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1、1 1船舶原理20082008年年1111月月1818日日2 2船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 第四章第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验试验目的试验目的1 1、根据系列、根据系列试验结果，整理后果，整理后绘制成制成专门图谱，供，供设计使用。使用。2 2、是校核和、是校核和验证理理论方法必不可少的手段。方法必不可少的手段。螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称为为敞水试验敞水试验。3 34 4、为配合自航配合自航试验而而进行同一螺旋行同一螺旋桨模型的敞水模型的敞水试验，以分析推，以分析推进效率效率成分，比成分，比
2、较各种各种设计方案的方案的优劣，便劣，便于于选择最佳的螺旋最佳的螺旋桨。3 3、根据系列、根据系列试验结果，可以系果，可以系统地地分析螺旋分析螺旋桨各种几何要素各种几何要素对性能的影性能的影响，以供响，以供设计时正确正确选择螺旋螺旋桨参数，参数，并并为改善螺旋改善螺旋桨性能提供方向。性能提供方向。船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 4 4船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 4-1 4-1 螺旋桨的相似定律螺旋桨的相似定律一、推力系数、转矩系数和效率函数一、推力系数、转矩系数和效率函数研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结
3、研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。用量纲分析法进行讨论，果基本上是一致的。用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法求出螺旋桨作用力的大致也就是用因次分析法求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的转时产生的水动力水动力(推力或转矩推力或转矩)与与直径直径、转速转速、进速进速、水的密度水的密度、水的运动粘性系数水的运动粘性系数及及重力加重力加速度速度有关。有关。5 5船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模
4、型的敞水试验 应用因次分析法可得推力系数、转矩系应用因次分析法可得推力系数、转矩系数和效率函数：数和效率函数：6 6船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 二、函数内各项的物理意义二、函数内各项的物理意义7 7船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 8 8船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 9 9船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 结论：当螺旋当螺旋桨在敞水中运在敞水中运转时，如，如浆轴沉没沉没较深，深，则其其水动力性能只与进速水动力性能只与进速系数和雷诺数有
5、关系数和雷诺数有关，即：即：1010船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 三、浆模和实浆转速与进速之间的关系三、浆模和实浆转速与进速之间的关系1 1、浆模和实浆的尺度比：浆模和实浆的尺度比：2 2、由进速系数相等的条件可得：由进速系数相等的条件可得：1111船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 3 3、由雷诺数相等的条件可得：由雷诺数相等的条件可得：4 4、综上，可得：综上，可得：1212船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 5 5、保持浆模和实浆的进速系数和雷诺数同时保持浆模和实浆的进速系数
6、和雷诺数同时相等，则浆模发出的功率等于实浆发出的功相等，则浆模发出的功率等于实浆发出的功率，是因为：率，是因为：四、模型试验的实际要求四、模型试验的实际要求在模型在模型试验时，如果要，如果要保持浆模和实浆的进速保持浆模和实浆的进速系数和雷诺数同时相等，则系数和雷诺数同时相等，则浆模转速和进速都浆模转速和进速都将过高而难以实现，推力过大而无法测量将过高而难以实现，推力过大而无法测量。1313船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 因此，在实际试验时，通常只要求满足进速系因此，在实际试验时，通常只要求满足进速系数相等，而雷诺数则仅要求超过临界值，数相等，而雷诺数则仅
7、要求超过临界值，即当即当 的条件下：的条件下：尺度作用：尺度作用：由于桨模和实桨因雷诺数不同而引由于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尺度作用起两者水动力性能之差异称为尺度作用(或尺或尺度效应度效应)。1414船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 4-2 4-2 临界雷诺数及尺度效应临界雷诺数及尺度效应一、雷诺数：一、雷诺数：是以特征速度与特征尺寸的乘积是以特征速度与特征尺寸的乘积除以运动粘性系数所得的一个无因次系数。除以运动粘性系数所得的一个无因次系数。根据根据1978年年ITTC的规定，螺旋桨的雷诺数以的规定，螺旋桨的雷诺数以0.75R处
8、叶切面的弦长及其合速度来表示：处叶切面的弦长及其合速度来表示：1515船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型试验时的雷诺数无法保持与实桨相螺旋桨模型试验时的雷诺数无法保持与实桨相同，若雷诺数过低，则由于桨叶切面上流动状同，若雷诺数过低，则由于桨叶切面上流动状态与实桨不同，将使试验结果无实用价值，因态与实桨不同，将使试验结果无实用价值，因此必须确立一个模型桨试验的最低雷诺数值此必须确立一个模型桨试验的最低雷诺数值-称为临界雷诺数。决定粘性流体流动状态的基称为临界雷诺数。决定粘性流体流动状态的基本参数之一为雷诺数，当雷诺数足够大时，界本参数之一为雷诺数，
9、当雷诺数足够大时，界层中的流动才能达到紊流状态，故层中的流动才能达到紊流状态，故临界雷诺数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乃为保证模型界层中达到紊流状态的最低雷诺数。数。二、二、临界雷界雷诺数数1616船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 临界雷界雷诺数：数：是保是保证模型界模型界层中达到紊流状中达到紊流状态的最低雷的最低雷诺数。有两种数。有两种结论：1 1、肯夫、肯夫试验结论：2 2、19781978年年ITTCITTC推荐推荐值（采用上海交大的根据（采用上海交大的根据试验研究提出的意研究提出的意见）：）：1717船舶推进第四章船舶推进第四
