大侧斜螺旋桨空泡流场与脉动压力特性研究

摘要：本文采用空泡水筒试验与数值模拟相结合的方法，以某船用七叶大侧斜螺旋桨为研究对象，探究不同工况下空泡流场的形态特征、演化规律，分析脉动压力的分布特性及影响因素，结合具体试验案例验证相关结论，为大侧斜螺旋桨的优化设计和振动噪声控制提供理论支撑与工程参考。研究表明，大侧斜螺旋桨空泡主要分为叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡三类，其演化过程与进速系数、空化数密切相关；脉动压力的幅值和频率特性受空泡溃灭强度和周期性影响显著，梢涡空泡的出现会导致脉动压力高阶叶频分量明显增大。

关键词：大侧斜螺旋桨；空泡流场；脉动压力；非定常演化；试验研究

1 引言

随着船舶产品向着大型化、高速化持续发展，螺旋桨作为推进系统的核心部件，面临着空化现象带来的一系列问题。所谓空化，是指螺旋桨高速旋转时，桨叶表面压力降至液体饱和蒸汽压力以下，液体发生汽化形成空泡，空泡随流场运动至高压区域时发生溃灭，释放出大量能量，产生剧烈的脉动压力和振动噪声。相较于常规的螺旋桨，大侧斜螺旋桨通过增大桨叶侧斜角，有效改善了桨叶表面的压力分布，延缓了空泡的初生，降低了振动噪声，但是其在重载、高速等极端工况下仍会出现空化现象，空泡流场的非定常特性和脉动压力的激励作用，依然会影响船舶的航行稳定性和结构安全性。大侧斜螺旋桨凭借其优异的抗空化性能和低振动噪声优势，广泛应用于大型船舶及水下航行器推进系统。空泡流场的非定常演化的脉动压力特性，直接影响螺旋桨的水动力性能、结构可靠性及航行器隐身效果。

本文以实际船用大侧斜螺旋桨为研究对象，通过试验与模拟结合的方式，重点研究空泡流场的形态演化和脉动压力的分布规律，结合具体案例分析关键的影响因素，希望可以为螺旋桨的优化设计和工程应用提供可靠依据。

2 试验方案与研究对象

2.1 研究对象

本文选取某油船配套的七叶大侧斜螺旋桨作为研究的对象，该螺旋桨直径0.22m，侧斜角35°，螺距比1.8，叶面采用流线型设计，旨在降低空化风险。该螺旋桨原型试验数据丰富，常用于非定常空化特性研究，其模型尺度与实际工程应用贴合，能够有效反映真实工况下的空泡流场和脉动压力特性。

2.2 试验装置与方法

该试验在东部地区某高校空泡水筒内开展，采用多场同步测量系统，结合高速摄像技术和压力传感器，实现空泡流场形态与脉动压力的同步采集。高速摄像仪帧率设置为1000帧/秒，用于捕捉空泡的初生、发展、脱落和溃灭全过程；压力传感器布置在桨叶表面及流场周围关键位置，采样频率为10kHz，用于测量不同工况下的脉动压力信号。

试验选取不同进速系数（0.4~0.8）和空化数（0.5~2.0）作为变量，模拟船舶不同航行速度和载荷工况，每个工况稳定运行30s，确保数据的可靠性。同时，采用STAR-CCM+计算流体力学软件进行数值模拟，结合Schnerr-Sauer空化模型和延迟分离涡方法（DDES），对试验工况进行复刻，验证试验数据的准确性。

3 空泡流场特性分析

3.1 空泡形态与类型

通过高速摄像观察发现，该大侧斜螺旋桨在试验过程中主要出现以下三种类型的空泡：叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡，不同工况下空泡的形态和分布存在显著的差异。在低进速系数（0.4）、低空化数（0.5）的重载工况下，桨叶叶背压力降至饱和蒸汽压力以下，首先在叶背中部出现初生空泡，随着空化的发展，空泡逐渐向叶尖和叶根扩展，最终形成连续的片空泡，同时叶尖区域出现明显的梢涡空泡，呈螺旋状向下游延伸，此时空泡覆盖的面积较大，演化过程剧烈。

在高进速系数（0.8）、高空化数（2.0）的轻载工况下，桨叶表面压力分布相对比较均匀，仅在叶背边缘出现少量初生空泡，没有明显的片空泡和梢涡空泡，空泡体积较小，且很快发生溃灭，流场整体较为稳定。例如，当进速系数为0.6、空化数为1.0时，螺旋桨叶背出现不连续的片空泡，梢涡空泡微弱，空泡形态以局部小空泡为主，演化过程相对平缓，这与大侧斜螺旋桨的抗空化设计优势相符。

