船尾螺旋桨作为破冰船动力核心部分，能否正常作业对保证极地船舶的机动性乃至生命力都至关重要[1-3]．在尾部破冰等工况下，极地船舶为了摆脱冰困情形，螺旋桨须要高速持续切削海冰，很容易在桨叶表面上诱发较大的脉动载荷．目前，虽然有相关学者针对冰桨作用机理采用不同数值手段开展了研究，但是冰桨作用具有随机性，预报的结果还需要更多试验数据验证支撑．为了更直观准确掌握冰桨作用规律，揭示冰桨耦合机理，开展冰水混合环境下的螺旋桨载荷测试试验研究十分必要．目前国内外学者针对冰区螺旋桨载荷测试开展了大量研究．文献[4]采用试验装置通过简化桨叶形状，用冻结模型冰开展做了一系列冰桨接触碰撞试验．文献[5]陆续开展了一系列冰桨切削试验，对冰桨切削过程中的遮蔽效应展开了细致分析．文献[6]通过在桨叶根部安装六自由度的力学传感设备，测量出冰-桨接触下单一桨叶所受冰水混合载荷．文献[7]在加拿大国家研究委员会海洋技术研究所(IOT)低温冰池采用第三代EG/AD/S冻结式模型冰进行试验，更为精确地测量出螺旋桨的推力和转矩，还探究了进速系数变化对推力系数和转矩系数产生的影响．文献[8]研究了在空气中的冰桨切削试验，监测冰桨切削工况下螺旋桨承受的冰载荷，并在后续的研究中提出了一种冰桨作用过程中空泡的研究方法．文献[9]利用石蜡材料研制了非冻结冰模型，在空气中和水中分别开展了冰桨切削试验测试，但是试验只关注了螺旋桨整体载荷的变化，没有对单桨叶的载荷进行进一步测试分析．文献[10]在空泡水筒中进行了均匀流和阻塞流作用下螺旋桨水动力性能测试，还比较了阻塞参数对水动力性能的影响，但是没考虑到冰桨接触的情况．文献[11]在天津大学冰水池开展了典型航行模式下螺旋桨铣冰过程的模型试验，研究了冰载荷对于螺旋桨整体推力扭矩和螺旋桨桨叶整体载荷的影响．综上，目前国内外围绕冰桨作用试验方面开展了一些研究，但是大多关注于螺旋桨的整体载荷，围绕螺旋桨单桨叶的相关试验研究较少，也没有具体比较螺旋桨不同载荷成分在混合载荷中的比例，关于工况参数对螺旋桨整体载荷和单桨叶载荷的影响还不够清晰．为此，本研究搭建冰桨流耦合测试系统，在循环水槽开展冰桨作用下螺旋桨混合载荷模型试验研究，可实现螺旋桨整体推力和扭矩及单桨叶五分力等多个载荷测试，并进一步分析了进速系数变化对整体载荷和单桨叶载荷的影响规律．1 试验模型和试验设备方法1. 1　试验模型参考文献[12]的R-class 冰区螺旋桨的几何参数，依据螺旋桨优化设计的方法，设计得到一款外形和水动力性能与R-class桨相当的冰区螺旋桨．选用螺旋桨模型的缩尺比为1:16.46，材料为铝合金，螺旋桨模型的主参数如表1所示，表中D为螺旋桨的直径．考虑到试验须要测量单桨叶的载荷，试验桨模须进行单叶片加工，单桨叶载荷测量天平置于中空桨毂内部，连接桨叶和桨毂．试验选用的冰体由天津大学冰力学与冰工程实验室通过一套完善的模型冰材料配比和工艺流程制取得到，冰块的尺寸为250 mm×200 mm×90 mm(长×宽×高)．10.13245/j.hust.211119.T001表1试验主要工况参数试验工况水速/(m∙s-1)垂向间距/mm转速/(r∙s-1)进速系数工况一1.36（7/16）D19.360.281工况二1.80（7/16）D22.150.3252 试验方法2. 1　试验相似准则从模型试验的角度模拟冰桨流作用必须满足相似准则，本次模型试验分别从螺旋桨的几何、运动、黏性力和冰力学特性相似等方面考虑相似关系，具体如下．a．几何相似按缩尺比1:16.46制作的螺旋桨模型保证了实体和模型的几何相似．b．运动相似通过使螺旋桨无量纲的进速系数J相同，保证模型与实桨运动相似．螺旋桨进速系数J、推力系数KT和扭矩系数KQ分别定义为J=VnD；KT=Tρn2D4；KQ=Qρn2D5，式中：V为试验水速；n为螺旋桨转速；T为螺旋桨的推力；Q为螺旋桨的扭矩；ρ为水的密度．c．黏性力相似由于在模型试验中无法满足雷诺数相等的条件，因此要求在3/4半径处桨叶切面弦长的雷诺数Re超过临界雷诺数，即Re=L0.75RV2+(0.75πnD)2/ν3.0×105，式中：L0.75R为3/4半径处桨叶切面弦长；ν为水的运动黏性系数．