减少舵的空泡现象的探讨

减少舵的空泡现象的探讨

管悦然

（江苏科技大学江苏镇江２１２００３）

摘要：本文描述了几类舵的空泡现象，以及用于预测其出现的方法，并提出了可以减小或避免舵的空泡现象的设计方法，介绍了减轻舵空蚀现象的措施。

０引言

船舶附体的空泡现象的生成导致了例如剥蚀、结

构振动和效率低下等不理想的结果，并且性能的降低

和额外的修理明显减少了船舶营运的收益。另为安全

起见，也必须要避免舵被大面积剥蚀。为此，德国劳埃

德船级社提出了一些建议来预防舵的空泡现象。

空泡腐蚀在船速超过２２ｋｎ，螺旋桨达到高载荷（Ｐ／

（０．２５Ｄ２π）＞７００ｋＷ／ｍ２，Ｐ表示螺旋桨功率，Ｄ指螺旋桨

直径）时才会出现。空泡腐蚀研究只有发生在用于航行

保持的舵角±４ｏ变化范围内时，才有实际意义。大舵角（大于１５ｏ）的空泡现象是不可避免的。为了减小或避免舵的空泡，尤其在设计阶段，应实行空泡危险评估。高流速导致低压力。如果压力下降到水蒸汽压力以下，空泡就形成并被蒸汽填满，当压力增大时空泡就消失了。空泡形成与爆破极为迅速。空泡现象包括非线性多相流的高复杂物理过程。当小水泡被蒸汽填满，在舵叶表面或靠近舵叶表面的地方产生内爆，就会产生空泡腐蚀。由此，导致了舵叶面的小裂纹和材料的剥蚀，海水也将进一步扩大其腐蚀程度（材料电镀的缺失）。为了估算流体空泡现象的可能性，定义无因次空泡数为：σ＝Ρ－ΡＶ

０．５ρＶ２

Ｐ代表大气压力和水静压力，ＰＶ代表饱和蒸汽压力（当水温为１５℃时，ＰＶ＝１７００Ｐａ）。在理想液体中，空泡现象产生于局部压力降至汽化压力的时候；实际上，空泡现象提早就出现了。

以下列举了不同类型的空泡现象：

●舵叶梢的空泡（见图１）

●舵底承的空泡现象（见图２）

由于舵两边压力不同，吸力面的压力会在舵底承周围产生分流而导致舵梢涡，这种涡空泡如果和叶梢相接将会造成材料损耗。

图１舵的空泡现象

图２舵底空泡腐蚀

●螺旋桨梢涡空泡现象

空泡水管中的压力降低到一定值时，螺旋桨将导致梢涡的发生。在螺旋桨后面，梢涡会形成螺旋形的涡空泡并与舵相接（见图３）。

●螺旋桨毂涡空泡现象

螺旋桨叶毂处的涡汇集一起，形成毂涡（见图４）。

●表面不平处的空泡现象

表面的不平度会影响流过凸形表面和桨叶端部时的层流速度，引起低压，从而导致频繁的空泡腐蚀（见图５）。

●间隙空蚀

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间隙空蚀会导致舵重要结构部分的腐蚀（见图６）。

图３梢涡空泡现象

图４毂涡空泡

图５表面不平度的实例

图６间隙腐蚀１舵空泡现象的预测方法

１．１数值法

基于计算流体动力学的方法可以用来估算空泡范围，却不能预测剥蚀的发生。如果计算流体动力学法可以用来避免空泡现象，剥蚀问题就能从本质上得到解决。运用计算流体动力学法的优点是设计可以最优化并且可以找出修理方法（例如安装导板）。

１．２模型试验

模型试验可用来估算实尺度舵的空泡现象。然而，船模试验费用较高，因此，这有悖于设计最优化的理念。

１．３实尺度测量

实尺度测量是可靠的，但费用昂贵。尽管这很适合用来探测腐蚀现象的发生，但从设计角度来说，这种方法跟不上时间要求。

２运用数字方法

ＲＡＮＳ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ－ａｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ）的解决者们执行的是流体容积方式的分界面锁定技术，这是当今计算螺旋桨尾流里运行的舵周围的空泡流的首选技术。将质量和动量守恒方程作为起点，解法的范围被进一步划分为有限数目的控制体积，这些体积可能是任意形状，对此积分则应近似地使用中点法则。通过螺旋桨叶面的质量流由于之前的反复而减少。螺旋桨叶面中心的位置变量是由螺旋桨中心的差值法决定的，每两个相位的空间分配是通过解出流体之一的体积分数的附加运输方程得到的。空泡模拟在于空泡的分配、蒸汽气泡的对流和气泡形成及溃灭的描述。将空泡现象模拟为两股相位流，分别是水和水蒸汽的相位。来源项将密度运输方程式（流体容积标准）开拓为制造和删去水蒸汽的容积。Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程描述了蒸汽气泡的形成及溃灭，并且也使用了典型的两平衡湍流模型。

２．１计算程序

由于压力和舵周围水流流速的平方成比例，因而

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螺旋桨尾流的速度场很大程度地影响了压力场，所以螺旋桨的精确测定需要正确的预测舵的压力分布。故列出了以下程序，包含下面几个步骤：

●用实尺度的雷诺数进行计算。

●舵的几何模拟，包括所有的细节，例如，间隙和尾轴。

●旋转螺旋桨的几何模拟。

●理想情况下，船体的几何模拟。这种模拟需要高等计算和模拟效应的结果。如：在计算范围入口界线

处，可将船体效应强加于估算的公称实船伴流上。

●数字网格应适用于各自流体问题的物理需求，并且更多的网格点应集中在梯度变化大、空泡现象预计会发生的区域。典型的网格应该是２５０万个网格（图形７）。

２．２没有空泡现象模型的流体计算

空泡现象的危险度是可以用总压力值Ｐ估算出。

图７数字网格

图８舵分布的总压力，计算空泡现象的危险度

Ｐ＝Ｐｄｙｎ＋Ｐｓｔａｔ＋Ｐａｔｍ。

Ｐｄｙｎ＝动态压力（消极的），可用计算流体动力学的方法计算出（见图８）。

Ｐｓｔａｔ＝静态压力＝ρｇｈ（ｈ＝舵和水平面间的距离；ρ＝水的密度）。

Ｐａｔｍ＝大气压力＝１０３ｋＰａ。

如果总压力Ｐ降至水蒸汽压力之下，就会发生空泡现象（见图８）。

２．３空泡流的计算

蒸汽浓度可计算出，蒸汽浓度的等压面也可根据空泡现象的显形绘制出。由于各种不同原因，实验观察的空泡和计算空泡体积的等面很难对比。实验中，观察员阐述了空泡现象出现的区域以及不同区域出现的不同的空泡形式。空泡印记由显影表示出来。另一方面，计算出的空泡范围取决于所选的蒸汽浓度。图９比较了水翼艇的观察值和计算流体动力学计算值。图１０说明了舵空泡现象的计算结果。

图９与实验得到的空泡现象的平均值相比，计算的最小值与最大值（灰色处）８