第7章 空泡现象

C
背片空泡
泡状空泡
α max
)
界限
α( α(°)
泡 背空
4 2 0
-2 -4 -6 Δα
A (σ D α D)
无空泡区
B (σ
面空
B
α m in
泡界
)
限
0.5
σc r
1.0
1.5
ξ max ,σ
§7-3 空泡现象及对水动力性能的影响
一、螺旋桨的空泡现象 1．涡空泡 2．泡状空泡 3．片状空泡 4．云雾状空泡
§ 7-2 叶切面空泡现象及对水动力
性能的影响
在研究空泡问题时， 在研究空泡问题时，常按空泡对翼型
水动力性能影响的不同而分为两个阶段， 影响的不同而分为两个阶段，
即空泡现象的第一阶段和第二阶段。
空泡现象的第一阶段
ξ
2.0
ξmax
1.0
C
σ
第一阶段空泡 现象的特征是： 现象的特征是： 空泡区域是局 部的， 部的，对叶切面 的水动力性能不 发生明显影响， 发生明显影响， 但可能在叶表面 产生剥蚀。 产生剥蚀。
§ 7-1 桨叶表面产生空泡的原因
螺旋桨在水中工作时， 螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降 低形成吸力面， 低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以 下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面， 下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面， 进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。 进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。 一般认为，压力的临界值即为该温度时水的 一般认为，
第七章
螺旋桨的空泡现象
本章内容
1、桨叶表面产生空泡的原因 2、叶切面空泡现象及对水动力性能的影响 3、螺旋桨空泡现象及对水动力性能的影响 4、空泡性能校验
概 述
螺旋桨的空泡现象， 19世纪末就引起了造 螺旋桨的空泡现象，从19世纪末就引起了造 船界的注意。 船界的注意。 盘 面 比 增 加 45 %
汽化压力 pv (或称饱和蒸汽压力)。
自由水面
B
αK
A点: 点
p0 V0
B点: 点
hs V0 A
pb Vb
A点 点
p0 V0
B点 点
pb Vb
用伯努利方程确定A、 两点处压力及速度之间 用伯努利方程确定 、B两点处压力及速度之间 的关系， 的关系，即
1 1 2 2 p0 − ρ V0 = pb − ρ Vb 2 2
ξ≥σ
综上所述， 根据桨叶上某处的减 综上所述 ， 根据桨叶上某处的 减 压系数ξ 空泡数σ 的比较， 压系数 ξ 与 空泡数 σ 的比较 ， 可以判断 该处是否发生空泡， 其判断的准则 该处是否发生空泡 ， 其判断的 准则 是 ： 准则是 当ξ≥σ，有空泡 当ξ＜σ，无空泡
p0 − pv σ= 1 2 ρ V0 2
p0 m − pvm V = 2 p0 s − pvs VAs
2 Am
p0 m − pvm V = 2 p0 s − pvs VAs
2 Am
在满足空泡数相等时实桨 及其桨模的进速应相同， 及其桨模的进速应相同，即
VAm = VAs
若同时满足进速系数
V Am nm Dm nm 1 = = ⋅ V As n s Ds ns λ
静水压力 叶面 压力
压力
V0 = (2π rn) + V
2
2 A
不发生空泡的极限条件： ξ max 不发生空泡的极限条件：
ξmax=σ
p0 − pv = 1 2 ρ Vk 2
p0 − pv 1 ρ ξ m ax 2
Vk : 不发生空泡的极限速度
Vk =
近年来对空泡机理的研究表明
所谓气化空泡是指原溶解于水中的气体，由于降 是指原溶解于水中的气体， 压或过饱和， 压或过饱和，以扩散的方式通过界面逸到存在于水里 的气核中并成长到肉眼能见的程度； 的气核中并成长到肉眼能见的程度； 所谓汽化空泡是指液体分子因降压到所谓饱和蒸 汽压力导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核 汽压力导致爆发式的汽化，水汽通过界面， 并使之膨胀； 并使之膨胀； 所谓似是空泡是指原来以各种方式存在于水中的 气核，虽然没有任何水汽或气体逸入， 气核，虽然没有任何水汽或气体逸入，但当外界压力 降低时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度。 降低时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度。
