀流场运行，局部非常空气泡出现，动幅较大，即螺旋桨的激励力急剧增加。在螺旋桨激振力试验预报实践中,经常发现国内外不同实验室或同一个实验室在不同时间,对同一条船舶的同一螺旋桨在相同工况下进行螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报时,总会出现不同程度的差异。这是和影响脉动压力测量的一些因素密不可分的,如水筒中空气含量(气核情况、水质情况)、伴流模拟和转速选定等。为此,主要进行了以下研究工作:1.研究螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报值随含气量变化的规律;观察螺旋桨模型空泡形态随含气量的变化规律,并与实桨空泡对比分析;探索脉动压力试验预报与实船测量值最接近时的空气含量,探究其作为上海船舶运输科学研究所空泡实验室模型试验预报船体表面脉动压力参考含气量的可能性。2.比较船模伴流场和修正后的船模伴流场作为工作流场时,螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报值及桨模空泡形态,与对应的实船测量观察结果对比,并就伴流场修正对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报的影响作了探讨。3.研究螺旋桨诱导的船体表面脉动压力的试验预报值随桨模试验转速变化的规律。1试验工况以Sydney船舶的螺旋桨作为研究对象,该集装箱船采用单桨对称形式的船艉,桨模几何图形如图1所示,试验工况见表1,桨模几何要素见表2。Sydney实桨直径D=7m,间隙比gt/D=0.267。已校验该桨模敞水性征曲线与第19届ITTC(InternationalTowingTankConference)会议上Sydney桨敞水性征曲线吻合。2空气含量对脉动压力系数的影响在上海船舶运输科学研究所空泡水筒模拟的船模伴流场中,伴流模拟情况满足工程要求,采用平板测量方式对2个工况下的Sydney桨模进行了脉动压力测量。测量装置和传感器布置见图2。1#、2#、3#、4#、5#为模型试验传感器布置位置,P4和P3为对应于实船的传感器布置位置。通常所测定的空气含量实际上包括两部分,即液中的自由气体和已溶于液中的气体。空气含量常用α/αs表示,αs为当地大气压下水中含气量的饱和值,α为实际含气量。通过对Sdyney桨模脉动压力的试验研究,将不同空气含量下各个测量点一阶脉动压力系数进行整理(见图3、图4)。比较桨模和实桨的各阶脉动压力系数(见图5、图6)。桨模空泡形态按340°,0°,20°,40°从左向右排列(见图7至图12)。在工况2,α/αs=0.27,0.38,0.58,0.72,0.80时,观察空泡形态,描绘桨模空泡图像并将实桨和船模伴流场中螺旋桨空泡形态进行比较。2.1空气含量对脉动压力的影响1)由图3、图4所示,脉动压力系数随空气含量变化的规律为:在试验工况下,α/αs=0.27～0.35(0.38),脉动压力随空气含量的增加而迅速增加;α/αs=0.35(0.38)～0.60,脉动压力随空气含量的增加而缓慢增加;α/αs=0.60～0.90,脉动压力随空气含量的增加基本上稳定不变。由图8至图12所示,空气含量从α/αs=0.27～0.38,空泡形态由不稳定发展到稳定;α/αs=0.38～0.58,空泡形态有所发展;α/αs=0.58～0.80,空泡没有大的变化。由此可以得出,在试验工况下,空气含量很低时,螺旋桨由于空泡形态较小或者还没有发展,脉动压力也小;随着空气含量的增加,螺旋桨空泡形态迅速发展,脉动压力随之剧增;而空气含量增加到一定值,空泡形态已经完全发展,脉动压力也达到最大;此后随含气量增加到接近饱和,空泡形态和脉动压力均趋于稳定不变。这与德国汉堡水池中型空泡水筒不同氧气含量下的脉动压力测量和空泡观测的结果一致(见图13、图14)。2)由图3、图4所示,在工况1下的4#测量点,空气含量α/αs=0.38时的一阶脉动压力系数是α/αs=0.27的2.52倍,α/αs=0.38时的一阶脉动压力系数是α/αs=0.53的90.0%;在工况2下的4#测量点,空气含量α/αs=0.35时的一阶脉动压力系数是α/αs=0.27的3.15倍,α/αs=0.35时的一阶脉动压力系数是α/αs=0.53的88.6%。