船舶螺旋桨在波浪中的特性建模：轨道速度与通气效应的创新研究

本研究针对波浪对船舶螺旋桨性能影响的精确建模难题，开发了一种高效的计算方法。研究团队聚焦于波浪轨道速度对螺旋桨推力(KT)和扭矩(KQ)系数的影响，并深入探讨了自由表面接近与出水导致的通气效应。通过引入“通气起始延迟区(VODZ)”概念，结合轨道速度分析，建立了适用于不同浸没深度的二维查表模型。该方法经实验数据验证，能有效预测波浪中螺旋桨的平均及瞬时特性，为船舶动力装置在恶劣海况下的性能评估提供了关键工具，对数字孪生技术和船舶设计优化具有重要意义。

　　

在航海工程领域，船舶在恶劣海况下的性能预测一直是重大挑战。随着数字孪生技术的发展，对船舶动力系统进行精确仿真的需求日益迫切。然而，实现这一目标的核心难点在于准确模拟波浪中螺旋桨的复杂行为。当船舶在顶浪中航行时，螺旋桨不仅会经历由波浪轨道速度引起的周期性流速变化，还可能因船体运动而靠近甚至露出水面，发生通气现象，导致推力突然丧失。传统方法往往忽略这些动态效应，或采用过于简化的假设，使得船舶动力系统的整体性能预测存在显著偏差。

为了解决这一难题，发表在《Ocean Engineering》上的这项研究开发了一种新颖的建模方法，专门用于分析波浪中螺旋桨的特性。该方法不仅 computationally efficient（计算高效），而且易于实施，为集成到完整的船舶动力系统仿真中奠定了基础。

研究人员采用了理论分析、数值建模与实验验证相结合的技术路线。核心方法是建立了一个二维查表模型，其关键输入仅为螺旋桨在深水中的标准推力(KT)和扭矩(KQ)曲线，以及在系柱拉力（bollard pull）状态下通气特性的数据。通过定义瞬时进速系数(J_ins)和瞬时轴深(H_ins)，模型同时考虑了波浪轨道速度和螺旋桨浸水深度的瞬时变化。尤为重要的是，研究团队通过对实验数据的观察，提出了“通气起始延迟区(VODZ)”的概念，即螺旋桨在波浪中比在静水中更浅的深度下才开始出现通气现象。模型通过线性插值方法，构建了覆盖从完全出水(H/D = -0.5)到深水(H/D = +∞)的推力与扭矩系数查询表。为验证模型，研究利用了两种不同几何（四叶和五叶）螺旋桨在波浪中开敞水特性的实验数据进行比较分析。此外，研究还结合势流切片理论计算了KVLCC2和S175两种船型在顶浪规则波中的垂荡和纵摇运动，以此分析船体运动对螺旋桨盘面处平均进速的潜在影响。

波浪中开敞水螺旋桨的特性

通过将模型计算结果与Prop1和Prop2的实验数据进行比较，验证了所提出方法的有效性。对于平均推力系数(KT)和扭矩系数(KQ)，模型在中小波高情况下与实验数据吻合良好，误差极小。即使在会出现通气的大波高情况下，虽然在某些进速系数(J)下存在差异（最大误差约20%），但整体趋势一致。对推力与扭矩时间序列的频域分析表明，模型能准确捕捉一阶谐波分量，尤其是在非通气工况下。时域对比进一步显示，VODZ方法能够成功地模拟出波浪波谷中因通气导致的推力和扭矩骤降现象。虽然模型目前尚未模拟通气发生时和消失时的滞后效应（hysteresis phenomena），但其对主要动态特性的捕捉能力已得到证实。

轨道速度与船体运动耦合对平均进速的影响

研究的第二部分将焦点扩展到船后螺旋桨。理论分析表明，在顶浪中，由于船体垂荡和纵摇运动，螺旋桨轴的深度会周期性变化，这反过来又会影响其所在位置的波浪轨道速度。通过数学推导发现，轨道速度在遭遇周期内的平均值并不为零，其大小取决于船体运动响应幅值及其与波浪的相位差。对KVLCC2和S175两个船型的计算分析显示，在波长与船长比(λ/L)约为1.3-1.5时，平均轨道速度达到峰值。这意味着，即使在螺旋桨深度浸没、不发生通气的情况下，波浪和船体运动的耦合效应也会改变作用在螺旋桨上的平均进速，进而改变其平均进速系数(J)和负载。计算表明，在某些工况下，平均进速的变化幅度可达10%，这是一个在精确评估船舶推进性能时不可忽视的因素。

本研究成功开发并验证了一种用于模拟波浪中螺旋桨性能的有效方法。该方法创新性地引入了“通气起始延迟区(VODZ)”概念，并通过结合波浪轨道速度效应，建立了一个既准确又实用的二维查表模型。研究证实，螺旋桨在波浪中的通气行为与在静水中不同，其起始点会延迟，即在更浅的浸没深度下仍能保持无通气运作。此外，研究还揭示了一个常被忽视的现象：对于船后螺旋桨，即使深度浸没，波浪轨道速度与船体运动的耦合也会导致其平均进速发生改变，从而影响整个推进系统的平均性能。

这项工作的意义在于它为船舶数字孪生和整体动力系统仿真提供了一个经过验证的、关键的螺旋桨子模型。该模型能够更真实地反映船舶在波浪中的实际工况，从而提升船舶设计、性能预报和操作优化的准确性。对于保障船舶在恶劣海况下的航行安全与效率具有重要的工程应用价值。