郭春雨， 徐鵬， 韓陽(yáng)， 王超， 郭欣雨

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013)

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，航運(yùn)作為貨物運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要渠道，對(duì)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。然而，燃油成本的日趨提高，增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。鑒于此，航運(yùn)企業(yè)必須大力倡導(dǎo)節(jié)能技術(shù)，以達(dá)到降本增效的目的。另一方面，全球變暖趨勢(shì)日益增加，船舶能效指數(shù)實(shí)施勢(shì)在必行，船舶減排的重要性也受到了廣泛關(guān)注。水動(dòng)力節(jié)能附體效率高、成本低、易于實(shí)施等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯[1]。預(yù)旋定子是水動(dòng)力節(jié)能附體中的一種，其由多個(gè)固定不動(dòng)且沿周向分布的機(jī)翼型葉片構(gòu)成，它能夠在槳前產(chǎn)生預(yù)旋流，降低螺旋槳能量損失，從而提高船舶的推進(jìn)性能[2]。Celik等[3]以升力線(xiàn)理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋槳后置定子程序并對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析。黃樹(shù)權(quán)等[4]通過(guò)結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)2種方法研究了預(yù)旋定子設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水動(dòng)力性能的影響。苗飛等[5]利用數(shù)值模擬的方法研究了定子周向布置形式、單個(gè)定子周向影響范圍以及來(lái)流攻角對(duì)定子預(yù)旋作用的影響，并指出2個(gè)定子最佳布置角度為45°。苗飛等[6]通過(guò)分析前置預(yù)旋定子葉剖面阻力特性提出一種新型的葉剖面設(shè)計(jì)方法，最終船模試驗(yàn)證實(shí)了方案可行性。楊帆等[7]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法評(píng)估了安裝有預(yù)旋定子的某大型散貨船節(jié)能效果，并通過(guò)速度矢量圖和伴流等值圖闡述節(jié)能機(jī)理。楊帆等[8]在先前研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種預(yù)旋定子，并通過(guò)CFD方法對(duì)影響定子性能的3個(gè)主要參數(shù)(襟翼角度、襟翼寬度、定子直徑)進(jìn)行分析。凌乃俊等[9]以升力線(xiàn)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合CFD數(shù)值方法，通過(guò)引進(jìn)加權(quán)因子，預(yù)報(bào)了設(shè)計(jì)環(huán)量對(duì)船舶節(jié)能效果的影響，并得出最佳設(shè)計(jì)環(huán)量，并與模型試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。Gao等[10]對(duì)預(yù)旋定子的相關(guān)參數(shù)(周向布置形式、葉片數(shù)量、葉片攻角)對(duì)節(jié)能效果影響進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出一種預(yù)旋定子。

進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外多家艦船研究機(jī)構(gòu)都對(duì)前置預(yù)旋定子進(jìn)行了較深入的研究，如中國(guó)船舶科學(xué)研究中心、大宇造船海洋株式會(huì)社、三菱重工業(yè)有限公司、荷蘭海事研究所等。德國(guó)漢堡水池、瑞典船舶研究中心以及韓國(guó)船舶海洋工程研究所在船模水池進(jìn)行過(guò)一系列模型試驗(yàn)，表明預(yù)旋定子的節(jié)能效果可達(dá)3%～5%，而且目前已在實(shí)船上獲得應(yīng)用[9]，并取得了較好的節(jié)能收益。在國(guó)內(nèi)，對(duì)預(yù)旋定子的研究起步較晚，整體研究水平較國(guó)外有一定差距，且研究大多集中在數(shù)值模擬，對(duì)模型試驗(yàn)驗(yàn)證較少。

