藤壶附着对海洋螺旋桨近场流场及水动力性能的影响

《Ocean Engineering》：Impact of barnacle attachment on near-field flow and hydrodynamic performance of marine propellers

本研究采用改进的延迟分离涡模拟方法，对83.69百万网格的海洋推进器在藤壶生物污垢下的水动力性能进行数值模拟。结果表明，藤壶附着可导致推力下降40%以上，扭矩增加不足2%，综合推进效率损失超过40%。污垢位置对性能影响较小，但藤壶结构会扰乱边界层，形成特征马蹄涡和发髻涡，改变压力分布，加剧流动分离，这是性能恶化的主要机制。

　　这项研究通过采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法，结合8369万网格单元，深入探讨了海生物附着对船舶螺旋桨水动力性能的影响。研究团队由来自中山大学海洋工程与技术学院和南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）的几位科学家组成，他们通过数值模拟揭示了生物污损对螺旋桨性能的具体影响机制，为未来的维护和防污策略提供了科学依据。

螺旋桨作为船舶推进系统的核心部件，其性能直接关系到船舶的推进效率、燃油消耗以及操作稳定性。然而，长期在海洋环境中运行的螺旋桨不可避免地会受到生物污损的影响。这种污损不仅改变了螺旋桨的几何形态，还对局部流场特性产生了深远的影响。具体来说，附着的海生物会破坏螺旋桨叶片表面的边界层，导致周围流体结构和湍流特性的改变，从而影响叶片上的载荷分布，最终造成水动力性能的显著下降。

在现有研究中，大多数工作集中于船舶船体上的生物污损对阻力和推进性能的影响。例如，Schultz（2007）假设船体表面的生物污损均匀分布，以此预测其对船舶阻力和推进性能的影响，结果显示严重的钙质污损会使所需轴功率增加约86%。Demirel等人（2017）同样假设了均匀分布的附着模式，并使用3D打印的人工附着模型进行了实验和数值模拟，结果表明附着尺寸对阻力和有效功率需求有显著影响。这些研究虽然揭示了生物污损对船舶推进性能的负面影响，但未能充分关注螺旋桨叶片上附着物的特殊作用。

生物污损对螺旋桨的影响远比船体更为复杂。由于螺旋桨在高速旋转过程中会产生复杂的三维非定常流场，其流场对边界层扰动极为敏感。因此，附着的生物结构，如藤壶，会显著干扰流体运动，造成更严重的性能下降。特别是，当附着物出现在螺旋桨叶片的某一侧时，其对流场的扰动可能会比均匀分布的污损更加显著。然而，目前关于附着位置对螺旋桨性能影响的研究仍然有限，尤其是对压力侧与吸力侧附着物影响的系统性比较。

研究团队注意到，虽然粗糙度函数在描述生物污损对流场特性的影响方面具有较高的计算效率，但藤壶等生物结构具有复杂的三维几何形态，这种特性使得使用简化模型难以准确反映实际情况。因此，他们决定采用更精细的数值模拟方法，以捕捉真实附着模式下的流场变化。通过这种方式，研究能够更准确地评估藤壶附着对螺旋桨性能的具体影响，揭示其作用机制，并为未来的维护和防污策略提供更可靠的依据。

在模拟过程中，研究团队采用了相同的VP1304螺旋桨几何模型，该模型也被称为Potsdam螺旋桨测试案例（PPTC），由SVA Potsdam提供，用于SMP’11和SMP’15工作坊。这种螺旋桨是五叶片、可调螺距、右旋模型，广泛用于基准测试。通过在叶片的压力侧或吸力侧分别模拟藤壶附着，研究团队能够系统地比较不同附着位置对螺旋桨性能的影响。模拟结果显示，藤壶附着会导致推力减少高达40%，而扭矩仅增加不到2%，最终导致整体效率损失超过40%。这一结果表明，藤壶附着对螺旋桨性能的影响非常显著，且无论附着在叶片的哪一侧，其负面影响都是相当严重的。

为了验证模拟结果的准确性，研究团队对网格敏感性进行了详细分析。虽然之前的模拟已经采用了较大的网格规模，但为了更精确地捕捉流场变化，本次研究采用了更细密的网格结构。此外，研究还引入了多面体网格，这种网格结构在旋转区域中具有更好的适应性，能够更有效地捕捉复杂流场特性。通过这种方式，研究团队确保了模拟结果的可靠性，并为后续的性能分析提供了坚实的基础。

从流场分析的角度来看，藤壶附着对螺旋桨叶片周围的流体运动产生了复杂的影响。首先，藤壶结构破坏了叶片表面的边界层，导致流体分离和再附着现象加剧。其次，附着物会生成具有特征性的马蹄形和发卡状涡旋，这些涡旋结构不仅存在于叶片附近，还可能向更远的区域扩展，进一步影响螺旋桨的整体性能。此外，藤壶的存在会改变叶片表面的压力分布，从而影响叶片的载荷特性。这些流场变化共同作用，导致螺旋桨的水动力性能显著下降。

