双螺旋桨旋转方向对开阔海域海床冲刷的影响

《Ocean Engineering》：Twin propeller rotational direction effects on unconfined seabed scour

　　•双螺旋桨的旋转方式会显著影响开放海域海床的冲刷形态。•旋转方向决定了冲刷坑的长度和宽度特征。•双螺旋桨的冲刷特性与单螺旋桨有所不同。•不同旋转方式下的最大冲刷深度相近，但均高于单螺旋桨的情况。

引言
由于效率高且结构简单，大多数现代船舶都采用螺旋桨作为主要推进装置。用于大型船舶操纵的推进系统，尤其是在空间有限的港口区域内，会产生由轴向、径向和切向速度分量构成的三维高速射流（Wei等人，2020）。螺旋桨射流与海床相互作用，会在近海床区域产生数米每秒的速度（Sumer和Freds?e，2002年第9章）。这些较高的近海床速度会导致沉积物移动，进而引发港口区域及码头结构周围的冲刷现象。由螺旋桨射流在码头结构周围引发的冲刷往往比自然水流造成的冲刷更为严重（PIANC，2015）。此外，沉积物的移动还可能使受污染的沉积物重新悬浮，并在进港通道中积累沉积物（Mujal-Colilles等人，2018）。

已有大量研究探讨了单螺旋桨射流引发的冲刷现象以及在不同条件下的海床响应，包括开放海域海床（Hong等人，2013；Tan和Yüksel，2018）、码头墙（Hamill等人，1999；Ryan和Hamill，2013；Yuksel等人，2019）、开放式码头结构（Maoxing和Yee-Meng，2017；Tan，2019；Yuksel等人，2018；Yuksel等人，2021）以及倾斜岸坡（Wei等人，2018）。这些研究建立了射流特性、沉积物输送过程与冲刷形态之间的基本关联。

随着滚装船、游轮、军舰以及大型货船等大型船舶越来越多地采用双螺旋桨，以提高操纵性、冗余性和推力效率（PIANC，2019），过去十年间，关于双螺旋桨射流引发的开放海域海床冲刷（Yew等人，2017a；Cui等人，2019a；Cui等人，2019b；Haf?zo?ullar?等人，2026）以及码头结构周围冲刷（Mujal-Colilles等人，2018；Cui等人，2020a；Llull等人，2021；Curulli等人，2022；Suljevic和Kesgin，2025）的研究也日益受到重视。与单螺旋桨系统相比，双螺旋桨会产生相互作用的射流，从而显著改变流场（Jiang等人，2019；Cui等人，2020b），进而形成更深、更长、更宽的冲刷坑（Cui等人，2020c；Suljevic和Kesgin，2025）。

实验研究表明，单螺旋桨射流引发的冲刷特性取决于螺旋桨参数、螺旋桨转速（n）、螺旋桨旋转轴与海床之间的距离（G）以及沉积物性质等因素。而对于双螺旋桨而言，还有两个额外的决定性参数：螺旋桨旋转轴之间的距离（ap）以及螺旋桨的旋转方向。

在现有关于双螺旋桨引发冲刷和流场的文献中，大多数实验都采用了外部反向旋转配置，因为这种配置在实际船舶操作中常被用来产生前进推力（Cui等人，2019a）。不过，双螺旋桨系统也可通过内部反向旋转来产生后退推力，或者在某些船舶上产生前进推力（Rowe，2000年第11章）。此外，Rowe（2000年第11章）指出，在船舶转向时，双螺旋桨也可以以相同旋转方向运转，从而产生横向推力。在这种同向旋转配置中，一个螺旋桨处于前进状态，而另一个则处于后退状态。另外，Yew等人（2017a）和Suljevic与Kesgin（2025）在研究中也采用了同向旋转的右旋双螺旋桨。这种配置可视为类似于滚装船上安装多个船首或船尾推进器的做法（PIANC，2015）。