通過(guò)模型試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的船舶艉流場(chǎng)信息一直是船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[11]。由于船艉幾何形狀的特點(diǎn)，艉流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的三維流動(dòng)分離現(xiàn)象，這對(duì)艉流場(chǎng)信息的獲取帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。如今，粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)作為一種瞬態(tài)、全局、無(wú)接觸的測(cè)量方法備受流體力學(xué)屆關(guān)注。PIV技術(shù)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展至今，相關(guān)技術(shù)越來(lái)越成熟、越來(lái)越完善，同時(shí)準(zhǔn)確性得到了眾多學(xué)者的驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果也得到了廣泛認(rèn)可。因此，PIV技術(shù)迅速成為試驗(yàn)流體力學(xué)精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量的首要方法。為此，本研究基于哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池水下體視粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(stereoscopic particle image velocimetry，SPIV)系統(tǒng)，對(duì)船舶艉流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)有無(wú)預(yù)旋定子的伴流場(chǎng)中三向速度分布、渦量場(chǎng)分布以及旋渦強(qiáng)度進(jìn)行艉流場(chǎng)流動(dòng)特性分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)量工況

1.1 基本試驗(yàn)設(shè)備與條件

本文依托哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池開(kāi)展某散貨船艉流場(chǎng)PIV試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)遵循國(guó)際拖曳水池會(huì)議(international towing tank conference,ITTC)阻力測(cè)量規(guī)則，滿(mǎn)足Fr相似，雷諾數(shù)Re>2×106?；緦?shí)驗(yàn)設(shè)備如下：

拖曳水池：長(zhǎng)度108 m；寬度7 m；水深3.5 m；

拖車(chē)：車(chē)速V≤6.5 m/s；穩(wěn)速范圍：0.1～6.5 m/s；精度：0.1%；平均加速度：a+>0.09g；平均減速度：a->0.15g。

通過(guò)4自由度適航儀連接船模與拖車(chē)，4自由度適航儀型號(hào)為GEL-421-1，精度為1%。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)量工況

本文進(jìn)行PIV流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)的模型為某型號(hào)單槳散貨船，實(shí)船總長(zhǎng)度為324.9 m，船?？傞L(zhǎng)LOA=5.415 m，縮尺比λ=60，主要尺度如表1所示。

表1 某型號(hào)單槳散貨船模型主要參數(shù)Table 1 The main parameters of ship model

散貨船模型船艉部以及預(yù)旋定子模型均進(jìn)行噴涂處理，防止試驗(yàn)時(shí)激光強(qiáng)反光對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图按w坐標(biāo)系如圖1所示，現(xiàn)規(guī)定原點(diǎn)位于螺旋槳盤(pán)面中心位置，X軸沿船模中縱剖面指向船艉，Z軸垂直向上，Y軸遵循右手法則指向右舷。預(yù)旋定子由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究院提供，為不對(duì)稱(chēng)型葉片，葉片左右分布不對(duì)稱(chēng)，左側(cè)有3個(gè)葉片，每個(gè)葉片剖面不對(duì)稱(chēng)，根據(jù)圖紙采用 PLA材料經(jīng)3D打印制作而成，并對(duì)預(yù)旋定子模型表面進(jìn)行光滑處理。預(yù)旋定子葉片相對(duì)位置以及實(shí)物如圖2所示。試驗(yàn)工況如表2所示，測(cè)量截面為螺旋槳盤(pán)面處(x=0 cm)及槳盤(pán)面后7.5 cm處(x=7.5 cm)。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图按w坐標(biāo)系Fig.1 Test model and coordinate system

圖2 預(yù)旋定子葉片相對(duì)位置以及實(shí)物Fig.2 Pre-swirl stator and relative position of the blade of the stator

2 船舶艉流場(chǎng)PIV試驗(yàn)測(cè)量

2.1 DANTEC隨車(chē)式水下SPIV系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)所用船舶艉流場(chǎng)測(cè)量設(shè)備為DANTEC公司為哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池定制的隨車(chē)式水下SPIV系統(tǒng)，布置于拖車(chē)右側(cè)，SPIV系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)如下：

CCD相機(jī)分辨率：2 048 pixel×2 048 pixel；

雙脈沖Nd：YAG激光器：最大脈沖頻率15 Hz；最大脈沖激光能量：1 200 mJ；常規(guī)工作能量：200 mJ；

激光束持續(xù)時(shí)長(zhǎng)：4 ns；激光波長(zhǎng)：532 nm；脈沖激光片厚度：0.6 mm；

最大測(cè)量范圍：400 mm×400 mm；

示蹤粒子：聚酰胺顆粒。

該套水下SPIV系統(tǒng)包含兩臺(tái)CCD相機(jī)、激光器、同步器和控制器。CCD相機(jī)以及激光光學(xué)元件布置于水下雷體中，激光導(dǎo)光臂和相機(jī)線(xiàn)纜鋪設(shè)在支柱1和支柱2中，激光器、同步器以及控制器安裝在拖車(chē)上。SPIV測(cè)試系統(tǒng)及拆解示意圖如圖3所示。