研究团队进一步探讨了藤壶附着位置对螺旋桨性能的影响。尽管藤壶附着在叶片的某一侧可能会引起局部流场的剧烈变化，但总体而言，附着位置对性能的影响相对较小。这表明，无论藤壶附着在叶片的压力侧还是吸力侧，其对螺旋桨性能的负面影响都是相似的。然而，这种相似性并不意味着附着位置对流场变化的影响可以忽略不计。事实上，附着位置的不同可能会导致流场结构的差异，进而影响螺旋桨的载荷分布和整体效率。因此，研究团队建议在未来的实验和模拟中，应更加关注附着位置对螺旋桨性能的具体影响，以期获得更全面的理解。

为了更好地理解藤壶附着对螺旋桨性能的影响，研究团队还对流场结构进行了详细分析。他们发现，藤壶附着不仅改变了叶片表面的流动特性，还对周围的流体结构产生了深远的影响。具体来说，附着物会导致流体分离现象加剧，使得流体在叶片表面的附着能力下降。这种现象会进一步影响螺旋桨的推力和扭矩特性，导致整体性能下降。此外，藤壶结构还会改变叶片表面的湍流特性，使得流体在叶片表面的运动更加复杂，进一步影响螺旋桨的水动力性能。

在推进效率方面，研究团队发现藤壶附着对螺旋桨的影响尤为严重。由于螺旋桨在高速旋转过程中会产生复杂的三维非定常流场，任何对边界层的干扰都可能对推进效率产生显著影响。藤壶附着作为一种局部扰动，其对流场的改变可能会在叶片周围形成更强烈的湍流结构，从而增加能量损耗。这种能量损耗不仅体现在推力的下降上，还可能影响螺旋桨的稳定性，导致操作过程中出现更多的振动和噪声问题。

此外，研究团队还关注了藤壶附着对螺旋桨叶片载荷分布的影响。他们发现，藤壶附着会显著改变叶片表面的压力分布，从而影响叶片的载荷特性。这种变化可能会导致叶片在某些区域承受过大的载荷，而其他区域则可能载荷不足。这种不均匀的载荷分布不仅会影响螺旋桨的性能，还可能导致叶片的疲劳损伤，缩短其使用寿命。因此，研究团队建议在未来的维护和防污策略中，应更加关注叶片载荷分布的变化，以期减少不必要的能量损耗和机械损伤。

为了进一步验证模拟结果的准确性，研究团队还进行了多次实验对比。他们发现，模拟结果与实验数据之间存在良好的一致性，特别是在推力、扭矩和效率等关键参数上。这种一致性表明，所采用的IDDES方法在捕捉复杂流场特性方面具有较高的准确性，能够有效反映藤壶附着对螺旋桨性能的实际影响。此外，研究团队还对不同附着位置下的流场变化进行了比较，发现尽管附着位置对流场结构的影响相对较小，但其对螺旋桨性能的负面影响却是显著的。

综上所述，这项研究通过采用改进的IDDES方法，结合高分辨率的网格结构，深入探讨了藤壶附着对螺旋桨性能的具体影响。研究结果显示，藤壶附着会导致推力减少高达40%，而扭矩仅增加不到2%，最终造成整体效率损失超过40%。这种效率损失无论附着在叶片的哪一侧都会发生，表明附着位置对性能的影响相对较小。然而，附着位置的不同可能会导致流场结构的差异，进而影响螺旋桨的载荷分布和整体性能。

研究团队还发现，藤壶附着对螺旋桨叶片周围的流体运动产生了复杂的影响，包括边界层的破坏、涡旋结构的生成以及压力分布的改变。这些流场变化共同作用，导致螺旋桨的水动力性能显著下降。因此，为了减少生物污损对螺旋桨性能的负面影响，研究团队建议采用更加有效的维护和防污策略，如定期清洁和使用先进的防污材料。

在实际应用中，生物污损对螺旋桨的影响不容忽视。由于螺旋桨长期处于水下环境中，其性能会受到附着物的持续影响。这种影响不仅会导致燃油消耗增加，还可能影响船舶的航行安全和稳定性。因此，研究团队强调，及时的维护和有效的防污措施对于保持螺旋桨的高效运行至关重要。此外，研究团队还指出，未来的研究应更加关注藤壶附着位置对螺旋桨性能的具体影响，以期获得更全面的理解，并为实际工程应用提供更可靠的指导。

研究团队的成果不仅为螺旋桨维护和防污策略提供了科学依据，还为未来的船舶推进系统设计提供了重要的参考。通过揭示藤壶附着对螺旋桨性能的具体影响机制，研究团队希望推动相关领域的技术进步，减少生物污损对船舶推进效率的负面影响。此外，研究团队还强调，随着数值模拟技术的不断发展，未来可以采用更高精度的模拟方法，以更全面地评估生物污损对螺旋桨性能的影响，并为实际工程应用提供更可靠的解决方案。