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1、第4章 敞水试验第1页，本讲稿共33页本章主要内容本章主要内容 4-1 敞水试验的相似条件敞水试验的相似条件 4-2 临界雷诺数和尺度效应临界雷诺数和尺度效应 4-3 敞水试验方法及测量数据的表达敞水试验方法及测量数据的表达 4-4 螺旋桨模型系列试验及性征曲线组螺旋桨模型系列试验及性征曲线组第2页，本讲稿共33页敞水试验敞水试验概概念念:螺螺旋旋桨桨模模型型单单独独地地在在均均匀匀水水流流中中的试验。的试验。设设备备:在在船船模模试试验验池池、循循环环水水槽槽或或空空泡水筒中进行泡水筒中进行 。动能动能:检定和分析螺旋桨性能。检定和分析螺旋桨性能。第3页，本讲稿共33页螺旋桨模型敞水试验的目
2、的及其作用螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用 将将将将所所所所得得得得结结结结果果果果分分分分析析析析整整整整理理理理后后后后绘绘绘绘制制制制成成成成专专专专门门门门图图图图谱谱谱谱，供供供供设设设设计计计计使用。使用。使用。使用。系系系系统统统统地地地地分分分分析析析析螺螺螺螺旋旋旋旋桨桨桨桨各各各各种种种种几几几几何何何何要要要要素素素素对对对对性性性性能能能能的的的的影影影影响响响响，以以以以供设计时正确选择各种参数。供设计时正确选择各种参数。供设计时正确选择各种参数。供设计时正确选择各种参数。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。配配配配合合合合
3、自自自自航航航航试试试试验验验验，以以以以分分分分析析析析推推推推进进进进效效效效率率率率成成成成分分分分，各各各各种种种种设设设设计计计计方方方方案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。第4页，本讲稿共33页“首先需要解决的首先需要解决的2 2个问题个问题”桨模的试验条件？桨模的试验条件？桨模的数据如何换算到实桨？桨模的数据如何换算到实桨？第5页，本讲稿共33页 4-1 4-1 敞水试验的相似条件敞水试验的相似条件 在流体中运动的模型与实物要达到力在流体中运动的模型与实物要达到力学
4、上的全相似，必须满足几何相似、运动学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。相似及动力相似。方法：量纲分析法（因次分析法）方法：量纲分析法（因次分析法）第6页，本讲稿共33页质量质量M长度长度L时间时间T第7页，本讲稿共33页同理第8页，本讲稿共33页函数内各项的物理意义函数内各项的物理意义进速系数进速系数 说明螺旋桨及其模型各对应点处流体质点说明螺旋桨及其模型各对应点处流体质点的速度具有相同的方向，且比值为一常数，即的速度具有相同的方向，且比值为一常数，即对应点处流体质点的的行迹相似。是运动相似对应点处流体质点的的行迹相似。是运动相似的基本条件。的基本条件。第9页，本讲稿共33页为
5、雷诺数。为雷诺数。模型和实桨粘性力相似必须满足雷诺数相同的条件。为傅汝德数为傅汝德数 。表示模型和实桨的重力相似条件。表示模型和实桨的重力相似条件。与螺旋桨运转时水面的兴波情况有关，也可以说与螺旋桨运转时水面的兴波情况有关，也可以说与螺旋桨在水面下的沉没深度有关。与螺旋桨在水面下的沉没深度有关。实践证明：实践证明：当桨轴的沉没深度 hs0.625D(D为螺旋桨直径)，兴波的影响可以忽略不计。第10页，本讲稿共33页螺旋桨足够沉深时：螺旋桨足够沉深时：第11页，本讲稿共33页两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋
6、桨转速和进速之间的关系 由进速系数相等由进速系数相等的条件可得：的条件可得：由雷诺数相等的由雷诺数相等的条件可得：条件可得：实桨与桨模的尺度比。实桨与桨模的尺度比。第12页，本讲稿共33页 要保持桨模和实桨的进要保持桨模和实桨的进速系数和雷诺数同时相速系数和雷诺数同时相等，则必须满足：等，则必须满足：结果：结果：桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！则：则：桨模的转速和进速都将过高而难以实现，桨模的转速和进速都将过高而难以实现，推力过大而无法测量！推力过大而无法测量！第13页，本讲稿共33页螺旋桨敞水试验条件螺旋桨敞水试验条件几何相似几何相似几何相似几何相似:
7、进速系数相等进速系数相等进速系数相等进速系数相等:雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值:桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深:hs 0.625D注意：注意：桨模和实桨因雷诺数不同而引起两者水动力性能之差桨模和实桨因雷诺数不同而引起两者水动力性能之差异称为异称为尺度作用尺度作用(或或尺度效应尺度效应)。第14页，本讲稿共33页 4-2 4-2 临界雷诺数和尺度效应临界雷诺数和尺度效应一、临界雷诺数一、临界雷诺数 雷诺数雷诺数:决定粘性流体流动状态的基本决定粘性流体流动状态的基本参数之一。参数之一。当雷诺数足够大时，界层中的流动才能当雷诺数足
8、够大时，界层中的流动才能达到紊流状态，故临界雷诺数乃为保证模达到紊流状态，故临界雷诺数乃为保证模型界层中达到紊流状态的最低雷诺数。型界层中达到紊流状态的最低雷诺数。第15页，本讲稿共33页 雷诺数是以雷诺数是以 特征速度特征速度特征尺度特征尺度/表示表示的一个无因次数。的一个无因次数。表示方法如表示方法如:1978年的年的ITTC（国际船模试验池会议）国际船模试验池会议）规定：螺旋桨的雷诺数以规定：螺旋桨的雷诺数以0.75R处叶切面的处叶切面的弦长及其合速来表示：弦长及其合速来表示：第16页，本讲稿共33页实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在 10107 7 上下，处于紊流
