螺旋槳是船舶和水下航行體的常用推進裝置，通過旋轉(zhuǎn)做功產(chǎn)生推力。螺旋槳性能提升可以減少能源消耗和運行成本、提高乘船舒適性和艦船聲隱身性，在民用和軍用領域有顯著需求。

01螺旋槳的應用領域及戰(zhàn)略意義

氣候變化和全球變暖給人類生存帶來嚴峻挑戰(zhàn)，也對航運業(yè)提出了更高的節(jié)能減排要求。據(jù)統(tǒng)計，僅水上運輸?shù)哪茉聪牧烤驼紦?jù)全球交通總能源消耗的12%左右，其中，有約1/3的能源用于轉(zhuǎn)動螺旋槳和克服船舶前進的阻力。若能適當提高螺旋槳效率，則能大幅減少能源消耗和環(huán)境污染。

隨著艦船、水下航行體等不斷向重型高速發(fā)展，其水下輻射噪聲引起的海洋噪聲污染和自身聲隱身性能下降的問題也日益嚴重。軍事領域，在1~5千赫范圍內(nèi)，輻射噪聲每提高10分貝，對方聲吶探測距離可提高一倍。而螺旋槳空化噪聲是艦船高速航行時的主要噪聲源，空化發(fā)生時將使整個頻段內(nèi)的噪聲提高10分貝左右。因此，螺旋槳的效率和空化問題亟待提升和解決。

根據(jù)螺旋槳應用工況的不同，螺旋槳通常分為普通螺旋槳和特種螺旋槳。普通螺旋槳（圖1a）多適用于工況平穩(wěn)的商船和小型船只，而當外界環(huán)境為變化、重載或?qū)栈?、噪聲等性能有特殊要求的場合時，普通螺旋槳便不能滿足使用要求。因此，在普通螺旋槳的基礎上發(fā)展出許多特種推進器，如可調(diào)距螺旋槳、導管螺旋槳、泵噴推進器、對轉(zhuǎn)螺旋槳、吊艙推進器等（如圖1所示）。

圖1 普通螺旋槳和特種推進器

（a） 普通螺旋槳適用于平穩(wěn)工況；（b） 可調(diào)距螺旋槳通過槳轂中的旋轉(zhuǎn)機構操縱槳葉調(diào)整螺距，保證其在各種工況下都能充分利用主機功率，適用于拖船、漁船、破冰船等多工況船舶；（c） 導管螺旋槳通過安裝機翼型或折線型環(huán)形導管，能改善槳葉載荷分布，提高螺旋槳在拖船、拖網(wǎng)漁船等重載條件下的效率；（d） 泵噴推進器在導管內(nèi)轉(zhuǎn)子的前方或后方安裝定子，可以產(chǎn)生預旋或回收尾流能量以降低噪聲、提高效率，應用于靜音性能要求高的潛艇、魚雷上；（e） 對轉(zhuǎn)螺旋槳由兩旋向相反的普通螺旋槳組成，可使受到的轉(zhuǎn)矩相互抵消，避免航行體轉(zhuǎn)動引起偏航，常用于魚雷推進；（f） 吊艙推進器由可360°回轉(zhuǎn)的流線形吊艙和螺旋槳組成，可顯著改善船舶的操縱性能

特種推進器的發(fā)展極大拓寬了螺旋槳的應用范圍，可使之應用于水面船舶、水下航行體、潛艇、魚雷等多種場合（圖2），提高了普通螺旋槳在某一特定方面的性能。然而，特種推進器對螺旋槳性能的改進均集中在結(jié)構形式的改變上，使得螺旋槳性能難以再僅通過結(jié)構優(yōu)化來提高。而影響螺旋槳效率和空化空蝕性能的另一重要因素和關鍵本質(zhì)是固液氣相互作用的表界面問題，對表界面特性的優(yōu)化可以在不改變螺旋槳原有結(jié)構形式、不增加其他設施、不消耗額外能源的基礎上提升螺旋槳性能。然而，目前對螺旋槳表界面特性的研究尚未成體系，使之難以對螺旋槳的性能調(diào)控給出普適性的解決方案。

圖2 螺旋槳的應用場合

02 螺旋槳表界面特性與生物粘附的關系

螺旋槳的摩擦阻力一方面由自身葉剖面輪廓處的固液相對運動產(chǎn)生，另一方面由螺旋槳表面的生物粘附引起。

螺旋槳服役過程中會與海水長期接觸，導致大量海洋生物粘附在表面，生物粘附不僅會破壞螺旋槳的流體線型，增加阻力，降低效率，還會由新陳代謝產(chǎn)生具有腐蝕性的細胞外分泌物，對螺旋槳表面造成腐蝕，提高螺旋槳的維修成本。因此，螺旋槳表面的生物粘附問題亟待解決。

