冰桨流相互作用下螺旋桨载荷预报的理论和试验方法研究

Propeller load prediction is the key to calculation the hydrodynamic performance, strength, cavitation and noise of propeller. While the propeller loads distribution determined the speed, maneuverability and safety of a ship. Until now, the propeller load prediction method for propeller-ice interaction, especially in China, is not perfect and few documents can be found in the area. In view of this, investigation of propeller load prediction under the interaction between ice and propeller will be carried out by a way of combining theoretical analysis, numerical simulation and model test in following four areas: (1) Ice-propeller interaction mathematical model will be developed to analyze the effect of ice moving state, operation of propeller, and the geometric parameter of propeller and ice on propeller hydrodynamic load; (2) Numerical model under Ice-propeller contact condition will be built for analyzing the movement of ice and the forced state of propeller when the collision occurs; (3) Cavitation inception and its distribution will be predicted to discuss the effect of propeller cavitation on the distribution and amplitude variation propeller surface load operating in ice; (4) Experimental measurement and identification technology will be developed and mastered by the model test of propeller load, and the distribution characteristics of propeller surface load will be studied.

螺旋桨载荷预报是进行冰区航行船舶推进器水动力、空泡、噪声、强度等性能方面计算分析的基础和关键，螺旋桨载荷分布的合理性将对冰区船舶的快速性、运动性及安全性等带来严重影响。目前，针对冰载工况下螺旋桨载荷的预报分析技术尚未完善，尤其国内，鲜见相关学术文献。鉴于此，本项目将通过理论推导、数值模拟和模型试验相结合的方式开展冰桨相互作用下的螺旋桨水动力载荷及冰载荷的预报方法研究，具体开展如下研究： 1）建立冰桨干扰数学模型，分析冰运动状态、螺旋桨运转工况、冰桨几何参数等对螺旋桨水动力载荷的影响规律； 2）建立接触工况下的冰桨相互作用数值模型，分析冰桨碰撞条件下冰的运动情况和螺旋桨受力状态； 3）分析不同的冰块形态及冰桨相互作用状态下空泡的分布规律，研究冰载工况下的螺旋桨空泡对桨表面载荷分布规律及幅值变化的影响； 4）通过模型试验研究，形成螺旋桨载荷的试验测定与识别技术，探讨螺旋桨表面的载荷分布特性。

螺旋桨载荷预报是进行冰区航行船舶推进器水动力性能、空泡性能、噪声性能、强度等方面计算分析的基础和关键，螺旋桨载荷分布的合理性将对冰区船舶的快速性、运动性能及安全性等带来严重影响。目前，针对冰载工况下螺旋桨载荷的预报分析技术尚未完善，尤其是在国内，学者们的关注很少且发表的相关学术文章也是凤毛麟角。鉴于此，本项目通过了理论推导、数值模拟和试验方法相结合的方式开展冰桨相互作用下的螺旋桨水动力载荷及冰载荷的预报方法研究，具体开展如下四方面的研究：本项目分别基于边界元理论和粘流CFD技术建立冰桨干扰数学模型，研究了桨和冰的主要几何参数及空间位置变化对螺旋桨水动力载荷的影响，同时在循环水槽搭建了冰桨干扰试验平台，分析了冰体运动状态变化下螺旋桨干扰水动力载荷的变化情况；然后针对冰桨接触作用模型，项目组在按照任务书要求建立动力模型开展研究的基础上，引入新的无网格方法近场动力学建立了冰桨作用数值模型，分析了冰桨碰撞条件下海冰的运动情况和螺旋桨受力状态；针对冰桨相互作用下的螺旋桨空泡现象，项目组基于拖曳水池搭建的试验平台研究了不同空化数下冰桨流作用桨叶空泡的发生和对应冰载荷的变化特征；针对冰桨流模型试验，项目组分别搭建了冰桨空气作用平台，基于循环水槽搭建了冰桨干扰水动力载荷试验平台和冰桨铣削状态混合载荷测试试验平台，系统地开展冰桨作用下螺旋桨模型试验研究，分析了工作流场的流动规律、模拟物面附近的空化状态，探讨冰桨接触作用、冰桨流耦合作用螺旋桨表面的载荷特性。