圖3 SPIV測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 The SPIV system of the probe in the submersible PIV system

2.2 PIV流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量與分析

采用50 μm的聚酰胺顆粒作為示蹤粒子，每次試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)示蹤粒子播撒裝置將示蹤粒子撒入待測(cè)水體，使每次測(cè)量過(guò)程中平均粒子濃度約為150 g/m3，即每個(gè)查問(wèn)區(qū)域具有15～20個(gè)粒子，這樣能夠保證互相關(guān)分析的精確度。

系統(tǒng)工作時(shí)，由同步器控制激光器和2臺(tái)CCD相機(jī)，在發(fā)出激光的瞬間2臺(tái)相機(jī)從不同的角度拍攝測(cè)量區(qū)域中被激光照亮的示蹤粒子，得到2組不同角度的平面二維流場(chǎng)矢量結(jié)果，通過(guò)標(biāo)定信息最終重構(gòu)出該平面測(cè)量區(qū)域的三維速度矢量。SPIV艉流場(chǎng)測(cè)量圖與測(cè)量示意圖如圖4所示。

圖4 SPIV艉流場(chǎng)測(cè)量實(shí)物與測(cè)量建模Fig.4 Measurement diagram and schematic of the SPIV measurement of the wake field

相機(jī)與脈沖激光器通過(guò)同步器控制，將SPIV系統(tǒng)的采集速率調(diào)至最大即7.5 Hz，保證進(jìn)行測(cè)量時(shí)達(dá)到最大的樣本采集量，每次測(cè)量過(guò)程中一共記錄250組圖像，拍攝總時(shí)長(zhǎng)為33.33 s，數(shù)據(jù)分析時(shí)依據(jù)此250組瞬時(shí)照片進(jìn)行時(shí)間平均得到最終結(jié)果。

CCD相機(jī)為雙幀拍攝模式，2幀之間間隔為400 μs，這樣能夠保證示蹤粒子在單位時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)動(dòng)的最大位移不超過(guò)半個(gè)查詢(xún)區(qū)域。采用Dantec Studio 6.2軟件對(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)行批量處理與后續(xù)分析。自適應(yīng)互相關(guān)算法獲得流場(chǎng)矢量信息，查詢(xún)區(qū)域大小設(shè)置為128 pixel×128 pixel，64 pixel×64 pixel，32 pixel×32 pixel，重疊率為50%。

吳鐵成[12]應(yīng)用該SPIV系統(tǒng)在拖曳水池中進(jìn)行了大量艉流場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)不確定度進(jìn)行分析，并對(duì)KCS標(biāo)模多工況下伴流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，與公開(kāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3 船舶伴流場(chǎng)PIV試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 船舶艉部伴流場(chǎng)速度分布

圖5為某散貨船縮比模型無(wú)預(yù)旋定子工況槳盤(pán)面處伴流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，利用拖曳航速U對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理。由于激光反光及槳軸遮擋，部分流場(chǎng)結(jié)果無(wú)法獲取，依據(jù)船舶的對(duì)稱(chēng)性，僅給出一半的流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，從圖5中可以看出，散貨船伴流場(chǎng)由于受到船舶艉部形狀的影響，會(huì)產(chǎn)生舭渦，受舭渦影響，速度云圖等值線(xiàn)具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)0.25≤u/U≤0.35，軸向速度等值線(xiàn)之所以會(huì)產(chǎn)生“鉤狀”畸變，是由于舭渦的存在將船體伴流中動(dòng)能較低的流體傳遞至船體中心附近，弱化了該處原有速度，形成局部“鉤狀”結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)還觀察到，一個(gè)與舭渦旋向相反、位于螺旋槳槳軸下方的假轂轂帽渦，上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)[13]中描述類(lèi)似。

