摘要
螺旋桨作为船舶最为重要的推进装置之一，其材料主要为金属。从流体力学角度看，常规材料的物体表面流体满足无滑移条件，会产生一定的粘性剪应力即表面摩擦力，对水动力性能造成一定的影响。所以提出一种基于疏水材料表面改性的螺旋桨。相较于常规螺旋桨而言，这种疏水螺旋桨可以减小其表面的摩擦力，从而提高螺旋桨的性能。 对螺旋桨性能以及利用疏水材料达到减阻效果等研究的国内外现状进行了总结，选用某单位型号为F25-2的螺旋桨作为研究对象，螺旋桨原始直径尺寸为250mm，通过3D打印技术缩小至100mm、120mm和150mm，最终得到6个实体模型，分别是三种直径的普通材料螺旋桨和涂有疏水涂层的螺旋桨。表面涂有疏水材料的螺旋桨模型涂层是由聚偏氟乙烯（PVDF）溶在二甲基甲酰胺里，对模型进行喷涂所成，在水流下具备疏水特性。依照实验要求，分别设计一个封闭的实验水槽和一个带有进出口的循环实验水槽，通过调节螺旋桨转速进行实验研究，利用PIV（粒子图像测速方法）捕捉螺旋桨的速度场。 数值模拟部分利用滑移率原理对螺旋桨的叶片网格进行周期性划分，疏水表面边界条件是在叶片表面的不同部分设置无滑移或自由滑移条件来实现的。通过后处理对螺旋桨的压力、速度场、Liutex、湍动能以及水动力性能参数进行分析，结果表明涂有疏水涂层的螺旋桨具有效率高，尾涡减少，并且湍动能减小等优势。通过数值模拟计算获得的速度场与PIV测试系统获得的速度场结果较为符合。 CFD数值模拟结果表明： （1）涂有疏水涂层的螺旋桨，在四种不同疏水滑移率（25%、50%、75%和100%）的计算结果来看，100%的滑移疏水情况下螺旋桨的效率最高，但是实际的工程中疏水涂层的滑移效果有限，根据实验测试结果，75%疏水材料螺旋桨的数值模拟结果更接近实际实验结果； （2）当滑移率为75%时，相比于普通材料的螺旋桨，涂有疏水涂层的螺旋桨的效率有所提升；涂有疏水涂层的螺旋桨的压差均比普通材料螺旋桨的压差大，说明推力有所增加；并且疏水材料可以显著减少螺旋桨毂下游的低速区，Liutex显示出的毂涡及梢涡也有明显减少，这有助于推进效率的提升。
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