据我们所知，虽然有一些研究探讨了螺旋桨旋转方向对双螺旋桨在码头墙周围引发的封闭区域冲刷的影响（Mujal-Colilles等人，2018；Cui等人，2020a；Llull等人，2021），但只有少数研究分析了旋转方向对双螺旋桨在开放海域海床引发的冲刷的影响（Cui等人，2020c）。在封闭区域（Cui等人，2020a）和开放海域（Cui等人，2020c）的实验中，都分析了内部反向旋转和外部反向旋转的双螺旋桨所引发的冲刷现象。他们的研究结果表明，外部反向旋转配置会形成两个由中央脊状结构分隔的独立冲刷坑，而非一个合并的冲刷坑。从工程角度而言，单个合并的冲刷坑通常更为危险，因为其最大冲刷深度更大（Suljevic和Kesgin，2025）。

Mujal-Colilles等人（2018）和Llull等人（2021）研究了在前进航行状态（内部反向旋转双螺旋桨）以及前后组合航行状态（内部和外部反向旋转双螺旋桨同时作用）下，双螺旋桨在码头墙周围引发的冲刷现象。他们的研究结果表明，与内部反向旋转配置相比，外部反向旋转配置会形成更深的冲刷坑，这充分体现了旋转方向对冲刷发展过程和形态的显著影响。尽管现有研究已取得重要成果，但这些研究仅限于内部反向旋转和外部反向旋转配置，尚未考虑同向旋转的双螺旋桨配置。因此，不同双螺旋桨旋转方向对开放海域海床冲刷过程的影响仍缺乏充分了解，也缺少全面系统的实验评估。

为弥补这一不足，本研究通过实验分析了在不同螺旋桨转速（n）、螺旋桨旋转轴与海床之间的距离（G）以及螺旋桨旋转轴之间的距离（ap）条件下，不同旋转方向的双螺旋桨所引发的开放海域海床冲刷现象。同时，也进行了单螺旋桨实验，以便对比不同旋转方向的双螺旋桨与单螺旋桨所产生的冲刷差异。此外，还针对以往研究中常用的典型运行条件，展示了冲刷剖面的随时间变化情况。这是首次对双螺旋桨的外部反向旋转、内部反向旋转以及两种同向旋转配置在开放海域海床冲刷方面的作用进行系统性实验对比。因此，本研究的结果为理解双螺旋桨旋转方向在开放海域海床冲刷特性中的作用提供了新见解，对于港口及码头基础设施的设计与评估具有直接意义。

实验装置
实验是在土耳其伊斯坦布尔技术大学水利实验室的玻璃壁水槽中进行的。本研究使用的水槽长6.2米，宽1.7米，深1.2米，中间有一个长2米、宽1.5米、深0.30米的沙坑，用于模拟海床。实验室水道的示意图见图1。螺旋桨安装在可调节平台上，该平台置于水槽的假底上，螺旋桨则安装在一个双丙烯酸箱系统中。

激光雷达扫描的验证
在本研究中，每次实验结束后，在不破坏冲刷形态的情况下，会慢慢排空实验室水道中的水，然后对沙床进行扫描。使用苹果11英寸M2版iPad Pro来获取海床的三维形态，从而生成密集的表面点云。这项技术已在工程和地貌学研究中得到广泛应用，具有很高的精度（Gollob等人，2021；Bobrowski等人，2023；Luetzenburg等人，2021）。

原始点云数据……

结论
在这项实验研究中，系统地分析了双螺旋桨旋转方向对开放海域非黏性海床冲刷的影响。研究涵盖了所有可能的旋转方向，包括双螺旋桨外部旋转（TPER）、双螺旋桨内部旋转（TPIR）、左旋船首螺旋桨顺时针旋转以辅助操纵时的同向旋转（TPSD），以及两个螺旋桨均为右旋时的同向旋转。

作者贡献说明
F. Sencer Kacar：撰写原文初稿、可视化处理、方法设计、实验实施、正式分析、数据整理、概念构建。Erdal Kesgin：撰写文章评审与编辑、项目监督、项目管理、方法设计、资金筹集、概念构建。

资金支持
本研究得到了伊斯坦布尔技术大学科学研究项目协调处的支持（项目编号：MGA-2026-48337）。第一作者衷心感谢土耳其科学技术研究委员会通过2211-A国家博士奖学金计划给予的支持。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

F. Sencer Kacar | Erdal Kesgin