最新螺旋桨空泡成因影响和应对.docx
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最新螺旋桨空泡成因影响和应对
螺旋桨空泡成因、影响和应对方法
Carl 天津大学
摘要：
近二十年里，各种高性能船、新船型的出现，现代化船舶向大型、高速性的发展趋势，致使船舶的主机功率急剧增加，螺旋桨周围水的空化产生的空泡成为一个越来越大的问题。
空泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的，从而会导致剥蚀、震动、噪声等。
由于螺旋桨特定类型的空泡和剥蚀的关系现在还没有被充分的认知。
本文将阐述空化产生的原因，并针对螺旋桨空泡进行简单的分类，并分析不同类型的空泡的成因及其主要影响。
最后从空化原理出发针对空泡的危害总结应对办法。
关键词：
螺旋桨，空泡，剥蚀，噪声
Thecauses,impactandrestraintmethodsofpropellercavitation
Abstract:
Inrecenttwentyyears,avarietyofhigh-performanceshipsandnewshipformsaregraduallyemerged.Themodernshipdevelopstrendingtolargerandfaster,whichrequiresasignificantincreaseofmainenginepower.Wateraroundthepropellergeneratescavitation,whichbecomesaproblemofconcerning.Theprocessofcavitation,concludingformingandcrush,isswiftandviolent,whichwouldleadtoerosion,vibration,noise,etc.Duetotherelationshipbetweentypesanderosionofpropellercavitationhasnotbeenfullycognition,thispaperwilldescribethecausesofcavitation,carryonthesimpleclassificationforpropellercavitation,andanalysisthecausesofdifferenttypesofcavity.Finallyembarkingfromthecavitationprinciple,thispaperwillsummarizethemethodsforrestrainingpropellercavitation.
Keywords:
propeller,cavitation,erosion,noise
1引言
1753年，Euler曾推测出水管中某处的压强降低到某一负值时，水自管壁分离，而在该处形成一个真空空间。
这是人们首次预测空化的发生。
螺旋桨的空泡现象，从十九世纪末开始就引起了造船界的注意。
机械工业的迅速发展首先解决了高速舰船的动力学问题，各国都大速提高军舰的速度。
对于当时的建造水平和技术来说，正常情况下舰船一般能达到预期的速度要求。
但是1894年英国的“勇敢”号小型驱逐舰在试航的时候，突然出现主机功率、转速和航速都比初始所要设计的差了许多。
此后，对螺旋桨进行了许多次的修改设计，但每次试航的结果都相差无几，甚至在尾部还出现剧烈振动。
直至修改增加盘面比，其他参数不变，才达到预定的要求。
[1]
1897年Barnaby和Parsons在对英国鱼雷艇和“勇敢”号蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件进行调查之后，第一次明确地提出了空化这一概念，并指出在液体和固体间存在高速运动的场合可能出现空化。
由空化产生空泡，进而引发的工程问题，这促使人们加强对空化与空泡的研究。
[2]
在船上很多位置中都会发生空化现象，如船舶所用的螺旋桨、舵、龙骨甚至船体本身都会发生空化。
而螺旋桨相对于水的局部速度最大，其空化现象最为明显。
螺旋桨空泡对螺旋桨的水动力性能影响非常大，空泡所产生的脉动压力容易导致船体的严重地不规则性的振动还伴随着辐射噪声，这对有些船舶和潜器都是致命性的影响，比如在游轮上，振动和噪声会直接影响游轮舒适性以致直接影响其经济效益。
军事上，为了减少舰船被敌方发现的概率，应当最大限度地降低其辐射噪声，否则将会对舰船和人员的生命安全造成严重的威胁。
此外，螺旋桨上的空泡溃灭会直接剥蚀桨叶破坏螺旋桨表面结构进而影响其耐腐蚀性。
2空泡的概念
空泡是种非常复杂的自然现象。
空泡可在流体中的物体表面发生，亦可在流体中发生。
螺旋桨空泡主要是指周围的水的空化产生气泡的现象。
流体的空化是一种复杂的物理现象，涉及到相变、表面张力、湍流、非均匀热力学效应等问题。
空化也可认为是在一定温度下由于水动力学压力的减小引起的液体的相变的流体流动现象。
液体的空化不等同于沸腾。
液体的沸腾是由于在一定大气压下由于温度高于沸点而引起的相变现象。
而空化泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的，从而会导致腐蚀、震动、噪声等。
通常认为，当物面的压力降到水的汽化（空化）压力时就会产生空泡，并且在空泡发生的区域内的压力且会保持不变，等于汽化压力。
空化数（cavitationnumber）就是衡量流体是否发生空化的一个无量纲的物理参数，空化的发生、溃灭等汽化的各个阶段都与空化数有关。
空化数大的液体，其空化现象不易发生；反之，空化数小的液体中，易发生空化现象。
[2]
由伯努利方程
