船舶螺旋桨和舵上的空蚀现象

船舶螺旋桨和舵上的空蚀现象【摘要】近二十年里，由于日益增加的螺旋桨功率和大型船舶的船速，螺旋桨和舵上的空蚀成为一个越来越大的问题。侵蚀的确切原因还有特定类型的空泡和侵蚀的关系现在还没有被充分的认知。基于经验，侵蚀的危险和几种特定类型的空泡有关，这个可以通关计算和（或）模型测试可以的出来。在欧盟支持的项目EROCAV中，相关人员对空蚀的基本机制进行了研究，并且开发了一种新的预测螺旋桨和舵上空蚀危险的方法。【关键词】螺旋桨，舵，空泡，侵蚀，模型——实船【引言】航运市场对结合高功率与低噪声低振动螺旋桨的商船有着极强的需求。最大功率的单桨船在过去的二十年里在商船队中一直占领者统治地位，从百分之三十上升到了百分之六十。随着（大型）船舶速度的增加，螺旋桨的负载也在增加。由于螺旋桨造成的不均匀流动，研究螺旋桨与船体的交互作用是个富有挑战性的难题。随着船速和螺旋桨负载的增加，在螺旋桨和附体（舵和构架）上的空泡现象也越来越具有危险性。工程方法可以预测空泡导致的侵蚀，但是这些方法仅仅是一般性的，真正在空泡现象中的物理过程只有部分是已知的。因此我们需要一个科学的预测空蚀的方法。包含空泡效应的工程模拟需要基于研究室的等比例的试验对整个现象有更进一步的了解。在2001年，欧洲的船东代表、螺旋桨制造商、船级社、研究机构（包括模型）和大学组成了一个合作团队，对空泡对螺旋桨和舵的侵蚀开始了为期三年的研究。这个项目被称为EROCAV。合伙人分别是：德国的汉堡造船试验站、法国的Bassind’EssaisdesCarèns、瑞典的查尔莫斯大学工学专业、德国劳氏船级社、波兰的船舶与研究中心（CTO）、瓦锡兰推进公司（法国船级社）、英国的劳氏船舶登记机构、荷兰海事研究协会、德国的梅克伦堡州的Metallguß、瑞典的SSPAAB、瑞典的WalleniusrederiernaAB欧盟在他们GROWTH计划的范围内对于这个项目给予了资金支持。这个工作的主要目的是推进对基本物理原理的了解，以及开发一种新的预测工具，在早期设计阶段分析船的螺旋桨和舵的侵蚀。为了进一步对基本物理原理进行了解和研究，研究人员在四艘不同的船舶的尾部装上了窗户，这让观察螺旋桨和舵的空泡提供了可能。所有的调查都是针对定螺距螺旋桨的单桨船的。之所以做这样的选择是因为在实船的螺旋桨和舵上出现了空泡现象，然而模型的试验中根本没有出现，或者说至少没有明确的迹象表明螺旋桨和舵有被侵蚀的危险。一号船是一艘滚装船。因为在运营时期，该船的螺旋桨和舵出现了侵蚀，所以选择了这样的船。二号船是一艘大型集装箱船。在该船运营几周后，在其桨叶叶梢发现了一些侵蚀。三号船仍旧是一艘大型集装箱船。它也是因为运营一段时间后在螺旋桨发现了一些侵蚀而被选上的。四号船是一艘稍小的集装箱船。这艘船由于桨叶叶梢出现了非常严重的侵蚀而被选为试验船。在新船建造之前的模型试验都是由一个EROCAV的合伙人指挥的，因此这个合作团队就有很多非常有用的信息来用于比较试验结果。关于螺旋桨的设计理念，这个合作团队有点不注重这个方面，鉴于这四艘船的螺旋桨中只有一个是有合作团队的其中一个设计的。EROCAV开发了一种新的、改进了的方法来预测船舶螺旋桨和舵上空蚀的发生。这也导致了用于检测螺旋桨和舵检测的方法和设备的进一步改进。同时指导方针也得到了改进，在计算和模型测试阶段，对设计者，也对在审核设计中有关侵蚀的危险有很大帮助。首次的成果已经被发表在了（Junglewitz和Friesch，2003）。此外这个团队还开发了一个在实船发生空蚀时候，用于表明需要做些什么来解决侵蚀问题的软件。一、侵蚀预测技术在EROCAV的范围内，研究人员对几种预测技术进行了调查。其中的一些已经存在并且已经被用于实践。其它的都是应用于空蚀预测领域的新的方法。油漆试验法SSPA运用油漆试验技术已经有好几年了，它收集了大量的相关数据。油漆的成分已经被仔细的优化过了，所以现在的侵蚀预测通常相当准确，尽管这些预测偶尔仍会出现一些不让人完全满意的地方。