船舶螺旋槳和舵上的空蝕現(xiàn)象

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近二十年里，由于日益增加的螺旋槳功率和大型船舶的船速，螺旋槳和舵上的空蝕成為一個(gè)越來(lái)越大的問(wèn)題。侵蝕的確鑿原因還有特定類(lèi)型的空泡和侵蝕的關(guān)系現(xiàn)在還沒(méi)有被充分的認(rèn)知。基于經(jīng)驗(yàn)，侵蝕的危險(xiǎn)和幾種特定類(lèi)型的空泡有關(guān)，這個(gè)可以通關(guān)計(jì)算和（或）模型測(cè)試可以的出來(lái)。在歐盟支持的項(xiàng)目EROCAV中，相關(guān)人員對(duì)空蝕的基本機(jī)制進(jìn)行了研究，并且開(kāi)發(fā)了一種新的預(yù)計(jì)螺旋槳和舵上空蝕危險(xiǎn)的方法。

螺旋槳，舵，空泡，侵蝕，模型——實(shí)船

航運(yùn)市場(chǎng)對(duì)結(jié)合高功率與低噪聲低振動(dòng)螺旋槳的商船有著極強(qiáng)的需求。最大功率的單槳船在過(guò)去的二十年里在商船隊(duì)中一直占領(lǐng)者統(tǒng)治地位，從百分之三十上升到了百分之六十。隨著（大型）船舶速度的增加，螺旋槳的負(fù)載也在增加。由于螺旋槳造成的不均勻滾動(dòng)，研究螺旋槳與船體的交互作用是個(gè)富有挑戰(zhàn)性的難題。隨著船速和螺旋槳負(fù)載的增加，在螺旋槳和附體（舵和構(gòu)架）上的空泡現(xiàn)象也越來(lái)越具有危險(xiǎn)性。

工程方法可以預(yù)計(jì)空泡導(dǎo)致的侵蝕，但是這些方法僅僅是一般性的，真正在空泡現(xiàn)象中的物理過(guò)程只有部分是已知的。因此我們需要一個(gè)科學(xué)的預(yù)計(jì)空蝕的方法。包含空泡效應(yīng)的工程模擬需要基于研究室的等比例的試驗(yàn)對(duì)整個(gè)現(xiàn)象有更進(jìn)一步的了解。

在2023年，歐洲的船東代表、螺旋槳制造商、船級(jí)社、研究機(jī)構(gòu)（包括模型）和大學(xué)組成了一個(gè)合作團(tuán)隊(duì)，對(duì)空泡對(duì)螺旋槳和舵的侵蝕開(kāi)始了為期三年的研究。這個(gè)項(xiàng)目被稱(chēng)為EROCAV。合伙人分別是：德國(guó)的漢堡造船試驗(yàn)站、法國(guó)的Bassind’EssaisdesCarèns、瑞典的查爾莫斯大學(xué)工學(xué)專(zhuān)業(yè)、德國(guó)勞氏船級(jí)社、波蘭的船舶與研究中心（CTO）、瓦錫蘭推進(jìn)公司（法國(guó)船級(jí)社）、英國(guó)的勞氏船舶登記機(jī)構(gòu)、荷蘭海事研究協(xié)會(huì)、德國(guó)的梅克倫堡州的Metallgu?、瑞典的SSPAAB、瑞典的WalleniusrederiernaAB

歐盟在他們GROWTH計(jì)劃的范圍內(nèi)對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目給予了資金支持。這個(gè)工作的主要目的是推進(jìn)對(duì)基本物理原理的了解，以及開(kāi)發(fā)一種新的預(yù)計(jì)工具，在早期設(shè)計(jì)階段分析船的螺旋槳和舵的侵蝕。

為了進(jìn)一步對(duì)基本物理原理進(jìn)行了解和研究，研究人員在四艘不同的船舶的尾部裝上了窗戶，這讓觀測(cè)螺旋槳和舵的空泡提供了可能。所有的調(diào)查都是針對(duì)定螺距螺旋槳的單槳船的。

之所以做這樣的選擇是由于在實(shí)船的螺旋槳和舵上出現(xiàn)了空泡現(xiàn)象，然而模型的試驗(yàn)中根本沒(méi)有出現(xiàn)，或者說(shuō)至少?zèng)]有明確的跡象說(shuō)明螺旋槳和舵有被侵蝕的危險(xiǎn)。

