doi: 10.52899/24141437_2026_02_149
УДК: 532.582.5

Снижение кавитации присоединённого вихря путём селективного нанесения шероховатости: численное исследование гребного винта INSEAN E779A

Ризк М. А., Али Р. М.
Язык статьи:
Ссылка для цитирования: Ризк М.А., Али Р.М. Снижение кавитации присоединённого вихря путём селективного нанесения шероховатости: численное исследование гребного винта INSEAN E779A // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2026. Т. 5, № 2. С. 149–158. DOI: 10.52899/24141437_2026_02_149 EDN: RXQNAJ

Аннотация

Актуальность. Кавитация концевого вихря представляет собой распространённое гидродинамическое явление, существенно ухудшающее эксплуатационные характеристики гребных винтов и приводящее к ряду негативных эффектов, включая повышенный подводный шум, ускоренную эрозию поверхности лопастей, а также снижение тяги и гидродинамической эффективности. В связи с этим разработка методов подавления кавитации концевого вихря имеет важное практическое значение. Цель. Методом вычислительной гидродинамики изучить влияние локализации шероховатости на кавитацию концевого вихря и гидродинамические характеристики четырёхлопастного гребного винта фиксированного шага INSEAN E779A. Методы. Были исследованы различные сценарии нанесения шероховатости, включая её нанесение на нагнетающую поверхность лопастей, на всасывающую поверхность, а также на обе поверхности одновременно. Обтекание четырёхлопастного гребного винта фиксированного шага INSEAN E779A численно моделировалось при относительной поступи J = 0,77 и числе кавитации σ = 2,082. Для моделирования турбулентности использовался метод RANS, а для замыкания уравнений Рейнольдса применялась широко известная модель турбулентности SST k-ω. Численные результаты были валидированы путём сравнения с имеющимися экспериментальными данными, при этом наблюдалось хорошее согласование. Результаты. Полученные результаты демонстрировали, что место нанесения шероховатости имеет решающее значение для эффективного подавления кавитации. Нанесение равномерной шероховатости на всасывающую поверхность оказалось наиболее действенной стратегией, позволившей сократить площадь поверхности лопасти, подверженной воздействию паровой фазы, на 21,3%. И наоборот, нанесение шероховатости на нагнетающую поверхность приводило к увеличению зоны кавитации, тогда как придание шероховатости обеим поверхностям хотя и уменьшало кавитацию, но сопровождалось наибольшим снижением пропульсивного коэффициента полезного действия 7,34%. Заключение. Стратегическое нанесение поверхностной шероховатости, в особенности на всасывающую сторону лопасти, обеспечивает благоприятный баланс между подавлением кавитации и потерей гидродинамической эффективности. Данный подход представляет собой практически реализуемый пассивный метод ослабления кавитации концевого вихря в судовых гребных винтах. Ключевые слова: INSEAN E779A, CFD, RANS, кавитация концевого вихря, шероховатость, гребной винт

