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越來越大的問題。侵蝕的確鑿原因還有特定類型的空泡和侵蝕的關(guān)系現(xiàn)在還沒有被充分的認知。基于經(jīng)驗，侵蝕的危險和幾種特定類型的空泡有關(guān)，這個可以通關(guān)計算和（或）模型測試可以的出來。在歐盟支持的項目EROCAV中，相關(guān)人員對空蝕的基本機制進行了研究，并且開發(fā)了一種新的預(yù)計螺旋槳和舵上空蝕危險的方法。

螺旋槳，舵，空泡，侵蝕，模型——實船

航運市場對結(jié)合高功率與低噪聲低振動螺旋槳的商船有著極強的需求。最大功率的單槳船在過去的二十年里在商船隊中一直占領(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，螺旋槳的負載也在增加。由于螺旋槳造成的不均勻滾動，研究螺旋槳與船體的交互作用是個富有挑戰(zhàn)性的難題。隨著船速和螺旋槳負載的增加，在螺旋槳和附體（舵和構(gòu)架）上的空泡現(xiàn)象也越來越具有危險性。

工程方法可以預(yù)計空泡導(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)象中的物理過程只有部分是已知的。因此我們需要一個科學(xué)的預(yù)計空蝕的方法。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對整個現(xiàn)象有更進一步的了解。

在2023年，歐洲的船東代表、螺旋槳制造商、船級社、研究機構(gòu)（包括模型）和大學(xué)組成了一個合作團隊，對空泡對螺旋槳和舵的侵蝕開始了為期三年的研究。這個項目被稱為EROCAV。合伙人分別是：德國的漢堡造船試驗站、法國的Bassind’EssaisdesCarèns、瑞典的查爾莫斯大學(xué)工學(xué)專業(yè)、德國勞氏船級社、波蘭的船舶與研究中心（CTO）、瓦錫蘭推進公司（法國船級社）、英國的勞氏船舶登記機構(gòu)、荷蘭海事研究協(xié)會、德國的梅克倫堡州的Metallgu?、瑞典的SSPAAB、瑞典的WalleniusrederiernaAB

歐盟在他們GROWTH計劃的范圍內(nèi)對于這個項目給予了資金支持。這個工作的主要目的是推進對基本物理原理的了解，以及開發(fā)一種新的預(yù)計工具，在早期設(shè)計階段分析船的螺旋槳和舵的侵蝕。

為了進一步對基本物理原理進行了解和研究，研究人員在四艘不同的船舶的尾部裝上了窗戶，這讓觀測螺旋槳和舵的空泡提供了可能。所有的調(diào)查都是針對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船的螺旋槳和舵上出現(xiàn)了空泡現(xiàn)象，然而模型的試驗中根本沒有出現(xiàn)，或者說至少沒有明確的跡象說明螺旋槳和舵有被侵蝕的危險。

一號船是一艘滾裝船。由于在運營時期，該船的螺旋槳和舵出現(xiàn)了侵蝕，所以選擇了這樣的船。

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

三號船仍舊是一艘大型集裝箱船。它也是由于運營一段時間后在螺旋槳發(fā)現(xiàn)了一些侵蝕而被選上的。

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

在新船建造之前的模型試驗都是由一個EROCAV的合伙人指揮的，因此這個合作團隊就有好多十分有用的信息來用于比較試驗結(jié)果。關(guān)于螺旋槳的設(shè)計理念，這個合作團隊有點不重視這個方面，鑒于這四艘船的螺旋槳中只有一個是有合作團隊的其中一個設(shè)計的。

EROCAV開發(fā)了一種新的、改進了的方法來預(yù)計船舶螺旋槳和舵上空蝕的發(fā)生。這也導(dǎo)致了用于檢測螺旋槳和舵檢測的方法和設(shè)備的進一步改進。同時指導(dǎo)方針也得到了改進，在計算和模型測試階段，對設(shè)計者，也對在審核設(shè)計中有關(guān)侵蝕的危險有很大幫助。首次的成果已經(jīng)被發(fā)表在了（Junglewitz和Friesch，2023）。此外這個團隊還開發(fā)了一個在實船發(fā)生空蝕時候，用于說明需要做些什么來解決侵蝕問題的軟件。

一、侵蝕預(yù)計技術(shù)

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

油漆試驗法SSPA運用油漆試驗技術(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)被細心的優(yōu)化過了，所以現(xiàn)在的侵蝕預(yù)計尋常相當(dāng)確鑿，盡管這些預(yù)計偶爾仍會出現(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)計的油漆成分，為達到這一目的，他們對16種不同成分的油漆進行了分析，其中包括五種由轉(zhuǎn)包商推薦的全新種類的油漆，剩下的種類都是由SSPA自己的配方做了些改變而得來的。所有的配方都被應(yīng)用在一個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)制品來調(diào)查大量運用于螺旋槳制造的材料之間的不同。

調(diào)查說明，SSPA初始的配方仍舊是最好的一個，因此他被EROCAV選擇并推廣為船舶試驗槽的進一步試驗的油漆配方。油漆預(yù)計技術(shù)被選擇作為一個可靠、可行的用于空蝕預(yù)計的方法。

沖擊法客觀的沖擊法能夠定量的對侵蝕的危險性進行評估。這種方法的可行性在

于，能通過滾動時的聲學(xué)特性來對空蝕進行檢測，也就是空泡撞擊設(shè)計模型造成的噪音。測量實在一個小的試驗槽中進行的，槽中有一個靠近設(shè)計模型的電火花產(chǎn)生單個的氣泡。盡管這個技術(shù)看上去很有發(fā)展前途，但對于運用到實際的空蝕預(yù)計來說，空泡撞擊造成的噪音頻譜過于繁雜了，進一步的發(fā)展是有必要的。