圖5 無(wú)預(yù)旋定子工況槳盤(pán)面處艉流場(chǎng)Fig.5 The wake field without pre-swirl stator at propeller plane

圖6為存在預(yù)旋定子工況下槳盤(pán)面處伴流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，利用拖曳航速U對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理。槳盤(pán)面上方存在大量脈動(dòng)速度是由于粒子濃度不均造成的。通過(guò)圖6可以看出，預(yù)旋定子對(duì)艉流具有干擾作用，主要影響區(qū)域位于有葉片存在的左半部分，上方“鉤狀”結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出速度等值線(xiàn)向槳盤(pán)面外部偏移。對(duì)于無(wú)葉片存在的右半部分，流場(chǎng)結(jié)果大致與圖5相似，速度等值線(xiàn)具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有一致性。但兩者仍有差別，表現(xiàn)出無(wú)葉片一側(cè)的軸向速度增加，這是由于安裝預(yù)旋定子以后，在槳盤(pán)面處，定子對(duì)水流有匯聚作用[14]，使更多的水流匯聚到槳盤(pán)面，間接使得無(wú)定子一側(cè)區(qū)域的平均軸向速度增加?？梢缘贸觯A(yù)旋定子不僅僅影響葉片存在的一側(cè)，對(duì)沒(méi)有葉片的一側(cè)也會(huì)產(chǎn)生影響。同樣，預(yù)旋定子對(duì)展向、垂向速度都有較大影響，使得流場(chǎng)等值線(xiàn)向槳盤(pán)面中心收縮，增加了槳盤(pán)面左上方流場(chǎng)不均勻程度。通過(guò)流線(xiàn)圖可以看出，預(yù)旋定子產(chǎn)生的預(yù)旋流改變了槳軸下方的流線(xiàn)，降低了假轂轂帽渦強(qiáng)度。

圖6 有預(yù)旋定子工況槳盤(pán)面處艉流場(chǎng)Fig.6 The wake field with pre-swirl stator at propeller plane

通過(guò)矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到了槳盤(pán)面處艉流場(chǎng)周向速度，如圖7所示。利用拖曳航速U對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理，并給出速度矢量大小。通過(guò)圖7可以看出，預(yù)旋定子能夠顯著增加槳盤(pán)面外圍的周向速度，對(duì)靠近槳盤(pán)面中心區(qū)域影響較小。對(duì)比有無(wú)預(yù)旋定子周向速度發(fā)現(xiàn)，有預(yù)旋定子工況無(wú)葉片一側(cè)周向速度結(jié)構(gòu)與無(wú)預(yù)旋定子工況基本一致，在存在葉片一側(cè)，預(yù)旋定子使得周向速度顯著增加，槳盤(pán)面外圍速度等值線(xiàn)變得密集，切向速度梯度增加，產(chǎn)生與螺旋槳旋向相反的預(yù)旋流，這能夠增加槳盤(pán)面進(jìn)流，改善螺旋槳工作條件。

圖7 槳盤(pán)面處艉流場(chǎng)周向速度對(duì)比Fig.7 Comparison diagram of tangential velocity of wake field at propeller plane

3.2 船舶艉部伴流場(chǎng)漩渦分布

圖8為槳盤(pán)面處無(wú)預(yù)旋定子船舶艉流場(chǎng)的漩渦強(qiáng)度(swirling strength)與渦量(vorticity(X))測(cè)量結(jié)果，依據(jù)船舶的對(duì)稱(chēng)性，僅給出一半流場(chǎng)結(jié)果。其中，漩渦強(qiáng)度被定義為速度梯度張量J的復(fù)雜特征值虛部部分：

圖8 無(wú)預(yù)旋定子工況槳盤(pán)面處漩渦分布Fig.8 Vortex distribution of wake field without pre-swirl stator

(1)

由于測(cè)的的結(jié)果為平面內(nèi)數(shù)據(jù)，沿船長(zhǎng)方向的平面數(shù)據(jù)梯度不能被計(jì)算，把它們?cè)O(shè)為零可以簡(jiǎn)化特征值計(jì)算，所以虛部的平方值可以計(jì)算為[16]：