d．冰块模型的冰力学特性相似冰桨切削模型试验遵循柯西数相似准则，即保持模型冰与海冰的弹性力相似，有ρs(nsDs)2/Es=ρm(nmDm)2/Em，式中：Es为海冰弹性模量；Em为模型冰弹性模量；下标s和m分别表示真实海冰和模型冰．2. 2　试验方法与试验工况这里主要研究冰桨切削过程的螺旋桨受到的载荷，初始的冰桨轴向距离可适当缩短．考虑到冰腔轴向推冰速度对冰桨碰撞的影响程度，结合实船在冰区航行时船底冰块在螺旋桨抽吸作用下与螺旋桨的相对运动速度关系及试验室驱动装置条件，将进冰速度定为30 mm/s，选取典型工况(1个冰桨垂向高度和2个螺旋桨模型运行状态)进行常压下试验测试，具体工况如表1所示，两个螺旋桨运行工况的雷诺数分别为1.30×106和1.13×106，满足临界雷诺数要求．试验选用的模型冰和真实海冰满足柯西数相似，其中模型冰弹性模量相比冻结冰按照1:4进行缩比，对标的两个实船航速分别为3.61 m/s和2.72 m/s，根据相似准则试验水速则按照1:2进行缩比．3 试验结果与分析3.1　冰桨切削过程的分段分析图1给出了螺旋桨切削冰体的载荷变化情况，图中：Tzou为单桨叶轴向载荷；Qx为单桨叶x方向力矩；A1，A2，A3和A4分别为螺旋桨总推力、单桨叶轴向载荷、螺旋桨总扭矩和单桨叶x方向力矩的频谱幅度．结合载荷变化曲线特征可以分析出冰桨相对运动状态．10.13245/j.hust.211119.F001图1试验测试载荷时历和频历曲线通过对图1中载荷时域对比分析可以发现：在进入稳定段后，螺旋桨整体载荷和单桨叶载荷会在非接触水动力载荷的基础上发生剧烈的振荡，这种振荡主要是由桨叶切削冰载荷导致，由于切削过程中冰桨接触攻角持续变化，在桨表面上诱发的冰载荷大小甚至方向都会改变，因此可以看到螺旋桨载荷曲线脉动峰值和谷值会分布在水动力载荷的两侧．选取1～1.55 s非接触水动力载荷段发现：螺旋桨整体载荷均值为-395.43 N，单桨叶轴向载荷均值为-92.26 N．螺旋桨整体水动力载荷均值大约为单桨叶水动力载荷均值的4倍，这也符合该4叶桨的水动力特性．选取2.1～4.0 s的切削稳定段数据进行分析，可以发现：螺旋桨整体的负向推力极值要大于单桨叶的负向推力极值，但是正向推力极值要小于单桨叶的正向推力极值，螺旋桨整体最大推力为176.68 N，最小推力为-645.25 N，单桨叶的最大推力为314.15 N，最小推力为-306.61 N，这是由于当螺旋桨受驱动前进时，切削生成的冰载荷和水动力载荷方向相反，桨叶切削诱导的正向冰载荷和负向的水动力载荷互相抵消，而由以上分析知整桨的水动力载荷大约为单桨叶水动力载荷的4倍，但是整桨的脉动冰载荷只是略大于单桨叶的脉动冰载荷，最后整桨的正向混合载荷要小于单桨叶的正向混合载荷．3.2　冰桨切削过程螺旋桨混合载荷特性分析图1中还给出了螺旋桨整体载荷和单桨叶载荷的频域变化，载荷的频域曲线是由选取了稳定段的载荷时历曲线进行快速傅里叶变化而得到，从频谱曲线来看，螺旋桨推力的主要脉动频率出现在77.4和154.8 Hz，分别对应于叶频(叶频等于叶数乘以转速，因转速为19.36 r/s，故叶频为77.4 Hz)和倍叶频，轴频也会出现脉动峰值(因轴频等于转速，故轴频为19.36 Hz)，但是要远小于叶频的脉动峰值，其中一阶叶频的脉动幅值最大，表示总载荷中一阶叶频载荷所占据的成分最大，这也表明了该试验测量得到的数据具有良好的周期性，间接验证了试验数据的可靠度．值得注意的是：整桨的扭矩主要脉动频率出现在叶频和轴频处，且轴频处的脉动峰值稍大于叶频处的峰值，表明水动力载荷和切削冰载荷导致的力矩都对整体扭矩形成重要影响，且水动力载荷的贡献要更大于切削冰载荷；而由单桨叶的载荷频谱分析发现，主要脉动频率出现在19.36和38.72 Hz，分别对应于轴频和二倍轴频处，由于螺旋桨的轴频就等于单桨叶旋转的频率，因此单桨叶载荷的脉动频率出现在轴频和高阶轴频处是合理的，这也验证了单桨叶载荷测试系统数据采集的可靠性．为了更细致地比较整体载荷和单桨叶载荷的变化规律，图2给出了2.2～2.4 s稳定段整体和单桨叶载荷时历结果．