一號(hào)船是一艘滾裝船。由于在運(yùn)營(yíng)時(shí)期，該船的螺旋槳和舵出現(xiàn)了侵蝕，所以選擇了這樣的船。

二號(hào)船是一艘大型集裝箱船。在該船運(yùn)營(yíng)幾周后，在其槳葉葉梢發(fā)現(xiàn)了一些侵蝕。

三號(hào)船仍舊是一艘大型集裝箱船。它也是由于運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后在螺旋槳發(fā)現(xiàn)了一些侵蝕而被選上的。

四號(hào)船是一艘稍小的集裝箱船。這艘船由于槳葉葉梢出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的侵蝕而被選為試驗(yàn)船。

在新船建造之前的模型試驗(yàn)都是由一個(gè)EROCAV的合伙人指揮的，因此這個(gè)合作團(tuán)隊(duì)就有好多十分有用的信息來(lái)用于比較試驗(yàn)結(jié)果。關(guān)于螺旋槳的設(shè)計(jì)理念，這個(gè)合作團(tuán)隊(duì)有點(diǎn)不重視這個(gè)方面，鑒于這四艘船的螺旋槳中只有一個(gè)是有合作團(tuán)隊(duì)的其中一個(gè)設(shè)計(jì)的。

EROCAV開(kāi)發(fā)了一種新的、改進(jìn)了的方法來(lái)預(yù)計(jì)船舶螺旋槳和舵上空蝕的發(fā)生。這也導(dǎo)致了用于檢測(cè)螺旋槳和舵檢測(cè)的方法和設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)。同時(shí)指導(dǎo)方針也得到了改進(jìn)，在計(jì)算和模型測(cè)試階段，對(duì)設(shè)計(jì)者，也對(duì)在審核設(shè)計(jì)中有關(guān)侵蝕的危險(xiǎn)有很大幫助。首次的成果已經(jīng)被發(fā)表在了（Junglewitz和Friesch，2023）。此外這個(gè)團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)在實(shí)船發(fā)生空蝕時(shí)候，用于說(shuō)明需要做些什么來(lái)解決侵蝕問(wèn)題的軟件。

一、侵蝕預(yù)計(jì)技術(shù)

在EROCAV的范圍內(nèi)，研究人員對(duì)幾種預(yù)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)查。其中的一些已經(jīng)存在并且已經(jīng)被用于實(shí)踐。其它的都是應(yīng)用于空蝕預(yù)計(jì)領(lǐng)域的新的方法。

油漆試驗(yàn)法SSPA運(yùn)用油漆試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)有好幾年了，它收集了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。油漆的成分已經(jīng)被細(xì)心的優(yōu)化過(guò)了，所以現(xiàn)在的侵蝕預(yù)計(jì)尋常相當(dāng)確鑿，盡管這些預(yù)計(jì)偶爾仍會(huì)出現(xiàn)一些不讓人完全滿意的地方。因此，研究人員決定調(diào)查一種可以更

加確切預(yù)計(jì)的油漆成分，為達(dá)到這一目的，他們對(duì)16種不同成分的油漆進(jìn)行了分析，其中包括五種由轉(zhuǎn)包商推薦的全新種類(lèi)的油漆，剩下的種類(lèi)都是由SSPA自己的配方做了些改變而得來(lái)的。所有的配方都被應(yīng)用在一個(gè)已知有侵蝕的螺旋槳模型上，在這些模型中，研究人員制作了青銅制的和鋁制的復(fù)制品來(lái)調(diào)查大量運(yùn)用于螺旋槳制造的材料之間的不同。

調(diào)查說(shuō)明，SSPA初始的配方仍舊是最好的一個(gè)，因此他被EROCAV選擇并推廣為船舶試驗(yàn)槽的進(jìn)一步試驗(yàn)的油漆配方。油漆預(yù)計(jì)技術(shù)被選擇作為一個(gè)可靠、可行的用于空蝕預(yù)計(jì)的方法。

沖擊法客觀的沖擊法能夠定量的對(duì)侵蝕的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。這種方法的可行性在

于，能通過(guò)滾動(dòng)時(shí)的聲學(xué)特性來(lái)對(duì)空蝕進(jìn)行檢測(cè)，也就是空泡撞擊設(shè)計(jì)模型造成的噪音。測(cè)量實(shí)在一個(gè)小的試驗(yàn)槽中進(jìn)行的，槽中有一個(gè)靠近設(shè)計(jì)模型的電火花產(chǎn)生單個(gè)的氣泡。盡管這個(gè)技術(shù)看上去很有發(fā)展前途，但對(duì)于運(yùn)用到實(shí)際的空蝕預(yù)計(jì)來(lái)說(shuō)，空泡撞擊造成的噪音頻譜過(guò)于繁雜了，進(jìn)一步的發(fā)展是有必要的。

