随着水路运输业的快速发展,船舶航运过程中对水体环境的影响逐渐引起人们的关注。一方面,船舶的排水量逐渐增加,船舶螺旋桨的大型化使得其射流流速及影响范围也逐渐增大;另一方面,船舶航行中其螺旋桨射流对水体产生一定的扰动,进而可能引起床面泥沙扰动,床面表层沉积物受近床面水流脉动作用发生冲刷搬运及再悬浮,使泥沙内部的污染物释放进入上覆水体后引起水质污染。这种扰动程度在什么情况下会引起受污染的泥沙起动并向上覆水悬浮,以及扰动的影响范围需要进一步探讨,为此开展船舶螺旋桨射流流场的分析以及对床面泥沙的扰动影响研究,将有利于揭示船舶航行对河道底泥再悬浮及河床底泥受冲刷作用范围的规律,为河道航运开发管理及河道水环境治理与保护提供科学依据。采用声学多普勒三维流速仪对螺旋桨射流流场进行了测量,并利用CFD软件Fluent对螺旋桨射流流场进行了三维数值模拟计算和分析。借助激光三维地形仪扫描了螺旋桨射流对床面泥沙冲刷扰动后形成的冲刷地形,分析了其冲刷影响范围。主要得出以下结论:1.在螺旋桨转速、桨径、距离床面高度等不同试验工况下,螺旋桨射流发展至近床面时,近底横断面横向流速分布呈现单峰型,最大流速位于轴线上,随后向两侧快速衰减,随着距离轴线位置的增加,衰减速度开始减缓。拟合得到了近底横断面横向流速分布经验公式。2.不同工况下,近底流速轴向分量在轴线上的分布从螺旋桨桨面出来以后呈现先增加后迅减小的趋势。当转速、桨径和距离床面高度的增加时,近底最大流速值出现的位置距离螺旋桨平面越远。拟合得到了不同工况下近底最大流速距离桨面位置的经验公式。3.螺旋桨射流对床面扰动形成冲刷地形的演变过程中,冲刷地形的轴向长度、横向宽度和冲刷深度随着不同转速、不同桨径和距床面不同高度的变化而变化。冲刷地形的平面形态长宽比和冲刷地形底部特征剖面冲刷坡度长深比、宽深比随着冲刷时间的增加,呈现先减小后逐渐趋于稳定的变化趋势。在冲刷地形逐步趋于稳定时,得到不同工况下冲刷地形最终的长宽比、长深比、宽深比均值分别为1.54、13.52、8.88。4.数值模拟计算得到的螺旋桨射流流场整体形态大致呈现出以螺旋桨桨轴为中心的圆锥形分布。轴线上流速分布从螺旋桨平面出来后呈现出先增加后减小的趋势。在计算工况条件下,若以V/Vmax等于10%作为射流扩散界限,据此得出射流最大轴向扰动范围约为九倍桨径。横断面流速在距离螺旋桨一倍和两倍桨径断面为双峰型分布,断面流速最大值出现在桨轴线两侧。随后在距离桨后三倍桨径及更远的横断面,断面流速分布由双峰型向单峰型转变。