由于螺旋桨转速为19.36 r/s，0.2 s时域内螺旋桨旋转了4个周期，因此可以看到单桨叶载荷时程曲线内有4个脉动峰值．图2中还给出了螺旋桨的敞水时历载荷结果作为对比，敞水工况和表1中的试验工况一设置相同，可以发现：切削段载荷脉动基本都是围绕着水动力时历结果上下振荡脉动的，冰桨接触过程加剧了载荷脉动的幅度．从图2中还可以看出：由冰桨接触导致的螺旋桨整体推力脉动结果要略大于单桨叶载荷脉动，其中整体推力正向脉动幅度为单桨叶的1.35倍，负向结果为1.18倍．这可能由如下两种原因造成：一是螺旋桨推力脉动除了主桨叶切削冰体诱发的外，其他未接触冰体的桨叶受到的水动力载荷脉动特性也会被记录到螺旋桨整体推力当中；二是由于冰桨接触过程会出现两块桨叶同时切削冰体的情况，两块桨叶同时接触冰体的切削过程只会在前桨叶快旋出切削区域时发生，因此其他时域范围内还是只有单块桨叶切削冰体．总之，螺旋桨整体推力脉动结果可能来源于单桨叶轴向载荷脉动，也可能来源于两块桨叶接触冰体导致的脉动结果叠加，在研究单桨叶载荷过程中必须考虑其他桨叶对主桨叶脉动的影响．10.13245/j.hust.211119.F002图2稳定段整桨和单桨叶载荷时历对比3.3　不同进速工况下螺旋桨混合载荷比对分析表2给出了两种工况条件下整桨和单桨叶混合载荷和水动力载荷特征的具体测量结果，表中：Tqie为螺旋桨桨叶切向推力；Qy和Qz分别为单桨叶在y和z方向的扭矩．可以看出：无论是正向还是负向载荷，进速系数J=0.325的工况都要略大于进速系数J=0.281的工况，这是因为当进速系数较大时，冰桨相对运动速度越大，冰桨相互作用程度越剧烈，所以高进速系数的载荷强度要高于低进速系数工况．而且单桨叶轴向力的载荷强度都要明显大于总推力的强度，这是由于桨叶受到的主体冰载荷和水动力载荷方向相反，正向冰载荷和负向水动力载荷相互抵消，主推力中正向载荷主要来源于主桨叶的冰载荷，但是全部桨叶都会诱发负向的冰载荷，因此主推力的整体载荷强度要小于单桨叶的载荷强度．还可以看出：冰桨切削过程单桨叶的轴向力和切向力载荷均值差别不大，但是轴向力的载荷幅值要明显大于切向力的载荷幅度，这表明轴向力的脉动幅度要大于切向力的脉动幅度．从力矩分析可知：进速系数J=0.325的力矩幅值都要略大于进速系数J=0.281的工况，而且单桨叶y方向的力矩幅值要明显大于总扭矩，这是因为y方向的力矩主要由桨叶轴向力诱发，对应于上述单桨叶轴向力大于总推力的特征，单桨叶y方向力矩也要大于总扭矩．10.13245/j.hust.211119.T002表2不同工况整桨推力和单桨叶水动力载荷对比工况TQTzouTqieQxQyQzJ=0.325均值-327.3523.33-73.78-74.035.62-5.65-2.28幅值-775.8832.07367.67-269.7629.7645.36-6.70J=0.281均值-261.1822.23-57.96-62.315.29-3.73-1.70幅值-645.2531.04314.15-232.4728.2841.15-6.124 结论为研究冰水混合环境下冰桨切削载荷特性，在循环水槽搭建冰桨流耦合测试系统，对冰桨切削过程中螺旋桨整体载荷和单桨叶五分力载荷进行试验测试，得出以下结论．a．冰桨接触过程螺旋桨和单桨叶受到的载荷表现出围绕水动力载荷上下振荡脉动的特征，冰桨接触过程加剧了螺旋桨载荷脉动的幅度．b．通过试验测试了冰桨切削螺旋桨混合载荷和单桨叶载荷，得到的载荷脉动周期性稳定，其中混合载荷的一阶叶频脉动幅值最大，单桨叶载荷的轴频脉动幅值最大，载荷频谱特征和螺旋桨运动特性符合，间接验证了试验数据的有效性．c．比较螺旋桨混合载荷和单桨叶载荷脉动规律发现螺旋桨载荷的脉动主要来自于冰桨接触诱发的冰载荷，但螺旋桨推力的脉动幅度要大于单桨叶的脉动幅度，表明当进行螺旋桨单桨叶载荷分析时必须考虑其他桨叶的干扰．本研究主要开展冰桨切削过程螺旋桨载荷测试试验，由于试验过程产生的碎屑会对循环水槽水质产生污染，因此须要设计更高效的清冰装置，开展更多复杂工况的试验测试工作．