減少螺旋槳表面生物粘附的常用方法是采用防污涂層，而隨著國際海事組織于1998年宣布禁止使用對環(huán)境有害的防污涂層以及人們環(huán)保意識的增強，有機錫防污涂層和無錫自拋光防污涂層逐漸被環(huán)境友好的附著釋放型防污涂層替代。

附著釋放型防污涂層可以利用其低表面能特性減弱生物與固體表面間的結(jié)合力，從而在一定流速下將生物粘附層剝離，其主要成分為含硅聚合物或含氟聚合物。具有代表性的附著釋放型防污涂層為國際涂料有限公司開發(fā)出的Intersleek系列涂層，包括Intersleek700有機硅聚合物涂層、Intersleek900含氟聚合物涂層和Intersleek1100SR含氟改性聚合物涂層等。據(jù)報道，使用Intersleek900含氟聚合物防污涂層可以節(jié)省9%的燃油消耗，提高3節(jié)航速，而在Intersleek900涂層材料的基礎上，通過增加高分子鏈中的親水基團實現(xiàn)表面改性得到的Intersleek1100SR防污涂層（圖3a）則表現(xiàn)出更為優(yōu)異的防生物粘附性能，可使油輪在營運13個月后保持優(yōu)異的抗黏性。然而，親水基團對防生物粘附性能提高的內(nèi)在機制還有待進一步明確。

此外，有研究表明，超疏水表面和SLIPS表面也具備一定的防生物粘附的功能（圖3b），但是也有研究發(fā)現(xiàn)，超疏水表面在水下長期浸泡導致空氣層丟失后，暴露出的粗糙結(jié)構反而會加劇生物粘附。因此，表面潤濕性對生物粘附的影響規(guī)律及內(nèi)在機制還有待進一步明確，超疏水表面或SLIPS表面防污性能的持久性還有待進一步驗證。

圖3 表面親疏水性對生物粘附的影響

雖然附著釋放型防污涂層表現(xiàn)出較為優(yōu)異的防生物粘附效果，然而涂層使用本身對螺旋槳阻力和效率的影響也有待明確。有研究表明，螺旋槳表面粗糙會引起約3%~6%的效率損失，而使用附著釋放型防污涂層可使表面光潔度與新拋光的螺旋槳表面光潔度相當。也就是說，表面形貌引起的效率損失可通過使用附著釋放型防污涂層來彌補。

然而，也有研究者在模型螺旋槳表面涂覆附著釋放型防污涂層進行水動力實驗后發(fā)現(xiàn)，有涂層螺旋槳的推力系數(shù)比無涂層的減小了1.9%，阻力矩系數(shù)減小了0.9%，使得有涂層螺旋槳的效率最終降低了1%（圖4），即螺旋槳表面涂覆附著釋放型防污涂層后沒有表現(xiàn)出更好的水動力性能；研究推測，這可能是由于模型螺旋槳的涂層厚度與實體螺旋槳的涂層厚度相當引起顯著的尺度效應及涂層引起的表面形貌變化導致的，然而這一結(jié)論還有待驗證。

圖4 防污涂層對螺旋槳效率的影響

此外，還有研究者通過研究附著釋放型涂層和無錫自拋光型涂層對轉(zhuǎn)子阻力的影響發(fā)現(xiàn)，盡管附著釋放型防污涂層和無錫自拋光型防污涂層使轉(zhuǎn)子阻力比光滑表面有所增加，但附著釋放型涂層比無錫自拋光涂層的阻力系數(shù)平均降低了3.5%。對表面形貌分析發(fā)現(xiàn)，盡管附著釋放型涂層表面的Ra（輪廓算術平均偏差）、Rq（輪廓均方根偏差）值偏大，但其平均坡度Δa等二維形貌參數(shù)比自拋光涂層的更低，使得表面尖刺較少而具有更為“開放”的表面形貌（圖5），而這可能是附著釋放型涂層具備更低阻力系數(shù)的原因。研究表明附著釋放型涂層表面形貌對阻力的影響不僅與其一維高度參數(shù)有關，也與二維形貌參數(shù)密切相關。而還有人通過對46個不同的涂層表面進行重新分析發(fā)現(xiàn)，特征粗糙數(shù)h=RaΔa/2可以更好地表征表面形貌與阻力的關系。然而，利用該參數(shù)表征表面形貌的合理性及其適用范圍還有待進一步驗證。

