非接触工况下冰桨干扰水动力载荷试验

由于冰块临近和阻塞效应,将在螺旋桨上产生极端水动力载荷,进而导致螺旋桨诱导的空泡、噪声以及激振力等性能的恶化。冰桨干扰作用是一个极其复杂的过程,受到诸多因素的影响,为了探究非接触工况下的冰桨干扰水动力特性,在循环水槽中搭建冰桨干扰试验台,并设计一套专门用于切削型冰模型的生成和制作的方法。通过试验重复性分析及与其他学者结果的比较,验证建立的冰桨干扰试验台的可行性。以切削型冰模型为对象,研究了非接触工况下的螺旋桨水动力载荷随冰桨间距变化的规律,探讨了不同流速对冰模型诱导的空泡的影响。试验结果表明:所建立的冰桨干扰试验方法是可行的,能够较好地用于冰桨干扰水动力试验的分析中。

冰桨干扰工况下冰运动轨迹测量的实验设计

设计开发了一种冰桨干扰工况下冰运动轨迹的测量平台,可以实现对水下自由状态的冰块运动状态的测量,丰富了对冰桨干扰过程中冰、桨双向作用实验研究的手段。利用该平台开展了螺旋桨进速系数、来流速度、模型冰尺寸等不同条件下的螺旋桨模型实验,测量了各工况下冰块的运动轨迹,分析了桨前相同位置处模型冰在x轴和z轴方向的位移、速度变化,发现其结果与实际情况相吻合。实验表明该实验平台在测试中具有设备安装简便、测量稳定性好的特点,可以为后续水下物体运动轨迹测量的实验教学提供良好的支持。

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了模拟冰桨相互作用下的冰桨碰撞情况,本文构建了一种冰桨干扰模型。通过利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,并得出了冰块的运动轨迹。在计算过程中,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。本文结论可为冰区螺旋桨设计及校核提供一定参考。

螺旋桨抽吸作用下冰块运动轨迹

为研究冰桨干扰过程中桨抽吸作用对冰运动轨迹的影响,本文基于循环水槽搭建了冰运动轨迹测量平台,结合Photron高速摄像机分析软件(PFA),对不同螺旋桨转速工况下冰的运动轨迹进行试验和分析.经过对试验结果的系统分析发现:当螺旋桨转速较大、流速较小时抽吸作用较为明显,会明显改变模型冰运动轨迹,甚至发生碰撞.当模型冰体积较大、水流流速较快时螺旋桨抽吸作用影响较小,抽吸作用很难改变水流流速带来的影响,对模型冰运动轨迹影响较小.

冰临近过程中螺旋桨的水动力性能计算分析

为了研究非接触工况下的冰桨干扰水动力载荷,以粘性流体力学为基础,运用重叠网格技术,开展了冰桨干扰的定常计算方法的研究。首先,通过与实验结果的对比,验证了方法可行性;其次,基于重叠网格技术,研究了干扰冰运动到不同空间位置时,螺旋桨水动力性能的变化趋势和规律;计算时,各计算域均采用切割体非结构化网格,各域之间通过重叠网格的嵌套进行数据的传递。为了更好地捕捉桨前流场的细节,在冰桨间隙处进行了多层网格的局部加密,同时结合SSTk-ω湍流模型进行冰桨近场水动力计算。总结出冰对螺旋桨的影响是由冰在桨前产生的干扰伴流区域位于桨盘面以内的面积以及与桨的相对位置共同决定的。计算结果具有一定的可靠性,可为冰区螺旋桨的设计与性能计算提供参考。