高速錄像法在EROCAV的項目范圍中，高速錄像法已經(jīng)被開發(fā)出來了。這個方法的目的是要能夠研究空泡現(xiàn)象的細節(jié)，然后據(jù)此對侵蝕的機制有更近一步的認知。高速視頻技術(shù)既適用于EROCAV的模型試驗，也同樣可以在三號船上進行EROCAV的實船測試。這個是由一個超快的數(shù)字視頻錄制系統(tǒng)構(gòu)成的，它具有記錄多達4500幀率每秒的圖像的能力。通過模型比例尺的應(yīng)用，這種相機可以被放置在空蝕試驗槽的窗戶之外，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高速錄像觀測自身的研究。不同方向上的光照對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，這個問題已經(jīng)由于模型比例尺的應(yīng)用而得到解決。然而，在實船上，相機放置在了離螺旋槳十米遠的地方從而導(dǎo)致了一個額外照明的問題。研究說明，在實船的高速觀測中，假使水很清澈并且陽光充足的話，人工光源并不是必需的。

高速錄像法是已經(jīng)被采用并推廣到實際運用中的方法之一。它是一個判斷空泡侵蝕度的一個有力的工具，在EROCAV手冊中還有進一步的描述（見下一章）。在EROCAV對這個方法進行了成功運用的不久以后，這個方法被運用于另一個大型

集裝箱船（Ligtelijn等人，2023）。在以下資料中有對這個方法更詳細的描述說明（Tukker和Kuiper，2023）。

軟金屬法這是一個過去已經(jīng)嘗試使用過的技術(shù)。在這種狀況下部分的螺旋槳模型（尋常是用青銅制成的）被插入一個了軟金屬，然后螺旋槳模型在空泡試驗筒中工作一段時間，以嵌入的軟金屬的重量損失量作為一個侵蝕度的指標(biāo)。這種方法的缺點之一是首先必需要在螺旋槳上確立一個存在侵蝕風(fēng)險的位置，這個位置不總是很明顯的。調(diào)查說明，鋁是一種相對適合的用來檢測和顯示空蝕的材料，然而利用這種方法進行定量的研究還需要更多的研究和檢驗來建立可能的測量效果。因此這個方法作為一個實際運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)射傳感器對于空蝕檢測、空蝕位置和空蝕量做了調(diào)查，第一個這樣的測試是在一個試驗機構(gòu)開展的，測試結(jié)果明顯地說明，鋁材料發(fā)生的侵蝕率可以由聲能測試出來。緊接著，這個方法被應(yīng)用到一個在干船塢內(nèi)的船舶的螺旋槳和舵上，在這樣的條件下，空蝕作為一個聲源被一個簡單但是有效的人工聲源代替，這個人工聲源是從一個與舵和螺旋槳表面接觸的鉛筆芯折斷發(fā)出來的。這些測量顯示了，在一個枯燥的環(huán)境下，發(fā)射的聲音信號可以在兩千五百毫米外的距離被檢測到，在運營的船舶發(fā)生的空泡撞擊也可以被檢測到并且可以進行測試。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到，可以檢測到的位置就是潛在的可能被破壞的位置。這個方法還需要進一步的研究才能應(yīng)用到船舶的日常運營中去，而這些進展正在發(fā)生著，所以這個方法可能在不遠的將來就會被運用到船舶運營中去。這個方法已經(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觀測手冊

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

制作手冊的其中一個特別的理由是，高速錄像記錄是目前最重要的新一代觀測空泡的工具，它在時間和空間上的分辯能力現(xiàn)在已經(jīng)達到了進行可靠的評估的要求。它還可以生成高質(zhì)量的，不過在標(biāo)準試驗中也需要十分耗時的操作。已經(jīng)有

人提出了類似的觀點，基于（Sch??n和Bark，1998）和更早期的研究，認為這種光學(xué)型腔的行為會影響侵蝕的嚴重程度，所以侵蝕危險性的觀測評估需要更多提防的考慮才能實行。

程序手冊的目的和應(yīng)用

這份手冊是以提供基本的指南為目的，指南的內(nèi)容是如何開展分析空泡的視覺觀測來評估侵蝕風(fēng)險以及在設(shè)計時能夠控制的可能性。一個相關(guān)的核心思想是追溯一個小規(guī)模的水動力侵蝕直到一個大規(guī)模的伴流和形成空泡的流體水動力特性，通過這種方法工程設(shè)計數(shù)據(jù)就可以與水動力侵蝕機制相關(guān)聯(lián)了。觀測和分析步驟主要被規(guī)劃為與模型試驗相關(guān)的應(yīng)用，但它也適用與實船尺寸的觀測，在一定程度上也達到了數(shù)值模擬空泡效應(yīng)的目的。這個應(yīng)用的局限性是它至今為止只能描述早期的崩塌現(xiàn)象，不過下一代人應(yīng)當(dāng)會對這個關(guān)于空泡流的計算流體動力學(xué)的應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生更多的興趣，同樣的，他們也不會進行直接的破壞性模仿試驗，也就是材料的點蝕。

由于視覺上的侵蝕評估不考慮任何船體表面的響應(yīng)，這份手冊是一個對于空泡的正式分析方法，在嚴格意義上，這份手冊只能僅僅作為油漆方式或類似工作的參考。

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

程序手冊的觀點和手冊的組成

1.重點介紹一種宏觀崩塌時的能量密度。

2.崩塌的過程分為兩個主要過程，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應(yīng)。

3.對宏觀運動反向的總體型腔和滾動的追蹤。