漩渦強(qiáng)度的局部最小負(fù)值可以用來(lái)識(shí)別渦核，而正值表示流場(chǎng)，剪切力可能會(huì)被顯示但沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋渦強(qiáng)度的單位為1/s2。

圍繞X軸的漩渦的渦量：

(3)

同樣由于X方向速度梯度無(wú)法計(jì)算，所以?xún)H圍繞X軸的渦量可以顯示為：

(4)

渦量的單位為1/s。

從圖8可以看出，舭渦與螺旋槳假轂轂帽渦可以被很好地識(shí)別，圖中渦量正值表示漩渦為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示旋渦為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯龃Ｓ蚁咸幍聂皽u為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左舷處的舭渦為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且是由船體中部舭部產(chǎn)生并傳遞至螺旋槳盤(pán)面。螺旋槳槳軸下方的假轂轂帽渦在右舷處為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左舷為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與舭渦旋向方向相反，螺旋槳假轂轂帽渦由船體艉軸處產(chǎn)生且隨流體傳遞到螺旋槳盤(pán)面處，整體漩渦位置與范圍與圖5中的流線(xiàn)圖相互對(duì)應(yīng)。

圖9(a)為加裝預(yù)旋定子工況螺旋槳盤(pán)面處漩渦強(qiáng)度分布，圖9(b)為螺旋槳盤(pán)面處渦量分布結(jié)果。

從圖8和9(a)中可以看出，無(wú)預(yù)旋定子的船艉伴流場(chǎng)體現(xiàn)出了較明顯的2組渦(舭渦及假轂轂帽渦)，而有預(yù)旋定子的船艉伴流場(chǎng)整體上雖然也體現(xiàn)出此2組渦，但其周?chē)€混雜著一些強(qiáng)度較低的渦；同時(shí)，從圖9(b)中可以看出，已出現(xiàn)正反渦相互摻雜的現(xiàn)象，尤其是下方的一對(duì)假轂轂帽渦，考慮到螺旋槳旋向?yàn)橛倚?，而此紫色正值渦明顯有擴(kuò)散趨勢(shì)，其旋向?yàn)樽笮?，以此可以看出，預(yù)旋定子能夠在槳前產(chǎn)生與槳旋向相反的預(yù)旋流，從而改善螺旋槳工作條件，提高推進(jìn)效率。

3.3 不同半徑處的軸向速度分布

受槳軸遮擋作用影響，槳盤(pán)面位置處的流場(chǎng)存在數(shù)據(jù)缺失，因此取槳盤(pán)面后7.5 cm處流場(chǎng)作為有無(wú)預(yù)旋定子存在的軸向速度差異對(duì)比，從而分析出每一角度上有無(wú)預(yù)旋定子存在的軸向速度差異。

根據(jù)軸向速度云圖，截取0.2R、0.4R、0.6R、0.8R、1.0R圓周范圍內(nèi)若干點(diǎn)上的軸向速度，每一圓周與預(yù)旋定子的相對(duì)位置關(guān)系如圖10所示。將圓周視為鐘表，規(guī)定0°位置為12點(diǎn)鐘方向(指向船艉正上方)，之后每間隔10°取一次點(diǎn)，從船艉前視，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颉Ｗ罱K，將軸向速度u使用拖曳航速U作無(wú)量綱化處理。軸向速度對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖10 0.2R～1.0R圓周與預(yù)旋定子的相對(duì)位置關(guān)系Fig.10 Relative position relationship between 0.2R～1.0R circumference and pre rotating stator

圖11 x=7.5 cm處不同半徑下軸向速度對(duì)比Fig.11 Comparison of axial velocity under different radius at x=7.5 cm

從圖11中可以看出，隨著船艉伴流向更大半徑處發(fā)展，流場(chǎng)受船艉阻礙作用減小，對(duì)應(yīng)船底部即180°速度提升最為明顯，其逐漸恢復(fù)至外流場(chǎng)流速。另外，受“鉤狀”速度分布影響，在0.6R～1.0R內(nèi)0°～45°、315°～360°內(nèi)總會(huì)存在先增加后降低的速度分布規(guī)律。相比較而言，0.2R～0.4R內(nèi)的相同位置處速度分布較為平緩。