圖5 不同防污涂層的表面形貌

03 螺旋槳表界面特性與空化空蝕的關系

1 螺旋槳空化與空蝕

空化與空蝕特性是評估螺旋槳設計好壞的另一性能指標。螺旋槳空化是指螺旋槳于水下工作時，槳葉葉背壓力低至某一臨界值以下時產(chǎn)生爆發(fā)式汽化形成空泡的現(xiàn)象?？瘴g是指空泡坍縮潰滅產(chǎn)生的沖擊波或微射流沖擊壁面損傷葉片的過程。螺旋槳空化與空蝕的發(fā)生會顯著降低艦船的聲隱身性和螺旋槳的服役壽命，采取一定的措施抑制空化空蝕，對提高螺旋槳的綜合性能有重要意義。

根據(jù)空化的不同類型，螺旋槳空化有渦空化、泡空化、片空化和云霧狀空化四種類型，如圖6所示。其中，渦空化常出現(xiàn)在葉梢和槳轂后方，不影響螺旋槳性能，但空泡潰滅會向外輻射噪聲；泡空化通常出現(xiàn)在葉背剖面最大厚度處，空泡潰滅時將會對槳葉表面產(chǎn)生空蝕；片空化常在槳葉外半徑導邊附近產(chǎn)生，當其完全覆蓋槳葉表面時，將使螺旋槳推進性能急劇下降；當螺旋槳處于不均勻流場時，容易產(chǎn)生周期性的云霧狀空化，并產(chǎn)生嚴重的空蝕。

圖6 螺旋槳空化的四種類型

（a）渦空化；（b）泡空化；（c）片空化；（d）云霧狀空化

螺旋槳的空化空蝕性能一方面與自身結(jié)構和基底材料有關，另一方面也與表面形貌和表面潤濕性有關。在自身結(jié)構和基底材料一定的基礎上，探究表面形貌和表面潤濕性對螺旋槳空化與空蝕性能的影響，有助于探索抑制空化與空蝕的新手段。

2 表面形貌與空化空蝕的關系

傳統(tǒng)觀點認為，粗糙表面會使層流向湍流的轉(zhuǎn)捩提前，增大壓力脈動，誘發(fā)空化提前產(chǎn)生。然而也有研究表明，適當?shù)谋砻娲植谟兄谝种瓶栈Ｓ醒芯空咴谝硇蛪毫γ娼也繀^(qū)域進行粗糙處理，發(fā)現(xiàn)梢渦空化的臨界空化數(shù)降低了約20%，延遲了梢渦空化初生，而吸力面一側(cè)的粗糙對梢渦空化基本無影響。另外還有研究表明，在翼型片空化最大空泡長度的上游設置沿整個展向的條狀障礙物，可顯著抑制云空化（圖7c），降低60%的脈動壓力和降低幾乎所有頻率下5~20分貝的噪聲；相同位置處障礙物的長度縮短為原來的10%，并放置在展向中間位置，可同樣抑制云空化（圖7e）；而在其他位置設置障礙物不能起到抑制作用（圖7a，b，d）。

圖7 障礙物對云空化的影響

（a） 縱向障礙物不能抑制云空化；（b） 展向兩側(cè)障礙物不能抑制云空化；（c） 全展向障礙物抑制云空化；（d） 空泡下游障礙物不能抑制云空化；（e） 縮短障礙物長度可以抑制云空化

有研究者通過數(shù)值模擬來系統(tǒng)研究水翼粗糙帶的位置、高度和分布寬度對空化的影響后發(fā)現(xiàn)，欲推遲空化，粗糙帶應布置在翼型前緣層流區(qū)內(nèi)且盡量靠前的位置，粗糙帶的高度存在臨界區(qū)間，粗糙帶的分布寬度應在保證空化抑制效果的基礎上盡可能窄以避免影響升阻力性能。此外，表面形貌的橫向參數(shù)對空化也有顯著影響。有研究表明，空化不僅與表面輪廓的算術平均偏差Ra值有關，還與輪廓單元的平均寬度Rsm值有關。Ra值大但Rsm值也大的粗糙表面的空化程度可與Ra值小但Rsm值也小的粗糙表面的空化程度相當。由上述研究可知，表面粗糙的位置、高度參數(shù)、橫向參數(shù)和分布區(qū)域均會對空化產(chǎn)生影響。然而，目前還沒有形成統(tǒng)一的表面形貌表征參數(shù)和設計準則用于抑制空化。

