【摘 要】
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全球气候显著变暖加速了极地冰川的融化,这将有效地节省海运成本和运输时间;与此同时,极地资源的开发与利用能缓解我国能源人均占有量少的问题。冰区船舶航行过程中会不可避免地受到海冰作用的影响,螺旋桨作为冰区船舶的常用推进器,其安全运转对于冰区航行有着举足轻重的意义,因此有必要开展冰区螺旋桨冰载荷数值模拟技术研究。本文以冰区1A型散货船TM19149A螺旋桨为研究对象,基于CFD方法探究螺旋桨敞水性能,并
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全球气候显著变暖加速了极地冰川的融化,这将有效地节省海运成本和运输时间;与此同时,极地资源的开发与利用能缓解我国能源人均占有量少的问题。冰区船舶航行过程中会不可避免地受到海冰作用的影响,螺旋桨作为冰区船舶的常用推进器,其安全运转对于冰区航行有着举足轻重的意义,因此有必要开展冰区螺旋桨冰载荷数值模拟技术研究。本文以冰区1A型散货船TM19149A螺旋桨为研究对象,基于CFD方法探究螺旋桨敞水性能,并分析块状冰阻塞作用下螺旋桨的水动力性能;其次,采用有限元分析软件LS-DYNA对螺旋桨切削块状冰进行数值模拟研究;最后,基于ALE的流固耦合方法探究螺旋桨运行在碎冰区中的冰载荷变化规律,研究内容如下:（1）梳理螺旋桨水动力性能分析所依据的计算流体动力学基本理论,以及冰桨接触性载荷预报所依据的非线性有限元理论。进行水下球体运动的数值模拟计算,验证重叠网格方法的有效性,为冰桨非接触性干扰问题奠定基础;进行刚体挤压冰锥的数值模型分析,计算所得接触力变化曲线与参考结果基本吻合,验证冰材料的可靠性为冰桨接触性载荷预报奠定基础。（2）基于CFD方法利用STAR-CCM+软件对TM19149A螺旋桨开展敞水性能研究以及块状冰阻塞螺旋桨的工况分析。本文研究不同水流进速、不同块状冰大小、冰桨间不同位置变化等对螺旋桨水动力性能的影响,得出如下结论:本文所采用的CFD计算方法对求解螺旋桨敞水性能和冰桨干扰问题具有较好的可行性;在冰桨相互作用过程中,块状冰会形成“加速区”和“阻塞区”对螺旋桨周围流场产生影响;块状冰尺寸越大,桨盘面处的流场受块状冰的影响越大,性能参数波动越明显;进速系数越大,块状冰靠近螺旋桨时性能参数增长速率越大;冰桨之间距离越小,阻塞现象越明显。（3）基于有限元分析软件LS-DYNA开展螺旋桨切削块状冰的相关数值模拟研究,分析不同切削深度、不同螺旋桨进速及不同螺旋桨转速对螺旋桨所受冰载荷的影响,得出如下结论:随着冰体网格单元尺寸的减小,螺旋桨所受冰载荷呈现收敛趋势;该数值模型能较好地反映螺旋桨桨叶切削块冰时的物理现象;随着螺旋桨切削深度的增加,切削过程中螺旋桨推力和扭矩增加,螺旋桨叶片所受冰载荷的作用时间更长;螺旋桨进速越大,螺旋桨的推力和扭矩越大,且切削过程中冰桨接触时间越短,但所受冰载荷的变化增强;在螺旋桨低转速运行下,冰载荷随着转速的增加而减小。（4）基于ALE算法的流固耦合分析法研究碎冰区航行环境下的螺旋桨所受冰载荷情况,基于Voronoi原理完成不规则几何形状的碎冰区建模,对数值模拟进行了网格敏感性分析,利用非线性有限元软件LS-DYNA分析不同冰层厚度、冰区密集度以及螺旋桨进速下冰载荷大小变化,得出如下结论:螺旋桨与冰碰撞过程中,冰载荷与冰厚基本呈正相关性,随着冰层厚度增加,冰体在螺旋桨桨叶上堆积越严重;随着密集度的增加,冰载荷平均值表现为上升趋势,冰载荷最大值与密集度不呈递增关系,当密集度大于7/10时,冰载荷会转变为持续性载荷且对螺旋桨造成的损伤较大;冰载荷随着螺旋桨进速的提高呈现出不断增长的趋势。
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