對(duì)比有無(wú)預(yù)旋定子帶來(lái)的速度分布差異，在0.8R與1.0R的數(shù)據(jù)中可以看出，2條曲線(xiàn)基本重合，差異主要來(lái)自0.6R及以?xún)?nèi)的部分。裸船體的艉流場(chǎng)速度分布大致關(guān)于180°對(duì)稱(chēng)；受非對(duì)稱(chēng)定子阻礙作用影響，存在預(yù)旋定子工況的速度分布并不明顯對(duì)稱(chēng)，0°～180°內(nèi)，2條曲線(xiàn)比較吻合。然而在另半圓周內(nèi)，180°對(duì)應(yīng)的速度峰值偏移10°～20°，此角度對(duì)應(yīng)于下方葉片位置角度，且存在預(yù)旋定子時(shí)此偏移的速度峰值較裸船體180°的速度峰值提高10%～20%。觀察上方2葉片附近位置的流場(chǎng)速度，與裸船體相同位置處的速度相比均有減少，但幅度較小，整體上下方葉片附近的流場(chǎng)差異更大一些。這與船舶艉部的舭渦、假轂榖帽渦的位置與旋向息息相關(guān)。不同葉片位置處相反的渦旋向?qū)е铝肆鲌?chǎng)速度分布的不同。以上現(xiàn)象說(shuō)明此預(yù)旋定子葉片布置形式，對(duì)于葉片存在的半圓區(qū)域(180°～360°)影響較大，下方葉片的存在對(duì)流場(chǎng)分布的影響更大，它導(dǎo)致了在0.6R內(nèi)，下方葉片附近位置的流場(chǎng)加速現(xiàn)象，槳盤(pán)面流體進(jìn)流速度增加，改善了伴流條件，對(duì)提升螺旋槳效率起到了積極作用。但同時(shí)，加裝預(yù)旋定子對(duì)于槳盤(pán)面的流場(chǎng)均勻性產(chǎn)生了不利影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。

4 結(jié)論

1)PIV技術(shù)是船舶與海洋工程領(lǐng)域重要的測(cè)量技術(shù)手段之一。本文利用PIV技術(shù)精確捕捉到某散貨船艉流場(chǎng)中舭渦以及“鉤狀”速度輪廓等流場(chǎng)特征，“鉤狀”速度云圖等值線(xiàn)對(duì)應(yīng)的速度值約為u/U=0.30。充分顯現(xiàn)了其具有瞬態(tài)、全局、無(wú)接觸以及高精度等測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)。

2)在槳盤(pán)面位置處，預(yù)旋定子對(duì)艉流具有干擾作用，主要影響區(qū)域位于有葉片存在的左半部分，上方“鉤狀”結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出速度等值線(xiàn)向槳盤(pán)面外部偏移。對(duì)于無(wú)葉片存在的右半部分，速度等值線(xiàn)具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)。預(yù)旋定子不僅僅影響葉片存在的一側(cè)，對(duì)沒(méi)有葉片的一側(cè)也會(huì)產(chǎn)生影響。預(yù)旋定子使得周向速度顯著增加，產(chǎn)生與螺旋槳旋向相反的預(yù)旋流，能夠增加槳盤(pán)面進(jìn)流，改善螺旋槳工作條件。在渦量圖中，有預(yù)旋定子存在時(shí)已出現(xiàn)正反渦相互摻雜的現(xiàn)象，尤其是下方的一對(duì)假轂轂帽渦，由槳旋向以及渦的擴(kuò)散趨勢(shì)，可以看出預(yù)旋定子能夠在槳前產(chǎn)生與槳旋向相反的預(yù)旋流。

3)對(duì)比有無(wú)預(yù)旋定子存在的艉流場(chǎng)軸向速度分布，可以發(fā)現(xiàn)此種布置形式的預(yù)旋定子在0.6R范圍內(nèi)的影響較大。受船艉伴流及艉渦的影響，中下方葉片對(duì)流場(chǎng)分布的影響更大，且造成附近速度峰值角度偏移、峰值增加，槳盤(pán)面流體進(jìn)流速度增加，改善了伴流條件。