9、状态工作上下，处于紊流状态工作上下，处于紊流状态工作上下，处于紊流状态工作肯夫在汉堡试验池中的试验（J=0.85）当当Rn 4 5105时，时，各曲线几乎与横坐标各曲线几乎与横坐标相平行，意即此时螺相平行，意即此时螺旋桨的性能几乎与雷旋桨的性能几乎与雷诺数无关。因此这个诺数无关。因此这个数值即为临界雷诺数。数值即为临界雷诺数。第17页，本讲稿共33页六十年代初日本三菱六十年代初日本三菱水池谷口中水池谷口中（用用用用0.70.7R R处叶切面的弦长处叶切面的弦长处叶切面的弦长处叶切面的弦长及合速来表示）及合速来表示）及合速来表示）及合速来表示）当当Rn 4.0 时时KT值近似为常数，值近似为常数
10、，KQ值随雷诺数值随雷诺数Rn的的增加而略有减小。增加而略有减小。第18页，本讲稿共33页上海交通大学上海交通大学 Rn=3105第19页，本讲稿共33页二、尺度作用及修正方法二、尺度作用及修正方法 因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数C CL L的的影响影响影响影响不大，可
11、以认为模型和实物的升力系数相同不大，可以认为模型和实物的升力系数相同不大，可以认为模型和实物的升力系数相同不大，可以认为模型和实物的升力系数相同 即即即即C CLsLs C CLmLm 对阻力系数对阻力系数对阻力系数对阻力系数C CD D的影响较大，因为的影响较大，因为的影响较大，因为的影响较大，因为C CD D由粘性所引起。由粘性所引起。由粘性所引起。由粘性所引起。由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故C CDsDs C CDmDm。两者之差两者之差两者之差两者之差 C CD D=C=CDmDmC CDsDs即
12、为实物及模型之间的尺度作用。即为实物及模型之间的尺度作用。即为实物及模型之间的尺度作用。即为实物及模型之间的尺度作用。第20页，本讲稿共33页 螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小，对扭矩的影响较大。实桨和桨模在同一 J 值时：KTmTm KQsQs，0m0m0 0 第21页，本讲稿共33页尺度修正办法尺度修正办法 不修正不修正 因为桨模加工可以做得很光滑，因为桨模加工可以做得很光滑，而实桨比较粗糙，因粗糙而增加之阻力大体而实桨比较粗糙，因粗糙而增加之阻力大体抵消了尺度作用，故可不予修正。抵消了尺度作用，故可不予修正。只修正只修正KQQ 1978年年ITTC推荐的修正方法。推荐的修正方法。第22页
13、，本讲稿共33页第23页，本讲稿共33页 4-3 4-3 敞水试验方法及测量数据的表达敞水试验方法及测量数据的表达敞水试验方法及测量数据的表达敞水试验方法及测量数据的表达 螺旋桨模型在足够螺旋桨模型在足够沉没深度和超临界雷沉没深度和超临界雷诺数情况下进行试验诺数情况下进行试验所得的结果可用之于所得的结果可用之于实桨。实桨。第24页，本讲稿共33页一、敞水试验设备及测试仪器一、敞水试验设备及测试仪器 第第一一种种方方法法：保保持持桨桨模模的的转转速速不不变变，而而以以不不同同的的进进速速进进行行试试验验。拖拖曳曳水水池池中中常常采用这种方法。采用这种方法。第第二二种种方方法法：保保持持模模型型的
14、的进进速速不不变变，而而以以不不同同的的转转速速进进行行试试验验。空空泡泡水水筒筒中中常常采采用用这这种种方方法法。（无无“系系柱柱”，即即J J=0=0时时的情况）的情况）第25页，本讲稿共33页J04螺旋桨动力仪的简图螺旋桨动力仪的简图 第26页，本讲稿共33页第27页，本讲稿共33页第28页，本讲稿共33页进速和转速的测量进速和转速的测量 模型的进速模型的进速VA A即拖车前进的速度。即拖车前进的速度。螺旋桨转速由桨轴上转速传感器螺旋桨转速由桨轴上转速传感器(光电光电式式)检测。检测。第29页，本讲稿共33页二、测量数据的表达二、测量数据的表达 KT10KQ0第30页，本讲稿共33页 4
15、-4 4-4 螺旋桨模型系列试验及性征曲线组螺旋桨模型系列试验及性征曲线组 敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型的敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型的敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型的敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型的系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设计螺系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设计螺系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设计螺系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设计螺旋桨或分析船舶航行特性之用。旋桨或分析船舶航行特性之用。旋桨或分析船舶航行特性之用。旋桨或分析船舶航行特性之用。所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一定所谓螺旋桨系列，是
16、指一定类型的螺旋桨按一定所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一定所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一定的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不同的五或六个桨模称为一组。同的五或六个桨模称为一组。同的五或六个桨模称为一组。同的五或六个桨模称为一组。第31页，本讲稿共33页敞敞水水性性征征曲曲线线组组第32页，本讲稿共33页世界上性能优良的螺旋桨系列世界上性能优良的螺旋桨系列荷兰的荷兰的B B型螺旋桨；型螺旋桨；日本的日本的AUAU型螺旋桨；型螺旋桨；英国的高恩螺旋桨等英国的高恩螺旋桨等注意注意：B型和型和AU型螺旋桨适用于商船，而高恩型螺旋桨适用于商船，而高恩螺旋桨则适用于水面高速军舰！螺旋桨则适用于水面高速军舰！第33页，本讲稿共33页