高速錄像法在EROCAV的項(xiàng)目范圍中，高速錄像法已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。這個(gè)方法的目的是要能夠研究空泡現(xiàn)象的細(xì)節(jié)，然后據(jù)此對(duì)侵蝕的機(jī)制有更近一步的認(rèn)知。高速視頻技術(shù)既適用于EROCAV的模型試驗(yàn)，也同樣可以在三號(hào)船上進(jìn)行EROCAV的實(shí)船測(cè)試。這個(gè)是由一個(gè)超快的數(shù)字視頻錄制系統(tǒng)構(gòu)成的，它具有記錄多達(dá)4500幀率每秒的圖像的能力。通過(guò)模型比例尺的應(yīng)用，這種相機(jī)可以被放置在空蝕試驗(yàn)槽的窗戶之外，或者，在海船的低壓拖曳水槽中，它可以被放置在與船和螺旋槳模型有一段距離的流線型外殼中。

螺旋槳模型的照料研究是對(duì)高速錄像觀測(cè)自身的研究。不同方向上的光照對(duì)于拍攝出適合形狀的型腔體是十分必要的，高速錄像需要高功率的連續(xù)照明，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)由于模型比例尺的應(yīng)用而得到解決。然而，在實(shí)船上，相機(jī)放置在了離螺旋槳十米遠(yuǎn)的地方從而導(dǎo)致了一個(gè)額外照明的問(wèn)題。研究說(shuō)明，在實(shí)船的高速觀測(cè)中，假使水很清澈并且陽(yáng)光充足的話，人工光源并不是必需的。

高速錄像法是已經(jīng)被采用并推廣到實(shí)際運(yùn)用中的方法之一。它是一個(gè)判斷空泡侵蝕度的一個(gè)有力的工具，在EROCAV手冊(cè)中還有進(jìn)一步的描述（見(jiàn)下一章）。在EROCAV對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行了成功運(yùn)用的不久以后，這個(gè)方法被運(yùn)用于另一個(gè)大型

集裝箱船（Ligtelijn等人，2023）。在以下資料中有對(duì)這個(gè)方法更詳細(xì)的描述說(shuō)明（Tukker和Kuiper，2023）。

軟金屬法這是一個(gè)過(guò)去已經(jīng)嘗試使用過(guò)的技術(shù)。在這種狀況下部分的螺旋槳模型（尋常是用青銅制成的）被插入一個(gè)了軟金屬，然后螺旋槳模型在空泡試驗(yàn)筒中工作一段時(shí)間，以嵌入的軟金屬的重量損失量作為一個(gè)侵蝕度的指標(biāo)。這種方法的缺點(diǎn)之一是首先必需要在螺旋槳上確立一個(gè)存在侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的位置，這個(gè)位置不總是很明顯的。調(diào)查說(shuō)明，鋁是一種相對(duì)適合的用來(lái)檢測(cè)和顯示空蝕的材料，然而利用這種方法進(jìn)行定量的研究還需要更多的研究和檢驗(yàn)來(lái)建立可能的測(cè)量效果。因此這個(gè)方法作為一個(gè)實(shí)際運(yùn)用的工具尚未得到推廣。

發(fā)射聲音法

研究人員借助聲頻發(fā)射傳感器對(duì)于空蝕檢測(cè)、空蝕位置和空蝕量做了調(diào)查，第一個(gè)這樣的測(cè)試是在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)開(kāi)展的，測(cè)試結(jié)果明顯地說(shuō)明，鋁材料發(fā)生的侵蝕率可以由聲能測(cè)試出來(lái)。緊接著，這個(gè)方法被應(yīng)用到一個(gè)在干船塢內(nèi)的船舶的螺旋槳和舵上，在這樣的條件下，空蝕作為一個(gè)聲源被一個(gè)簡(jiǎn)單但是有效的人工聲源代替，這個(gè)人工聲源是從一個(gè)與舵和螺旋槳表面接觸的鉛筆芯折斷發(fā)出來(lái)的。這些測(cè)量顯示了，在一個(gè)枯燥的環(huán)境下，發(fā)射的聲音信號(hào)可以在兩千五百毫米外的距離被檢測(cè)到，在運(yùn)營(yíng)的船舶發(fā)生的空泡撞擊也可以被檢測(cè)到并且可以進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果顯示，空泡沖擊可以利用聲頻發(fā)射傳感器在螺旋槳上被檢測(cè)到，可以檢測(cè)到的位置就是潛在的可能被破壞的位置。這個(gè)方法還需要進(jìn)一步的研究才能應(yīng)用到船舶的日常運(yùn)營(yíng)中去，而這些進(jìn)展正在發(fā)生著，所以這個(gè)方法可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)被運(yùn)用到船舶運(yùn)營(yíng)中去。這個(gè)方法已經(jīng)在靜態(tài)的力學(xué)結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用了，例如近海的結(jié)構(gòu)。

