碎冰航道中后置螺旋桨空化性能的CFD-DEM-VOF耦合数值模拟研究

《Ocean Engineering》：CFD-DEM-VOF numerical simulation for cavitation performance of the aft propeller in the brash ice channel

本研究针对极地船舶螺旋桨在碎冰航道中的空化性能预测难题，采用CFD-DEM-VOF耦合数值模拟方法，系统探究了冰阻塞、碎冰航道和开阔水域三种工况下螺旋桨的空化特性。研究发现船舶、碎冰和自由液面的存在会使螺旋桨平均水动力性能降低超过10%，其中自由液面是影响螺旋桨空化的主要因素。该研究为极地船舶螺旋桨设计提供了重要理论依据。

　　

在北极资源开发利用日益重要的背景下，极地船舶在碎冰航道中的推进性能预测及冰级螺旋桨空化性能研究成为重要课题。当船舶在碎冰航道中航行时，螺旋桨的高速旋转会吸入碎冰，导致碎冰对桨叶产生阻塞、碰撞和摩擦，这些相互作用会影响螺旋桨周围的流场分布和自由液面波动，进而影响螺旋桨的空化性能。传统研究方法如全尺度试验和模型试验虽然可信度高，但成本昂贵且难以精确控制，而数值模拟方法能够提供更精确的结果，但以往研究往往忽略了船舶、碎冰和自由液面的综合影响。

本研究采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)、离散元法(Discrete Element Method, DEM)和流体体积法(Volume of Fluid, VOF)耦合的CFD-DEM-VOF方法，建立了极地船舶-海冰-螺旋桨-海水-空化的耦合模型。研究人员以冰加强型巴拿马型散货船模型和E779A冰级螺旋桨为研究对象，在德国汉堡船模试验池(HSVA)进行的自航模型试验基础上，构建了包含远场静止域和螺旋桨近场旋转域的计算区域，网格总数达到477万。通过设置不同的船舶装载条件（压载和满载）、螺旋桨转速和操作工况（冰阻塞、碎冰航道和开阔水域），系统研究了螺旋桨的空化性能。

主要技术方法包括：1）CFD-DEM-VOF耦合求解方法，其中流体相采用体积平均Navier-Stokes方程描述，离散冰颗粒运动采用DEM方法求解，VOF模块用于追踪自由液面；2）颗粒接触模型采用弹簧-阻尼器模型，模拟冰颗粒之间的碰撞作用；3）空化数相似准则，通过水速空化数σ_v和转速空化数σ_n来保证模型试验的压力条件相似性。

5.1. 船舶存在对螺旋桨空化性能的影响

研究发现船舶的存在会对冰和水流产生阻塞效应，由于船舶的存在，螺旋桨上的冰和水载荷会减小。随着螺旋桨浸没深度的增加，船舶存在对螺旋桨空化性能的影响减小，而随着螺旋桨转速的增加，这种影响会增大。在压载条件下，船舶存在导致的平均螺旋桨空化性能差异为12.4%，在满载条件下为11%。

5.2. 自由液面存在对螺旋桨空化性能的影响

与空化隧道模型试验条件相比，自由液面的存在会导致螺旋桨空化性能出现先增加后减小的趋势，这与空化隧道试验有所不同。自由液面存在导致的平均螺旋桨空化性能差异为17%，在进速系数J为0.35时，推力系数K_T的差异接近50%。

5.3. 船-冰-桨-水-空化相互作用

在低速旋转时，动态碎冰与螺旋桨的相互作用不明显；而在高速旋转时，螺旋桨吸力显著增加，动态碎冰会被吸入尾流场形成阻塞，螺旋桨与冰的碰撞更加剧烈。螺旋桨浸没深度越浅，螺旋桨-冰相互作用和自由液面导致的螺旋桨空化恶化越严重。

5.4. 螺旋桨空化分析

在低速旋转时，螺旋桨叶片空化主要是集中在叶尖的片状空化，随着冰阻塞效应的增强会出现空化分离现象。在高速旋转时，船载条件对螺旋桨叶片空化的影响减小，螺旋桨叶片空化为全空化。螺旋桨空化激振力的振幅随着螺旋桨转速的增加而增大，在碎冰航道中表现出随机性，冰阻塞条件下的空化激振力约为开阔水域条件下的两倍。

5.5. 不同工况下的螺旋桨空化性能

在低速旋转时，螺旋桨推力系数K_T、扭矩系数10K_Q和效率η从高到低依次为冰阻塞、碎冰和开阔水域工况。随着转速的增加，三种操作工况之间的差异逐渐增大。在高速旋转时，由于螺旋桨转速固定，随着船速的增加，船舶存在的阻塞效应减弱，螺旋桨空化性能在不同工况下的差异随着进速系数J的增加而扩大。

研究结论表明，CFD-DEM-VOF耦合方法能够合理建立船-冰-桨-水-空化的计算耦合模型，准确模拟碎冰航道中船舶后置螺旋桨的空化性能。船舶和自由液面的存在会通过干扰螺旋桨周围的流场来影响螺旋桨空化性能，导致螺旋桨平均水动力性能降低超过10%。碎冰造成的阻塞和碰撞会加剧螺旋桨空化，在浅浸没深度和高速旋转时螺旋桨叶片空化面积更严重。螺旋桨空化激振力的振幅随着浸没深度变浅和转速增加而变大，空化激振力的周期随着转速增加而变短。

该研究的重要意义在于为极地船舶螺旋桨设计提供了全面的理论指导，建议在螺旋桨空化裕度设计中考虑螺旋桨-冰相互作用和自由液面扰动的综合影响，通过优化螺旋桨盘的轴向位移或安装破冰结构来改善进水质量，避免冰、螺旋桨和自由液面之间的三重干扰耦合区。研究成果发表在《Ocean Engineering》期刊上，对极地船舶设计与航行安全具有重要参考价值。