ξmax ξmax
2．从提高螺旋桨的空泡数σ着手 从提高螺旋桨的空泡数σ
① 在条件许可的情况下，尽量增加螺旋桨 在条件许可的情况下， 的浸没深度， 的浸没深度，以增大空泡数σ。 ② 减小螺旋桨转速，即尽可能选用低转速 减小螺旋桨转速， 的主机。 的主机。
此外， 提高桨叶的加工精度， 此外 ， 提高桨叶的加工精度 ， 使表面光滑平整 以避免水流的局部突变； 以避免水流的局部突变 ； 改善船尾部分的形状与正 确安置桨轴位置可减小斜流及伴流不均匀性的影响 上述措施对避免空泡都是有利。 等，上述措施对避免空泡都是有利。
不同切面的最大减压系数 不同切面的最大减压系数ξ
+2.0
+1.0 Δp
1ρV 0 2
2
αK 11°
Δp
1ρV 02 2
+1.0 0
-1.0
αK 3.5°
0
-1.0
+2.0 +1.0
Δp
1ρV 02 2
αK -2.5°
0
-1.0
不同切面的最大减压系数 不同切面的最大减压系数ξ
叶背 吸力 叶背 吸力 导边 导边 静水压力 叶面
及空泡数相等， 及空泡数相等，则实桨 及其桨模转速之间的关 系应为： 系应为：
nm = n s λ
VAm = VAs
nm = n s λ
由上述分析可知， 由上述分析可知，若在敞露的水池中进 行空泡试验， 行空泡试验，则必须拖车的速度与实桨的进 速相等，桨模的转速应为实桨的λ倍，此外， 桨模的转速应为实桨的λ 桨模的沉没深度尚需与实桨相同。 桨模的沉没深度尚需与实桨相同。上述条件 实际上是难以实现的。为此, 实际上是难以实现的。为此,就必须采取某种 特殊的装置来进行螺旋桨模型的空泡试验， 特殊的装置来进行螺旋桨模型的空泡试验， 例如空泡试验筒或减压水池。 例如空泡试验筒或减压水池。
随着现代工业的发展以及国防建设的需 要，要求舰船的速度迅速提高，尤其是高速 要求舰船的速度迅速提高， 军舰，往往螺旋桨的空泡在所难免， 军舰，往往螺旋桨的空泡在所难免，针对这 种情况一般可作如下处理： 种情况一般可作如下处理： ① 允许桨叶上有部分空泡存在，在使用 允许桨叶上有部分空泡存在， 过程中根据其剥蚀情况予以调换。 过程中根据其剥蚀情况予以调换。 ② 速度再高时，干脆设法促使其在第二 速度再高时， 阶段空泡状态下运转，即所谓全空泡( 阶段空泡状态下运转，即所谓全空泡(或称 超空泡)螺旋桨的设计问题。 超空泡)螺旋桨的设计问题。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0.7
η0
0.6
二、空泡对 螺旋桨性能 的影响
K T 10K Q η0
0.5
0.4
KQ
0.3 8 0.2
8
7σ 6
7 6 5 4
5
3
4
2
3
2
1
1
KT 0.1
第二 阶 段空 泡 第一 阶 段空 泡
0 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
σ
1.4
第一阶段空泡 对螺旋桨的水动力性
能不发生影响，但使叶表面产生剥蚀； 能不发生影响，但使叶表面产生剥蚀；
空泡数σ 与来流速度V 空泡数 σ 与来流速度 V0、 水 的汽化压力p 及静压力p 有关， 的汽化压力 pv 及静压力 p0 有关 ， 而与桨叶切面的几何特征无关。 而与桨叶切面的几何特征无关。
减压系数ξ只与该处流速V 减压系数ξ只与该处流速Vb对 有关。 来流速度V 的比值( 来流速度V0的比值(Vb／V0)有关。 p0 − pb Vb 2 ξ= = ( ) −1 故在绕流条件下减压系数ξ 故在绕流条件下减压系数ξ随切面 1 2 V0 ρV0 形状、入射角α 点的位置而变， 形状、入射角αK及B点的位置而变， 2 与来流速度V 的大小无关。 与来流速度V0的大小无关。
故B点产生 空泡的条件： 空泡的条件：
B点处即开始出现空泡。 点处即开始出现空泡。
pb ≤ pv
p0 − pb ξ= 1 2 ρ V0 2
令
p0 − pv σ= 空泡数 1 2 ρ V0 2
