基于气泡动力学模型与变点检测的螺旋桨梢涡空化起始预测方法研究

为解决船舶螺旋桨梢涡空化(TVC)起始预测精度不足的问题，研究人员创新性地提出基于欧拉-拉格朗日(E-L)框架的气泡动力学模型，结合变点检测技术建立TVC起始判定准则。该方法通过模拟微观核子的运动、生长和溃灭动态，实现了对7叶大侧斜螺旋桨TVC起始的精准预测，较传统方法精度提升20%以上，为工程中船舶临界航速的确定提供了新思路。

　　

在船舶工程领域，螺旋桨梢涡空化(TVC)现象犹如潜伏的"水下杀手"——由于尺度效应，它往往最先出现在真实船舶螺旋桨运行过程中，不仅会产生剧烈脉动压力，还会引发强辐射噪声，严重威胁舰船的隐身性能。更棘手的是，传统基于均质流空化模型的最小压力系数法存在固有缺陷：它忽略了核子演化过程，将局部压力低于饱和蒸汽压作为唯一判据，导致对强水条件下微小核子(40-60μm)的空化起始预测严重失准。这种理论与实际的脱节，使得工程界对精准预测TVC起始的需求变得尤为迫切。

针对这一挑战，中国船舶科学研究中心的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项突破性研究。他们创新性地将欧拉-拉格朗日(E-L)框架气泡动力学模型与变点检测技术相结合，建立了全新的TVC起始预测体系。该研究通过DDES(延迟分离涡模拟)求解器获取流场特征，采用离散气泡模型追踪核子运动轨迹，并首次在R-P(Rayleigh-Plesset)方程中引入液体压缩性效应，精确模拟了核子被梢涡捕获后的动态演化过程。实验验证采用上海船舶运输科学研究所中型空化水洞，对7叶大侧斜螺旋桨进行多工况测试。

网格独立性验证与实验对标
通过ITTC推荐的√2网格加密比，构建了818万至2326万的三套网格体系。结果显示中等网格(1536万)既能捕捉0.1D精度的梢涡核心压力分布，又保证计算效率，最终选定该方案。与实验数据对比，推力系数误差<3%，压力脉动特征频率吻合度达95%。

TVC起始判定新准则
突破传统光学/声学标准的局限，提出基于核子数量变点检测的量化判据：当膨胀核子数量突变增长且空间聚集度超过阈值时判定为空化起始。该方法在σ=2.5时预测精度较传统方法提升22.3%，成功克服了"低压力理论"对微小核子不敏感的缺陷。

进速系数影响机制
研究发现：低进速系数(J=0.5)时，强涡旋效应使核子捕获率提升40%，但高压梯度导致80%核子未达临界尺寸即溃灭；高进速系数(J=0.7)下，虽然捕获率降低25%，但稳定的低压区使核子存活时间延长3倍，更易发展为空化泡。这解释了相同空化数下不同工况气泡数量的显著差异。

该研究的创新价值体现在三方面：理论层面，通过耦合液体压缩性效应完善了气泡动力学模型；方法学上，首创的变点检测判据实现了TVC起始的量化识别；工程应用方面，为潜艇用大侧斜螺旋桨的临界航速确定提供了20%精度提升的解决方案。研究揭示的核子"捕获-生长-溃灭"动态竞争机制，为后续设计抗空化螺旋桨提供了明确优化方向——通过调控叶梢涡强度与核子生存时间的平衡关系，可有效延迟TVC起始。这些发现不仅适用于船舶工程，对水力机械、流体传动等领域的空化抑制同样具有重要参考价值。