二、EROCAV觀測(cè)手冊(cè)

人眼觀測(cè)可能是評(píng)估空蝕并作出結(jié)論來(lái)減少這個(gè)問(wèn)題的最古老的方法了。雖然如此，更新這們觀測(cè)藝術(shù)似乎是很有用的，這個(gè)任務(wù)的主要的成果就是EROCAV觀測(cè)手冊(cè)（Bark等人，2023）。

制作手冊(cè)的其中一個(gè)特別的理由是，高速錄像記錄是目前最重要的新一代觀測(cè)空泡的工具，它在時(shí)間和空間上的分辯能力現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了進(jìn)行可靠的評(píng)估的要求。它還可以生成高質(zhì)量的，不過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中也需要十分耗時(shí)的操作。已經(jīng)有

人提出了類(lèi)似的觀點(diǎn)，基于（Sch??n和Bark，1998）和更早期的研究，認(rèn)為這種光學(xué)型腔的行為會(huì)影響侵蝕的嚴(yán)重程度，所以侵蝕危險(xiǎn)性的觀測(cè)評(píng)估需要更多提防的考慮才能實(shí)行。

程序手冊(cè)的目的和應(yīng)用

這份手冊(cè)是以提供基本的指南為目的，指南的內(nèi)容是如何開(kāi)展分析空泡的視覺(jué)觀測(cè)來(lái)評(píng)估侵蝕風(fēng)險(xiǎn)以及在設(shè)計(jì)時(shí)能夠控制的可能性。一個(gè)相關(guān)的核心思想是追溯一個(gè)小規(guī)模的水動(dòng)力侵蝕直到一個(gè)大規(guī)模的伴流和形成空泡的流體水動(dòng)力特性，通過(guò)這種方法工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)就可以與水動(dòng)力侵蝕機(jī)制相關(guān)聯(lián)了。觀測(cè)和分析步驟主要被規(guī)劃為與模型試驗(yàn)相關(guān)的應(yīng)用，但它也適用與實(shí)船尺寸的觀測(cè)，在一定程度上也達(dá)到了數(shù)值模擬空泡效應(yīng)的目的。這個(gè)應(yīng)用的局限性是它至今為止只能描述早期的崩塌現(xiàn)象，不過(guò)下一代人應(yīng)當(dāng)會(huì)對(duì)這個(gè)關(guān)于空泡流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生更多的興趣，同樣的，他們也不會(huì)進(jìn)行直接的破壞性模仿試驗(yàn)，也就是材料的點(diǎn)蝕。

由于視覺(jué)上的侵蝕評(píng)估不考慮任何船體表面的響應(yīng)，這份手冊(cè)是一個(gè)對(duì)于空泡的正式分析方法，在嚴(yán)格意義上，這份手冊(cè)只能僅僅作為油漆方式或類(lèi)似工作的參考。

雖然SSPA的油漆試驗(yàn)法很便捷而且也十分驚人的可靠，但是在手冊(cè)中證明白，這個(gè)有好多觀測(cè)得到的自由變量的程序很簡(jiǎn)單顯露出由于油漆試驗(yàn)的直接應(yīng)用很簡(jiǎn)單被遺漏的事實(shí)。相反地，有時(shí)候也會(huì)發(fā)生程序手冊(cè)遺漏了油漆試驗(yàn)法的侵蝕記錄的狀況，所以手冊(cè)和實(shí)際方法相互結(jié)合使用是猛烈推薦的使用方法。

程序手冊(cè)的觀點(diǎn)和手冊(cè)的組成

1.重點(diǎn)介紹一種宏觀崩塌時(shí)的能量密度。

2.崩塌的過(guò)程分為兩個(gè)主要過(guò)程，宏觀的崩塌和微觀的崩塌，與宏觀的型腔和微觀的型腔相對(duì)應(yīng)。

3.對(duì)宏觀運(yùn)動(dòng)反向的總體型腔和滾動(dòng)的追蹤。