10、章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 上海交大的上海交大的浆模模试验研究研究结果之一：果之一：1818船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 上海交大的上海交大的浆模模试验研究研究结果之二：果之二：1919船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 三、尺度作用及修正方法三、尺度作用及修正方法在在实用上，尺度作用用上，尺度作用仅限于限于浆模和模和实浆均在超均在超临界区域界区域时因雷因雷诺数不同的影响。数不同的影响。1 1、机翼、机翼试验的研究的研究结果果1 1）雷诺数对升力系数影响不大雷诺数对升力系数影响不大，可以，可以认为模
11、型模型和和实物的升力系数相等。物的升力系数相等。2 2）雷诺数对阻力系数影响较大雷诺数对阻力系数影响较大，对扭矩的影响扭矩的影响较大。由于大。由于实物的雷物的雷诺数比比模型的大，数比比模型的大，则两两者之差即者之差即为实物与模型之物与模型之间的尺度作用。的尺度作用。2020船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 2 2、螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小，对扭螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小，对扭矩的影响较大矩的影响较大。实浆和和浆模在同一模在同一J J值时，有：，有：2121船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 3 3、对模型模
12、型试验的尺度修正方法的尺度修正方法1 1）不修正。）不修正。认为尺度作用主要影响阻力，但尺度作用主要影响阻力，但实浆比比较粗糙，因粗糙而增加的阻力大体抵粗糙，因粗糙而增加的阻力大体抵消了尺度作用，故可不予修正。消了尺度作用，故可不予修正。2 2）只修正）只修正转矩系数。矩系数。认为尺度作用主要影响尺度作用主要影响转矩系数，矩系数，对推力系数的影响很小可不予修推力系数的影响很小可不予修正。可以用平板摩擦阻力系数直接修正：正。可以用平板摩擦阻力系数直接修正：2222船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 3 3）19781978年年ITTCITTC推荐的修正方法。推
13、荐的修正方法。实浆和和浆模模在同一在同一进速速时有：有：2323 船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 2424船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 2525船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 4-3 4-3 螺旋桨敞水试验螺旋桨敞水试验一、敞水试验理论依据一、敞水试验理论依据螺旋桨模型在足够螺旋桨模型在足够沉没深度和超临界沉没深度和超临界雷诺数情况下进行雷诺数情况下进行试验所得的结果，试验所得的结果，可用之于实桨。可用之于实桨。对对于几何相似的螺旋于几何相似的螺旋桨的水动力性能只桨的水动力
14、性能只与进速系数有关。与进速系数有关。2626船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 二、敞水试验目的二、敞水试验目的1 1、保持浆模的转速不变，而以不同的进速进、保持浆模的转速不变，而以不同的进速进行试验。拖曳水池中常采用这种方法。行试验。拖曳水池中常采用这种方法。2 2、保持浆模的进速不变，而以不同的转速进、保持浆模的进速不变，而以不同的转速进行试验。空泡水筒中常采用这种方法。行试验。空泡水筒中常采用这种方法。三、敞水试验方法三、敞水试验方法测量螺旋桨的水动力性能，故在试验过程中应测量螺旋桨的水动力性能，故在试验过程中应使使进速系数有足够大的变化范围进速系数
15、有足够大的变化范围。2727船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 四、测量仪器与设备四、测量仪器与设备水池、敞水箱、螺旋桨动力仪等。水池、敞水箱、螺旋桨动力仪等。2828船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 五、测量数据的表达五、测量数据的表达目前，有相应的标准规定。目前，有相应的标准规定。2929船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 4-4 4-4 螺旋桨模型系列试验螺旋桨模型系列试验二、模型系列试验的定义二、模型系列试验的定义指一定的类型螺旋桨按一定的次序变更某些主指一定的类型螺旋桨按一定
16、的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。在统一系列要参数，以构成一个螺旋桨系列。在统一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不同的五中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不同的五或六个浆模称为一组。或六个浆模称为一组。一、模型系列试验的目的一、模型系列试验的目的将系列试验结果绘制成专门图谱，以供设计螺将系列试验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。3030船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 通常将通常将同一组同一组螺旋桨螺旋桨的敞水的敞水性征曲性征曲线绘在线绘在同一图同一图内。内。3131船舶推进第四章船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型的敞水试验 目前世界上已有不少性能优良的螺旋桨系列，目前世界上已有不少性能优良的螺旋桨系列，其中比较著名、应用较广的有：其中比较著名、应用较广的有：荷兰的荷兰的B B型螺型螺旋桨旋桨、日本的日本的AUAU型螺旋桨型螺旋桨和和英国的高恩螺旋桨英国的高恩螺旋桨等。等。B B型和型和AUAU型螺旋桨适用于商船，而高恩螺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。旋桨则适用于水面高速军舰。目前世界各国比较有名的螺旋桨系列发展目前世界各国比较有名的螺旋桨系列发展情况，如情况，如表表4-24-2和表和表4-34-3所示，可根据需要所示，可根据需要选用。选用。