多桨船双臂支架空泡性能优化及其对螺旋桨空泡性能影响研究

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1、56卷第2期（总第214期）中国造船Vol.56No.2（SerialNo.214）2015年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJun.2015文章编号：1000-4882（2015）02-0150-09多桨船双臂支架空泡性能优化及其对螺旋桨空泡性能影响研究黄红波1,3，许晖2，王建芳1，丁恩宝1,3，刘登成1,3（1.中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，无锡214082；2.中国舰船设计研究中心，武汉4300064；3.江苏省绿色船舶技术重点实验室，无锡214082）摘要水面多桨船舶在高速航行时，其双臂支架极易产生较强的不稳定的片状空泡，此空泡不仅会增加支架空泡剥蚀的

2、风险，还会因为支架空泡的存在，加大伴流的不均匀性，从而增加螺旋桨叶片上空泡的不稳定性。本文采用新型双臂支架设计、加工、装配方法，在大型循环水槽内利用全附体船舶模型进行了双臂支架空泡性能优化的系列试验。试验结果表明，支架空泡性能对其角度的变化极为敏感，合适的支架角度不仅能显著改善支架本身的空泡性能，亦可改善螺旋桨叶片上的空泡特性。关键词：双臂支架；空泡中图分类号:U661.12文献标识码：A0引言水面多桨船舶在运行时，由于其自身特点以及对高航速高安静性能的要求，需要给予螺旋桨较均匀的进流场，因此高速船舶多采用较长的桨轴，利用单、双臂支架支撑螺旋桨轴系。但双臂支架紧邻螺旋桨，此支架尾流场即

3、为螺旋桨的进流场，如果双臂支架角度不合适，在高航速条件下，不仅自身支臂上会产生不稳定空泡，且因支架自身攻角及空泡厚度的存在增加支架尾缘流场的脉动，增加螺旋桨叶片上空泡的面积及不稳定性。研究支架空化问题首先应关注其前方的流动方向，其次才考虑其剖面形状对空化起始的影响。由于一般多桨水面船舶尾部船底线型在横向从龙骨向左右舷两侧向上倾斜，在纵向由前向后也是向上倾斜，因此水流流向并非并行于龙骨线，而是由外向内偏转，船尾水流方向与船舶纵中剖面存在一定夹角，加之双臂支架后方螺旋桨旋转诱导速度的影响，支架本身的剖面不可能在不同航速条件下均平行于当地流线，因此支撑桨轴的双臂支架各剖面处在有攻角的流动中，

4、随着航速的增加，双臂支架的内臂靠近船中的内侧面易出现空化现象。以往针对双臂支架对船舶减阻、增效有不少研究成果，而针对双臂支架本身尾流场特性及其对螺旋桨空泡性能影响研究不多，且主要以CFD不带螺旋桨流场计算或是空泡水筒中假艉模拟伴流条件下的空泡试验来获得，而对全附体船舶带推进器的双臂支架的空泡性能研究鲜有报道。计志也[1]曾在风筒利用热线风速仪测量了典型的水面船舶前轴支架（单臂支架）到船底轴包套之间的三维流场，分析收稿日期：2013-10-05；修改稿收稿日期：2015-06-01了流线在前轴支架不同高度及横向位置与船中纵剖面角度对应关系，确认了典型水面船舶船尾流向由外向内偏转的流动特征

5、，并分析认为桨轴旋转对水流产生的周向诱导速度对支架前方流场的影响不可忽略，随后设计了一套机构及平板模拟船底在空泡水筒进行了两个前轴支架的空泡对比试验。Bjornr[2]，BNicolas利用重叠网格的方法预报了水面船舶全附体实尺度及模型尺度下的阻力与流场变化特性，计算结果经与实船试验数据比较，在阻力、波形、压力和速度分布等方面尚有待提高，但模型尺度下计算结果比较理想。国内黄胜[3]、单铁兵，利用RANS方法计算了附体及支架的船尾流场，其计算结果表明附体及支架对螺旋桨盘面处流场有影响，特别是在支架周围，由于双臂支架及支架包套的存在，桨盘面处轴向伴流增大，并出现了较大的伴流峰，伴流脉动量增

6、大。王展智[4]、熊鹰等利用CFD计算了双臂支架的剖面形状和安装角度对船舶伴流的影响，计算结果表明，带附体的船舶其桨盘面处的伴流场比裸船体的更加不均匀，伴流峰谷现象更严重，双臂支架对轴向伴流分量的影响较小，主要影响桨盘面处径向与切向流场。目前，中小型空泡水筒由于自身尺度的限制多利用假艉模型进行空泡试验，此方式不能合理模拟切向伴流对螺旋桨空泡性能的影响；CFD利用RANS方法理论计算，处理支架尾涡与螺旋桨之间的相互作用达不到工程需求精度，要用此两种方式实现带螺旋桨高航速条件下支架本身及其对螺旋桨空泡影响的定量特性研究有一定困难，现阶段对此问题的定量研究只能依靠全附体模型试验来获得。本文针

7、对双桨水面船舶双臂支架容易生产空泡剥蚀的特点，利用全附体整船模型在大型循环水槽中进行一系列双臂支架空泡性能优化试验。试验结果表明，在相同的试验工况下，选择合适攻角的双臂支架能显著减小支架自身空泡产生，亦能改善螺旋桨空泡特性。1双臂支架空泡的产生及其解决途径某内旋双桨水面船舶在30kn航速时，原双臂支架内臂内侧（以支臂靠近船纵中剖面称为内侧，远离船纵中剖面为外侧）有较严重的不稳定片空泡，如图1所示，试验中为便于空泡观测及灯光布置，以左舷侧右旋螺旋