此外，許多研究表明，表面粗糙會加劇空蝕程度。然而，另外有研究者通過設計不同尺寸、不同角度、不同占空比的溝槽發(fā)現(xiàn)，合適的表面形貌可以在不引起水力空化的同時，促使空泡和微顆粒遠離壁面，起到抑制空蝕的作用。然而，該形貌只適用于某一特定工況，當外界環(huán)境變化時，該形貌可能會產(chǎn)生不利影響。因此，目前表面形貌對空蝕的抑制還缺乏系統(tǒng)的設計準則，表面形貌對空蝕抑制的內(nèi)在機制還有待進一步明確。

3 表面潤濕性與空化空蝕的關系

傳統(tǒng)觀點認為，螺旋槳空化空蝕過程主要與水動力特性相關，然而，大量研究表明，表面潤濕性也會顯著影響固液界面特性進而影響空化空蝕。1947年就有研究表明，疏水表面比親水表面更容易產(chǎn)生空化，并認為疏水表面和表面氣核是產(chǎn)生空化的必要因素。有研究者通過計算發(fā)現(xiàn)，疏水表面生成氣核的能量壁壘遠比親水表面低（圖8a），認為這是疏水表面更容易產(chǎn)生空化的原因。另外有研究者在表面涂覆親水涂層后發(fā)現(xiàn)親水表面氣核被顯著抑制，驗證了前人的結(jié)論。還有研究者利用激光織構技術構造親水表面，發(fā)現(xiàn)親水表面顯著延遲了空化初生，且降低了空化發(fā)展的程度（圖8b）。上述研究表明，構造親水表面有助于抑制空化。

圖8 表面親疏水性對空化的影響

此外，表面潤濕性對空蝕的研究表明，疏水表面會加劇空蝕。然而，超疏水表面對空蝕的影響卻呈現(xiàn)出更復雜的結(jié)果。有研究者通過酸腐蝕和在鋁合金基底上涂覆低表面能涂層構建超疏水表面并進行空蝕實驗發(fā)現(xiàn)，超疏水表面雖然失重較多，但未傷及基底，推測這是由于超疏水表面的聚合物材料憑借其柔韌性減弱了空蝕沖擊波對表面的損傷。這一研究表明，表面潤濕性對空蝕的影響需同時考慮表面材料的力學性質(zhì)。也有研究表明，超疏水表面的空氣層可以作為電介質(zhì)，提高材料的抗腐蝕性能。因此，從材料腐蝕的角度看，超疏水表面也可能具備一定的抗空蝕能力。而另有最新研究表明，通過在SiO2/Si表面構造蘑菇型微結(jié)構可以穩(wěn)定鎖住空氣，進而利用該駐留空氣排斥向壁面靠近的空泡，減弱空蝕（圖9），且這一效果不受基底潤濕性的影響。然而，表面駐留的空氣也可能因提供更多的表面氣核而加劇空化，從而造成更嚴重的空蝕，故表面空氣對空化空蝕的綜合影響效果還有待進一步確認。

圖9 利用空氣排斥空泡減弱空蝕

綜上，表面形貌、表面潤濕性對空化空蝕的影響還存在許多不統(tǒng)一之處，其對空化空蝕的影響規(guī)律和內(nèi)在機制還有待進一步探索。

04 總結(jié)與展望

當下，對螺旋槳等推進裝置的研究已不再局限于傳統(tǒng)水動力學領域，而是綜合了流體力學、材料、物理、化學、仿生學等各學科領域，朝著效率更高、噪聲更低、綜合性能更強的方向發(fā)展。未來，在深入研究對轉(zhuǎn)式泵噴推進器、雙流道泵噴推進器、無軸式泵噴推進器、仿生螺旋槳等新型推進裝置的同時，進一步考慮表面形貌、潤濕性、雙電層特性、固液界面超滑等表界面科學與技術的應用，將為研發(fā)出新一代高性能推進裝置提供重要支撐。

來源：《中國科學基金》2021年第2期

作者介紹

雒建斌  清華大學教授，長江學者，中國科學院院士，F(xiàn)riction主編。長期從事納米摩擦學和納米制造研究。

朱漫福 清華大學摩擦學國家重點實驗室在讀博士研究生。研究方向為表界面特性調(diào)控和螺旋槳性能優(yōu)化。