因此，研究人员决定调查一种可以更加精确预测的油漆成分，为达到这一目的，他们对16种不同成分的油漆进行了分析，其中包括五种由转包商推荐的全新种类的油漆，剩下的种类都是由SSPA自己的配方做了些改变而得来的。所有的配方都被应用在一个已知有侵蚀的螺旋桨模型上，在这些模型中，研究人员制作了青铜制的和铝制的复制品来调查大量运用于螺旋桨制造的材料之间的不同。调查表明，SSPA初始的配方仍旧是最好的一个，因此他被EROCAV选择并推广为船舶试验槽的进一步试验的油漆配方。油漆预测技术被选择作为一个可靠、可行的用于空蚀预测的方法。冲击法客观的冲击法能够定量的对侵蚀的危险性进行评估。这种方法的可行性在于，能通过流动时的声学特性来对空蚀进行检测，也就是空泡撞击设计模型造成的噪音。测量实在一个小的试验槽中进行的，槽中有一个靠近设计模型的电火花产生单个的气泡。尽管这个技术看上去很有发展前途，但对于运用到实际的空蚀预测来说，空泡撞击造成的噪音频谱过于复杂了，进一步的发展是有必要的。高速录像法在EROCAV的项目范围中，高速录像法已经被开发出来了。这个方法的目的是要能够研究空泡现象的细节，然后据此对侵蚀的机制有更近一步的认知。高速视频技术既适用于EROCAV的模型试验，也同样可以在三号船上进行EROCAV的实船测试。这个是由一个超快的数字视频录制系统构成的，它具有记录多达4500帧率每秒的图像的能力。通过模型比例尺的应用，这种相机可以被放置在空蚀试验槽的窗户之外，或者，在海船的低压拖曳水槽中，它可以被放置在与船和螺旋桨模型有一段距离的流线型外壳中。螺旋桨模型的关照研究是对高速录像观察自身的研究。不同方向上的光照对于拍摄出合适形状的型腔体是非常必要的，高速录像需要高功率的连续照明，这个问题已经由于模型比例尺的应用而得到解决。然而，在实船上，相机放置在了离螺旋桨十米远的地方从而导致了一个额外照明的问题。研究表明，在实船的高速观察中，如果水很清澈并且阳光充足的话，人工光源并不是必需的。高速录像法是已经被采用并推广到实际运用中的方法之一。它是一个判断空泡侵蚀度的一个有力的工具，在EROCAV手册中还有进一步的描述（见下一章）。在EROCAV对这个方法进行了成功运用的不久以后，这个方法被运用于另一个大型集装箱船（Ligtelijn等人，2004）。在以下资料中有对这个方法更详细的描述说明（Tukker和Kuiper，2004）。软金属法这是一个过去已经尝试使用过的技术。在这种情况下部分的螺旋桨模型（通常是用青铜制成的）被插入一个了软金属，然后螺旋桨模型在空泡试验筒中工作一段时间，以嵌入的软金属的重量损失量作为一个侵蚀度的指标。这种方法的缺点之一是首先必须要在螺旋桨上确立一个存在侵蚀风险的位置，这个位置不总是很明显的。调查表明，铝是一种相对合适的用来检测和显示空蚀的材料，然而利用这种方法进行定量的研究还需要更多的研究和检验来建立可能的测量效果。因此这个方法作为一个实际运用的工具尚未得到推广。发射声音法研究人员借助声频发射传感器对于空蚀检测、空蚀位置和空蚀量做了调查，第一个这样的测试是在一个实验机构开展的，测试结果明显地表明，铝材料发生的侵蚀率可以由声能测试出来。紧接着，这个方法被应用到一个在干船坞内的船舶的螺旋桨和舵上，在这样的条件下，空蚀作为一个声源被一个简单但是有效的人工声源代替，这个人工声源是从一个与舵和螺旋桨表面接触的铅笔芯折断发出来的。这些测量显示了，在一个干燥的环境下，发射的声音信号可以在两千五百毫米外的距离被检测到，在运营的船舶发生的空泡撞击也可以被检测到并且可以进行测试。研究结果显示，空泡冲击可以利用声频发射传感器在螺旋桨上被检测到，可以检测到的位置就是潜在的可能被破坏的位置。这个方法还需要进一步的研究才能应用到船舶的日常运营中去，而这些进展正在发生着，所以这个方法可能在不远的将来就会被运用到船舶运营中去。这个方法已经在静态的力学结构中得到应用了，例如近海的结构。