3)由图5、图6所示,α/αs=0.35～0.38时,试验预报的脉动压力系数和实船测量脉动压力系数最接近,最关心的4#即最大预报脉动压力系数与实船P4非常接近,且此时空泡观测效果也较佳。在工况2,α/αs≈0.35时,Sydney桨模0°空泡照片如图15所示。如果空气含量控制在0.6左右,试验预报的脉动压力系数也比空气含量0.35～0.38偏大10%左右。这在试验预报可接受范围以内,但对空泡观测不利。在工况2,α/αs≈0.58时,Sydney桨模0°空泡照片如图16所示。3实桨脉动压力值对比在上海船舶运输科学研究所空泡水筒中伴流模拟采用网格法。试验模拟2个伴流场,即船模伴流场和用Hoekstra法修正后的船模伴流场,伴流模拟情况满足工程要求。图17左半部分为船模轴向伴流等值图,右半部分为修正后的船模轴向伴流等值图。由此图可知,修正后的船模伴流等值线在船模伴流等值线的基础上有明显的内缩。空泡水筒空气含量保持在α/αs≈0.4,测量装置和传感器布置见图2。通过试验,将Sydney螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报结果与实桨脉动压力系数进行对比(见图18、图19)。将实桨与船模伴流场及修正后的船模伴流场中桨模空泡形态进行比较,桨模空泡形态按340°,0°,20°,40°从左向右排列(见图20至图22)。3.1桨叶的最大脉动压力值1)船模伴流场的修正对螺旋桨激振力预报的影响较大。就Sydney桨而言,Hoekstra法船模伴流场修正使预报的螺旋桨最大脉动压力值比船模伴流场中的偏大约35%。2)由图20至图22所示,在修正后的船模伴流场中的桨模空泡形态比船模伴流场中的偏大;而不论是在船模伴流场还是修正后的船模伴流场中的桨模空泡形态比实桨空泡形态都偏小。4空泡水筒风速对脉动压力的影响试验选用Sydney船模伴流场,伴流模拟情况满足工程要求,测量装置和传感器布置见图2。在相同的脉动压力试验工况下,试验转速分别为17.58r/s、19.53r/s、21.48r/s、23.43r/s、25.39r/s、27.34r/s和29.30r/s时,进行螺旋桨脉动压力的测量。空泡水筒空气含量保持在α/αs≈0.4。通过试验得到脉动压力系数随转速的变化规律(见图23、图24)。为了找出随试验转速增加,螺旋桨诱导的脉动压力下降及造成各实验室测量差异的可能原因,对近期在上海船舶运输科学研究所空泡实验室脉动压力测量试验的多组试验工况,在不同转速时的p/pa(p为试验时工作段压力;pa为当地大气压力)进行计算,得到n和p/pa关系曲线(见图25)。由图25可见:随n增加,p/pa也随之增加,工作段水的饱和空气含量αsp随之增加,而实际空泡水筒中水的总空气含量α基本不变,因此,工作段的相对空气含量值α/αsp随之减小。由Sydney桨模2个试验工况下,不同含气量的试验结果可见,随着相对空气含量值的减小,螺旋桨诱导的脉动压力随之减小。在σn=1.826,KT=0.184,n=23.44r/s,空气含量α/αs=0.35时,采用Sydney船模伴流场作为模型试验伴流场,预报得到的最大一阶脉动压力系数为0.042。这与实桨测量最大一阶脉动压力系数0.043非常吻合。5预压室试验转速a通过螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报的试验研究,得到以下结论和建议:1.空气含量对螺旋桨空泡的初生和发展及螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报有显著的影响。随着空泡水筒中水的空气含量增加,螺旋桨空泡随之初生并发展,螺旋桨诱导的船体表面脉动压力也随之增大;当空气含量增加到一定值后,螺旋桨空泡形态达到完全发展状态,螺旋桨诱导的脉动压力也随之到达峰值;之后随着空气含量的增加,螺旋桨空泡形态及其诱导的船体表面脉动压力趋于稳定。2.从Sydney桨模的试验结果看,在船模伴流场中预报的最大螺旋桨脉动压力比在修正后的船模伴流中的预报结果偏小近25%。但从船舶振动的安全性角度出发,在模型试验时,采用修正后的船模伴流来进行试验预报,可以使预报结果趋于安全。3.试验转速对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报有一定影响。在水筒实际空气含量基本稳定时,螺旋桨诱导的脉动压力预报值随试验转速的增加而减小。综合以上分析,在模型试验预报螺旋桨诱导的船体表面