船舶推进第4章 螺旋桨模型的敞水试验

1、 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、根据系列试验结果，整理后绘制成专门图、根据系列试验结果，整理后绘制成专门图 谱，供设计使用。谱，供设计使用。 2 2、是校核和验证理论方法必不可少的手段。、是校核和验证理论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。 4 4、为配合自航试验而进行同一螺旋、为配合自航试验而进行同一螺旋 桨模型的敞水试验，以分析推进效率桨模型的敞水试验，以分析推进效率 成分，比较各种设计方案

2、的优劣，便成分，比较各种设计方案的优劣，便 于选择最佳的螺旋桨。于选择最佳的螺旋桨。 3 3、根据系列试验结果，可以系统地、根据系列试验结果，可以系统地 分析螺旋桨各种几何要素对性能的影分析螺旋桨各种几何要素对性能的影 响，以供设计时正确选择螺旋桨参数，响，以供设计时正确选择螺旋桨参数， 并为改善螺旋桨性能提供方向。并为改善螺旋桨性能提供方向。 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 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

3、率函数 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结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。

4、有关。 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 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： 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 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 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 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：结论：当螺旋桨在敞水中运转时，如浆当螺旋桨在敞水中运转时，如浆 轴沉没较深，

5、则其轴沉没较深，则其水动力性能只与进速水动力性能只与进速 系数和雷诺数有关系数和雷诺数有关，即：即： 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： 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： 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、

6、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 在模型试验时，如果要在模型试验时，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。 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

7、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) )。 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。

8、 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： 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

9、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，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、临界雷诺数二、临界雷诺数 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 临界雷诺数：临界雷诺数：是保证模型界层中达到紊流状态是保证模型界层中达到紊流状态 的最低雷诺数。有两种结论：的最低雷诺数。有两种结论： 1 1、肯夫试验结论：、肯夫试验结论： 2 2、19781978年年I

10、TTCITTC推荐值（采用上海交大的根据试推荐值（采用上海交大的根据试 验研究提出的意见）：验研究提出的意见）： 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 上海交大的浆模试验研究结果之一：上海交大的浆模试验研究结果之一： 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 上海交大的浆模试验研究结果之二：上海交大的浆模试验研究结果之二： 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 在实用上，尺度作用仅限于浆模和实浆均在超在实用上，尺度作用仅限于浆模和实浆均在超 临界区域时

11、因雷诺数不同的影响。临界区域时因雷诺数不同的影响。 1 1、机翼试验的研究结果、机翼试验的研究结果 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，可以认为模型，可以认为模型 和实物的升力系数相等。和实物的升力系数相等。 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，对扭矩的影响 较大。由于实物的雷诺数比比模型的大，则两较大。由于实物的雷诺数比比模型的大，则两 者之差即为实物与模型之间的尺度作用。者之差即为实物与模型之间的尺度作用。 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

12、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。实浆和浆模在同一。实浆和浆模在同一J J值时，有：值时，有： 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、对模型试验的尺度修正方法、对模型试验的尺度修正方法 1 1）不修正。）不修正。认为尺度作用主要影响阻力，但认为尺度作用主要影响阻力，但 实浆比较粗糙，因粗糙而增加的阻力大体抵实浆比较粗糙，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）只修正转矩系数。）只修正转矩系数。认为尺度作用主要影响认为尺度作用主要影响 转矩系数，对推力系数的影响很小可不予修转矩系

13、数，对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： 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。推荐的修正方法。实浆和浆模实浆和浆模 在同一进速时有：在同一进速时有： 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 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 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

14、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性能只 与进速系数有关。与进速系数有关。 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

15、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有足够大的变化范围。 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。 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

16、准规定。 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。 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。 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