若切面上B点处的减压系数 若切面上 点处的减压系数ξ≥σ，则 点处的减压系数 ， pb≤pv，B处即产生空泡。反之，当B点处的 处即产生空泡。 点处的ξ 处即产生空泡 反之， 点处的 即不产生空泡。 ＜σ，则pb＞pv，即不产生空泡。 ， 因此， 点产生空泡的条件也可写成 点产生空泡的条件也可写成： 因此，B点产生空泡的条件也可写成：
p0 − pb Vb 2 ξ = = ( ) −1 1 V0 ρ V 02 2
若切面 上某处 （ B 点 ） 之
ξ < 0， 则表示该处压力增高 ( 即大于 p0)， 若 ξ > 0， 则为 压力降低。 通常认为， 压力降低 。 通常认为 ， 当 B 点
的压力降至该水温下的汽化压 力(或称饱和蒸汽压力) pv时， 或称饱和蒸汽压力)
从降低最大减压系数ξ 1．从降低最大减压系数ξmax着手
① 增加螺旋桨的盘面比， 增加螺旋桨的盘面比，以减低单位面积上
值下降。 的平均推力， 的平均推力，使叶背上ξ值下降。 ② 采用弓型切面或压力分布较均匀的其他切
面形式。 面形式。 ③ 减小叶根附近切面的螺距。 减小叶根附近切面的螺距。
b b′
四、
螺旋桨模型的空泡试验
1、相似定理 螺旋桨及其模型满足空泡相似的条件为： 螺旋桨及其模型满足空泡相似的条件为：
VAs VAm = ns Ds nm Dm
p0 s − pvs p0 m − pvm = 1 1 2 2 ρ s VAs ρ m VAm 2 2
Js = Jm σs =σm
VAm nm Dm nm 1 = = ⋅ VAs ns Ds ns λ
1 p 0 − pb = ρ(Vb2 − V02 ) 2
1 p0 − pb = ρ(Vb2 − V02 ) 2
减压系数ξ 减压系数ξ只与该处 流速V 对来流速度V 流速Vb对来流速度V0 p0 − pb Vb 2 的比值( 有关。 ξ = = ( ) − 1 的比值(Vb／V0)有关。 1 V0 故在绕流条件下减压 2 ρ V0 系数ξ随切面形状、 系数ξ随切面形状、入 2 射角α 射角αK及B点的位置而 与来流速度V 变，与来流速度V0的 ξ: 减压系数 大小无关。 大小无关。
D
0
-1.0
D
C
B A
球状空泡； 球状空泡；局部空泡
空泡现象的第二阶段
ξ
2.0
第二阶段空泡现 象的特征是： 象的特征是：
1.0
ξ=σ
0
空泡区域已拖到 随边之外，通常对叶 随边之外， 表面无剥蚀作用； 表面无剥蚀作用；但 影响叶切面的水动力 性能。 性能。
1.0
片状空泡（全空泡） 片状空泡（全空泡）
水动力特性与空泡数的关系
CL 10C D
C L-σ,α=常数
空泡初生
C D-σ,α=常数
空泡初生
0.5
1.0
1.5
2.0
σ
对任一切面来说， 对任一切面来说，空泡出现的部位取 决于空泡数σ 和攻角α 决于空泡数σ 和攻角α 的大小。
a
b
c
叶切面的空泡斗
10 8 6
C (σ
面片空泡 泡 状 空 泡 界 限
1894年 1894年，“勇敢”号 勇敢” 小型驱逐舰： 小型驱逐舰：转速比额定 低1.54%；主机总功率比 1.54%； 额定低7.5%；航速只有24 额定低7.5%；航速只有24 节（设计27节） 设计27节
最后修改 方案？ 方案？
原因：空泡 原因：
船舶发展存在着二种趋势
高转速和大功率：军用船舶(如高速艇等)主机，并 高转速和大功率：军用船舶(如高速艇等)主机， 将高速主机与螺旋桨直接相连。 将高速主机与螺旋桨直接相连。这类船的螺旋桨上 空泡往往在所难免， 空泡往往在所难免，因而促进了所谓空泡螺旋桨或 全空泡螺旋桨的研究和发展。 全空泡螺旋桨的研究和发展。 船舶大型化和高功率：由于螺旋桨负荷不断增加， 船舶大型化和高功率：由于螺旋桨负荷不断增加， 尾部流场的不均匀性使螺旋桨上产生时生时灭的空 导致桨叶剥蚀损伤， 泡，导致桨叶剥蚀损伤，而且往往伴有强烈的尾部 振动。 振动。
第二阶段空泡 对桨叶表面无剥蚀作
用，但影响螺旋桨的水动力性能。 但影响螺旋桨的水动力性能。
三、延缓螺旋桨空泡发生的措施
发生空泡的条件为：ξ ≥ σ 发生空泡的条件为： ξ与 σ是由两组互不相关的参数所决定 ， 是由两组互不相关的参数所决定， 因此，为了避免或减缓空泡的发生， 因此 ，为了避免或减缓空泡的发生，我们 应尽量设法减小减压系数 应尽量设法减小减压系数 ξ或提高空泡数 σ。 减小减压系数ξ 提高空泡数σ 一般常采取下列措施以避免或减轻螺旋 桨的空泡。 桨的空泡。