定义空化数：
。
式中，和分别为绝对压力和流体速度，通常取为物体前方未扰动时的液体静压，取与相应的来流速度；为液体密度；为液体的空化压力。
不同温度水的空化压力值如表１所示：
气压（kg/m2）
10330
2031
1258
752
433
238
174
125
89
温度（℃）
100
60
50
40
30
20
15
10
5
表1水的沸点与气压的关系[9]
Tab.1therelationshipbetweentheboilingpointandpressure
由表中可以看出，当气压为1个标准大气压，即压强为10330Pa，水的空化温度为100℃，而当压强降为174Pa时，水的空化温度为15℃，即在15℃的温度下，水中某点的压强小于174Pa，水开始空化。
但事实上，空化的初生不仅和液体的空化压力有关，还与液体中气核大小和数量有直接关系。
突发性气泡生长与气核的大小、粘性效应和表面张力等因素有关。
水中的微气泡和水中的固态微颗粒都是引起空化的气核。
3螺旋桨工作时空泡产生过程
图1叶元体周围的流动和压力[1]
Fig.1theflowandpressurearoundbladeelement
由螺旋桨工作原理已知，螺旋桨工作时桨叶相当于一个在旋转产生的切向速度与前进速度合成下的机翼。
不同半径处的叶元体对应不同的迎流速度和攻角。
此时叶元体的叶面处的压力升高，叶背处的压力降低，形成升力（如图1所示）。
随着迎流速度的提高和攻角的增大，叶背处的压降显著，当叶背处某点的压降达到饱和气压时，就会在该处出现空泡。
由于叶背上各点的压降是不同的，所以空泡总是在局部先开始出现。
当最大压降处压强降低到当时水温的饱和气压时，叶背在该处形成空泡。
而对整个桨叶而言，在叶元体上某处压力下降到达饱和气压以下时就会在此率先产生空泡。
具体空泡产生过程分为以下两个阶段：
图2空泡的两个形成阶段[3]
Fig.2twostagesofcavitation
1第一阶段空泡
在叶背某处的压力降低至该水温下的汽化压力时，则该点的水质点就首先形成空泡，因此时的空泡只占据叶面的小部分，称局部空泡。
局部空泡产生后，随着桨叶的运动及水流的冲刷，空泡产生位置后移，进入压强大于汽化压强的场所。
空泡受压直至产生破裂，这种破裂现象据测定大约发生在百分之一秒至干分之一秒的瞬间，因而对桨叶表面产生了可高达4000kgf/cm2的冲击力。
此种冲击力在空泡不断生成与消失过程中反复集中于叶背某一范围，致使桨叶表面金属材料受到剥蚀而追损坏，减少了桨叶断面面积，降低了螺旋桨的强度。
但它对螺旋桨的效率影响不大。
图3螺旋桨叶面压力分布和空泡示意[1]
Fig.3thepressureandcavitationdistributiononpropeller
2第二阶段空泡
若螺旋桨在运动过程中，叶背的负压力继续增加，而且范围也有所扩展，如图2右侧所示。
于是在叶背某点先前所产生的局部空泡，此时尽管由于水流的冲刷而后移，但后移区域的压力条件仍然适合空泡产生或存在的条件。
于是局部空泡就在叶背宽度方向逐渐扩展，可达60％一70％叶背面积，形成了片空泡。
如图3所示，片空泡生成后，局部空泡的剥蚀现象开始消失转而使螺旋桨叶背的大部分或全部被空泡所笼罩，使螺旋桨的水动力特性恶化，影响了螺旋桨的效率。
[4]
4螺旋桨空泡的类型和特征
空泡有多种类型。
空泡可在流体中的物体表面发生，亦可在流体中发生。
空泡形状有球状和片状。
片空泡有光滑、透明的，也有多气泡、不透明的。
根据VanderMullen的意见，翼剖面空泡可分为4类:
球空泡、片空泡、片-云空泡和涡-云空泡。
如图4所示，对于水翼和桨叶上的空泡根据成因、形状和位置的不同一般可分为以下几种[3]：
1.球空泡（Bubblecavitation）；
2.片状空泡（Sheetcavitation）；
3.梢涡空泡和毂涡空泡（Tipandhubvortexcavitation）；
4.云状空泡（Cloudcavitation）
对于螺旋桨桨叶的空化范围，有分局部空泡（partialcavitation）和超空泡（supercavitation）。
图4螺旋桨桨叶和桨毂上各类空泡[5]
Fig.4Differentkindsofcavitationonthepropellerbladeandhub
图5球空泡
Fig.5Bubblecavitation
图6片状空泡
Fig.6Sheetcavitation
图7梢涡空泡和毂涡空泡
Fig.7Tipandhubvortexcavitation
图8云状空泡
Fig.8Cloudcavitation
通常，球空泡、片-云空泡造成严重的空蚀及强烈的噪声。
云空泡会破坏推进装置结构。
各类空泡的成因、定义及常见特征如下：
球空泡是指气核进入液体低压区域，导致爆发式的汽化，进入高压区域时又迅速消失。
球空泡一般发生在螺旋桨叶背上切面最大厚度处，呈泡沫状。
其产生的原因是因前后压力变化，形成发生、溃灭、再生、再溃灭直至消失的变化过程。
球空泡对螺旋桨的性能影响不大，但桨叶材料的剥蚀特别严重。
[6]
片状空泡一般附着于螺旋桨桨叶。
流体在螺旋桨桨叶导边处发生分离时，易发生附着于其表面的片状空泡，形成汽化膜片状，整个空泡面呈沿导边的凹状。
当空泡延伸至随边以外，使整个叶切面全覆盖在空泡之中，构成“全空泡”流动，则螺旋桨性能将会恶化，当空泡在随边之前结束，形成叶切面的“局部空泡”流动时，螺旋桨性能将不受影响，但叶片表面将受到剥蚀损伤。
对于局部空化，空泡末端在叶面处是封闭的；超空化面在尾流处也是封闭的。
但是空泡末端不稳定，会产生脱落现象。
当螺旋桨
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