二、EROCAV观察手册人眼观察可能是评估空蚀并作出结论来减少这个问题的最古老的方法了。虽然如此，更新这们观察艺术似乎是很有用的，这个任务的主要的成果就是EROCAV观察手册（Bark等人，2004）。制作手册的其中一个特别的理由是，高速录像记录是目前最重要的新一代观察空泡的工具，它在时间和空间上的分辨能力现在已经达到了进行可靠的评估的要求。它还可以生成高质量的，不过在标准试验中也需要非常耗时的操作。已经有人提出了类似的观点，基于（Schöön和Bark，1998）和更早期的研究，认为这种光学型腔的行为会影响侵蚀的严重程度，所以侵蚀危险性的观测评估需要更多谨慎的考虑才能实行。程序手册的目的和应用这份手册是以提供基本的指南为目的，指南的内容是如何开展分析空泡的视觉观察来评估侵蚀风险以及在设计时能够控制的可能性。一个相关的核心思想是追溯一个小规模的水动力侵蚀直到一个大规模的伴流和形成空泡的流体水动力特性，通过这种方法工程设计数据就可以与水动力侵蚀机制相关联了。观察和分析步骤主要被规划为与模型试验相关的应用，但它也适用与实船尺寸的观察，在一定程度上也达到了数值模拟空泡效应的目的。这个应用的局限性是它至今为止只能描述早期的崩塌现象，不过下一代人应该会对这个关于空泡流的计算流体动力学的应用发展产生更多的兴趣，同样的，他们也不会进行直接的破坏性模仿试验，也就是材料的点蚀。因为视觉上的侵蚀评估不考虑任何船体表面的响应，这份手册是一个对于空泡的正式分析方法，在严格意义上，这份手册只能仅仅作为油漆方式或类似工作的参考。虽然SSPA的油漆试验法很便捷而且也非常惊人的可靠，但是在手册中证明了，这个有很多观察得到的自由变量的程序很容易显露出由于油漆试验的直接应用很容易被遗漏的事实。相反地，有时候也会发生程序手册遗漏了油漆试验法的侵蚀记录的情况，所以手册和实际方法相互结合使用是强烈推荐的使用方法。程序手册的观点和手册的组成1.重点介绍一种宏观崩塌时的能量密度。2.崩塌的过程分为两个主要过程，宏观的崩塌和微观的崩塌，与宏观的型腔和微观的型腔相对应。3.对宏观运动反向的总体型腔和流动的追踪。对于聚集的流体，球形的崩塌能量密度是最明显的，也就是这里所说的宏观现象。由于动能密度（单位体积液体具有的动能）在型腔的接触面上有一个最大值，这个最大值会随着崩塌的进行而增加。Rayleigh-Plesset方程已经可以很明确的描述出崩塌的过程，宏观的概念也认为能量密度的集中是群组和序列的型腔崩塌的成因。崩塌过程可以分解为宏观和微观的型腔，这是由一部分实践的观点组成的。宏观型腔的定义为“型腔或型腔的结构（玻璃质的，浑浊的或是混合的），这些型腔的体积最后会完成一个加速的过程，快速并且往往会反弹发生崩塌现象，在这个过程中，能量密度集中到了一个很小范围的非常贴近船体表面的液体中从而发生崩塌现象。宏观的型腔是由微观上总体的型腔发展而来的。微观型腔定义为“小规模的型腔结构保留并传递了宏观能量，聚集的型腔变得越来越小运动越来越快而不能通过观测技术进行进一步的观测。”因此微观型腔太小运动也太快而不能在常规的试验中用高速录像进行详细的观察。有个观点是，这些小气泡，也就是通常被认为是云状的空泡，应该是侵蚀和点蚀的成因。这个观点对现在的概念模型来说是非常重要的，虽然玻璃质型腔可以收集所有的能量。这种对空蚀产生成因的的观点避免了很多定义解释的互相冲突。这份手册内容里的主要概念有：1.构成空泡分析术语的很多的定义。2.对于崩塌与聚集过程建模的理论基础。3.聚集的广义概念。4.设置的一套能够导致腐蚀性崩塌的水动力机制，这个机制可以为进一步的评估提供术语和标准。5.一份用于叙述如何进行试验、记录（高速录像、常规录像和声音的记录）、结果分析的程序/清单。水动力机制水动力侵蚀机制有相当多的新发现，在这里我们只对其中的一小部分做些简要的评论。主要的机制是玻璃质型腔的崩塌，如上文提到的玻璃质型腔由于能量密度的集中间接地作用，最终串联为小气泡，这种小气泡通常存在于将要玻璃质化的型腔的边缘