Список литературы

1. Berger S., Bering R.M., Steden M., et al. Numerical study on the evolution of vortex structures at the propeller tip and their influence on cavitation inception In: Proceedings of the 8th International Symposium on Marine Propulsors (SMP’24). Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2024. P. 345–363.
2. Gao H., Zhu W., Liu Y., Yan Y. Effect of various winglets on the performance of marine propeller // Applied Ocean Research. 2019. Vol. 86. P. 246–256. doi: 10.1016/j.apor.2019.03.006
3. Shin K.W., Andersen P. CFD analysis of cloud cavitation on three tip modified propellers with systematically varied tip geometry // Journal of Physics: Conference Series. 2015. Vol. 656, No. 1. P. 012139. doi: 10.1088/1742-6596/656/1/012139
4. Cheng H., Long X., Ji B., et al. Suppressing tip leakage vortex cavitation by overhanging grooves // Experiments in Fluids. 2020. Vol. 61, No. 7. P. 159. doi: 10.1007/s00348-020-02996-6 EDN: GXQIKM
5. Yang J., Gao H., Yan Y. A numerical investigation into the influence of bionic ridge structures on the cavitation performance of marine propellers // Journal of Marine Science and Technology. 2024. Vol. 29, No. 1. P. 105–122. doi: 10.1007/s00773-023-00976-z EDN: DDETQB
6. Stark C., Shi W., Troll M. Cavitation funnel effect: bio inspired leading edge tubercle application on ducted marine propeller blades // Applied Ocean Research. 2021. Vol. 116. P. 102864. doi: 10.1016/j.apor.2021.102864 EDN: PBDXGD
7. Belhenniche S.E., Rizk M.A., Imine O., et al. Effect of pressure pores size on hydrodynamic and hydroacoustic marine propeller performances under cavitating case // Ocean Engineering. 2024. Vol. 307. P. 118164. doi: 10.1016/j.oceaneng.2024.118164 EDN: BULRTV
8. Arndt R.E.A., Ellis C.R., Paul S. Preliminary investigation of the use of air injection to mitigate cavitation erosion // Journal of Fluids Engineering. 1995. Vol. 117, No. 3. P. 498–504. doi: 10.1115/1.2817290
9. Chang N., Ganesh H., Yakushiji R., Ceccio S.L. Tip vortex cavitation suppression by active mass injection // Journal of Fluids Engineering. 2011. Vol. 133, No. 11. P. 111301. doi: 10.1115/1.4005138
10. Kadivar E., Kumar P. A review of hydrodynamic cavitation passive and active control methods in marine engineering applications // Symmetry. 2025. Vol. 17, No. 11. P. 1782. doi: 10.3390/sym17111782 EDN: OKVINW
11. Li L., Roy S. Fundamental investigation using active plasma control to reduce blade vortex interaction noise // International Journal of Aeroacoustics. 2021. Vol. 20, No. 8. P. 870–900. doi: 10.1177/1475472X211052699 EDN: DVLEQT
12. Zhu W., Li Z., Ding R. Effect of pitch ratio on the cavitation of controllable pitch propeller // Ocean Engineering. 2024. Vol. 293. P. 116692. doi: 10.1016/j.oceaneng.2024.116692 EDN: MZFSXY
13. Xue Y., Dong X.Q., Yang C.J. Numerical prediction of cavitation performance of controllable pitch propellers with different pitch adjustment velocities In: Proceedings of the ASME 2020 39th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2020). doi: 10.1115/OMAE2020-18548
14. Smith D., Carter O. An investigation of machine learning capabilities for cavitation detection In: Proceedings of the 8th Underwater Acoustics Conference and Exhibition (UACE 2025). Halkidiki, Greece, 2025. P. 91–96.
15. Svennberg U., Asnaghi A., Gustafsson R., Bensow R.E. Experimental analysis of tip vortex cavitation mitigation by controlled surface roughness // Journal of Hydrodynamics. 2020. Vol. 32, No. 6. P. 1059–1070. doi: 10.1007/s42241-020-0073-6 EDN: UKRJYR
16. Krüger C., Kornev N., Greitsch L. Influence of propeller tip roughness on tip vortex strength and propeller performance // Ship Technology Research. 2016. Vol. 63, No. 2. P. 110–120. doi: 10.1080/09377255.2016.1205293
17. Али Р.М., Ризк М.А. Анализ влияния моделей турбулентности, топологии сетки и характеристик потока на точность прогнозирования гидродинамических характеристик изолированного гребного винта // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2025. № 2 (63). С. 15–25. doi: 10.24866/2227-6858/2025-2/15-25 EDN: DFFEYF
18. Schnerr G.H., Sauer J. Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics In: Proceedings of the 4th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2001). New Orleans, LA, USA, 2001.
19. Lee Y.H., Yang C.Y., Chow Y.C. Evaluations of the outcome variability of RANS simulations for marine propellers due to tunable parameters of cavitation models // Ocean Engineering. 2021. Vol. 226. P. 108805. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.108805 EDN: CRFFLT
20. Cebeci T., Bradshaw P. Momentum Transfer in Boundary Layers. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1977. 391 p.
21. Pereira F., Salvatore F., Di Felice F. Measurement and modeling of propeller cavitation in uniform inflow // Journal of Fluids Engineering. 2004. Vol. 126, No. 4. P. 671–679. doi: 10.1115/1.1778716