3.2 空泡演化规律

大侧斜螺旋桨空泡的演化过程具有明显的周期性，主要分为初生、发展、脱落、溃灭四个阶段。初生阶段，桨叶旋转至低压区域，叶背局部压力低于饱和蒸汽压力，液体汽化形成微小空泡；发展阶段，空泡在低压环境下不断膨胀，体积增大，逐渐融合形成片空泡或梢涡空泡；脱落阶段，随着桨叶旋转离开低压区域，空泡与桨叶表面分离，随流场向下游运动；溃灭阶段，空泡进入高压区域，内部蒸汽迅速凝结，空泡破裂，释放能量。

通过试验观察发现，空化数的降低和进速系数的减小，会在一定程度上加速空泡的演化进程，增大空泡的体积和覆盖面积。例如，当空化数从1.5降至0.8时，叶背片空泡的覆盖面积从15%增至40%，梢涡空泡的强度明显增强，空泡脱落和溃灭的频率显著提高；当进速系数从0.7降至0.5时，空泡的初生位置向叶根移动，空泡溃灭时产生的冲击波强度增大，流场扰动加剧。此外，大侧斜螺旋桨的侧斜结构能够有效抑制空泡的集中溃灭，减少空泡对桨叶表面的冲击，这也是其抗空化性能优异的核心原因。

4 脉动压力特性分析

4.1 脉动压力分布特征

脉动压力是衡量螺旋桨空化危害的重要指标，其分布特性与空泡的演化过程密切相关。试验结果表明，大侧斜螺旋桨的脉动压力主要集中在桨叶表面、叶尖区域及流场下游，其中叶背空泡溃灭区域和梢涡空泡运动区域的脉动压力幅值最大。在无空泡工况下，脉动压力幅值较小，且分布均匀，主要以一阶叶频分量为主，高阶叶频分量幅值极小，可忽略不计。

当出现空泡后，脉动压力幅值显著增大，且分布不均匀，高阶叶频分量明显出现。例如，在进速系数0.5、空化数0.7的工况下，桨叶叶背空泡溃灭区域的脉动压力幅值达到0.35MPa，是无空泡工况的3.5倍，且出现明显的二阶、三阶叶频分量，其中二阶叶频分量幅值达到一阶叶频的60%；而在梢涡空泡集中区域，脉动压力幅值达到0.42MPa，高阶叶频分量更为显著，这是由于梢涡空泡的非定常演化和周期性溃灭，产生了强烈的压力脉动。

4.2 影响因素分析

大侧斜螺旋桨脉动压力特性主要受空化数、进速系数和空泡类型的影响。空化数越小，空泡发展越剧烈，空泡溃灭时释放的能量越多，脉动压力幅值越大，高阶叶频分量越明显。例如，当空化数从1.2降至0.6时，流场下游的脉动压力幅值从0.18MPa增至0.38MPa，高阶叶频分量的总幅值增长了120%。

进速系数对脉动压力的影响主要体现在空泡的演化频率上，进速系数越小，螺旋桨旋转产生的低压区域范围越大，空泡脱落和溃灭的频率越高，脉动压力的主频与叶频的关联性越强。此外，空泡类型对脉动压力的影响存在显著差异，梢涡空泡导致的脉动压力高阶叶频分量比叶背空泡更为明显，例如，当出现稳定的梢涡空泡时，脉动压力三阶叶频分量幅值达到一阶叶频的55%，而仅存在叶背空泡时，三阶叶频分量幅值仅为一阶叶频的25%。

5 结论

本文通过应用空泡水筒试验与数值模拟相结合的方法，对大侧斜螺旋桨空泡流场与脉动压力特性进行了系统研究，结合具体试验案例得出以下结论：

1. 大侧斜螺旋桨在不同工况下主要出现叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡三类空泡，轻载工况下空泡数量少、演化平缓，重载工况下空泡覆盖面积大、演化剧烈，侧斜结构能够有效延缓空泡初生和集中溃灭。

2. 空泡流场的演化具有明显的周期性，分为初生、发展、脱落、溃灭四个阶段，空化数降低和进速系数减小会加速空泡演化，增大空泡体积和覆盖面积。

3. 脉动压力的幅值和频率特性与空泡演化密切相关，空泡产生后，脉动压力幅值显著增大，高阶叶频分量明显出现；梢涡空泡对脉动压力高阶叶频分量的影响比叶背空泡更为显著。

4. 空化数、进速系数是影响脉动压力特性的关键因素，空化数越小、进速系数越小，脉动压力幅值越大，高阶叶频分量越突出。

本文的研究成果能够为大侧斜螺旋桨的优化设计、空化抑制及振动噪声控制提供一定的理论支撑和工程参考，后续可进一步研究非均匀来流条件下空泡流场与脉动压力的耦合特性，完善相关研究体系。

参考文献

[1]王宪磊.基于CFD的大侧斜螺旋桨性能研究[D].大连海事大学,2020.

[2]齐江辉,郭健,郑亚雄,等.七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究[J].推进技术,2020,41(11):2605-2612.