第4章 螺旋桨模型的敞水试验要点
网教敞水课件
敞水试验知识
由雷诺数相等的条件可得
2 n m Dm
νm
=
n s Ds2
νs
设
νm =νs
2 nm Dm = n s Ds2
nm Ds2 2 = 2 =λ n s Dm
敞水试验知识
要保持桨模和实桨进速系数和雷诺 数同时相等，必须满足 nm = λ2 ns VAm nm 1 = =λ VAs ns λ 桨模的推力系数等于实桨的推力 系数。
2 4 2
n2D 2 , ) gD
2
KT = KQ
T
ρn 2 D 4
V nD = f1 ( A , nD ν
n2D2 , ) gD n2D 2 , ) gD
V Q nD = = f2 ( A , nD ν ρn 2 D 5
2
2
K V J nD = f3 ( A , η0 = T K Q 2π nD ν
敞水试验知识
根据敞水试验相似定理的讨 论，螺旋桨模型敞水试验必须满足 以下条件： 1)几何相似； 2)螺旋桨模型有足够的浸深(傅汝德数 可不考虑)；
为了消除自由表面对螺旋桨水动力 性影响，桨模的浸深一般应满足
敞水试验知识
螺旋桨模型敞水试验必须满 足以下条件： 1)几何相似； 2)螺旋桨模型有足够的浸深(傅汝 德数可不考虑)； 为了消除自由表面对螺旋 桨水动力性影响，桨模的浸深 一般应满足
Kt 10Kq eta
螺旋桨敞水性征曲线
参考书： 《船舶原理》，盛振邦 刘应中主编 《船舶性能实验技术》，俞湘三 陈泽梁 等编
实验报告
1.试验目的 2.试验相似准则和本次试验内容 3.主要仪器设备 4.试验程序 5.试验原始数据 6.计算公式 7.计算进速系数、推力系数、扭矩 系数、敞水效率和螺旋桨性征曲 线 8.关于螺旋桨敞水试验。
对转螺旋桨敞水试验技术
8.4.1 对转螺旋桨敞水试验技术敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。
敞水试验的目的是：（1）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱；（2）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为改进设计和优化设计提供试验数据；（3）提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。
一、试验方法和试验设备螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J。
雷诺数、弗氏数、相对潜深都属于限制参数。
为了消除自由液面的影响(兴波和吸气)，螺旋桨的轴线潜深应大于或等于一个桨径。
为了避免严重的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作专门讨论。
试验方法有二种：(1)固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速度法；(2)固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转速法。
目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。
螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱体之间的轴向距离要求大于2—3倍桨直径。
另一种是炮弹式敞水试验装置。
其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。
动力仪及驱动螺旋桨的传动轴系安装在圆柱体内。
圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一直伸到水面上，安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转动。
这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许增大潜深，提高车速。
敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。
中国船舶科学研究中心水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。
螺旋桨转速由光电式或磁电式速度仪测量。
图8-8是鱼雷对转桨试验装置的示意图。
图8-8 鱼雷对转桨试验装置示意图1- 内轴；2-外轴；3-空心万向轴节；4-空心动力仪；5-换向齿轮箱；6，7-万向联轴节8-减速齿轮箱；9-光电测速仪；10-电机。
敞水实验报告
船模与渔具水动力实验室桨模敞水试验报告姓名：专业：班级：所属课程：试验日期：同组者：年月日船模与渔具水动力实验室螺旋桨模型基本信息模型浆编号：形式：直径D(mm)：螺距比P/D：盘面比Ae/Ao：叶数Z：叶厚比：毂径比：后倾角：最大叶宽比：旋向：一、螺旋桨敞水性特征计算表模型编号__________________________模型直径D__________________________叶厚分数t0/D__________________________水温__________________________ 试验编号__________________________盘面比A e/A o ________________________毂径比d b/D ___________________________ 密度ρ________________________ 比例尺λ__________________________ 螺距比P/D _________________________叶数Z____________________________日期___________________________螺旋桨雷诺数计算公式：1、曾用公式：Re=nD2/v或者V p D/v 2、1978年ITTC规定公式：Re＝{b0.75R[V p2+(0.75πnD)2]1/2}/v螺旋桨敞水性能无因次系数：1、进速系数：J p＝V p/nD 2、推力系数：K T=T/ρn2D43、扭矩系数：K Q=Q/ρn2D54、敞水效率：η0＝K T J P/K Q2π二、螺旋桨敞水性特征曲线0.10.30.20.50.60.4 1.00.80.90.70.10.20.30.60.50.40.70.80.91.0KT10K Qη三、试验结果的分析、讨论四、教师评阅成绩: 签名:。
船舶实验
船舶与海洋工程实验技术实验报告班级：姓名：学号：指导老师：华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室2016年6月1日螺旋桨敞水试验一、实验目的(1)对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定实际螺旋桨的水动力性能。
(2)通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种几何要素对水动力性能的影响。
(3)检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方法。
(4)通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。
现时广泛使用的楚思德B 系列图谱和MAU 系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水试验的结果。
二、实验原理满足以下条件：几何相似； 螺旋桨模型有足够的深度； 试验时雷诺数应大于临界雷诺数。
进度系数相等。
22412252(,)(,)A A V nD T n D f nD V nD Q n D f nD ρνρν==螺旋桨雷诺数采用ITTC 推荐表达式：νπ2275.0)75.0(Re nD v c a +=临界雷诺数一般大于3×105为消除自由液面影响，桨模的沉深深度：m s D h )0.1-625.0(≥三、实验设备主要设备是螺旋桨动力仪 。
四、实验内容敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。
速度范围应从Va ＝0至推力小于零的进速之间，在该范围内测点取15个左右。
1、敞水箱安装敞水箱为流线型，螺旋桨的轴从敞水箱的前端伸出箱外，外伸长度必须使桨模位于箱前的距离大于螺旋桨直径的3倍，以避免箱体的影响。
敞水箱样式如下图所示。
动力仪和电机安装在敞水箱内。
2、仪器安装及操作进入数据采集界面，如图所示。
在拖车开动之前，要对采集系统进行调零。
即在水池水面平稳状态下，点击系统设定里面的“调零保存”，使该通道的工程值基本在0附近飘动。
在拖车开动之前，我们要给螺旋桨一定的转速。
具体转速的确定，要根据具体情况确定。
由进速系数公式 可知，螺旋桨直径D已定，如果螺旋桨转速n太低，我们需要提高进速V，才能是J达到足够到。
船舶推进 知识要点
第五章
1伴流的成因和分类
①形势伴流up：船身周围流线运动
②摩擦伴流uf：水的粘性作用
③波浪伴流uw：船舶行波作用
2测量实效伴流的方法：
①等推力法：已知V,n，TB，QB，n一定，使T=TB，则VA,Q。可得，实效伴流速度：V-VA
②等转矩法：已知V,n，TB，QB，n一定，使Q=QB，则VA,T。可得，实效伴流速度：V-VA
②叶数（Z大对振动有利，Z小对空泡有利）
③直径（图谱设计决定，考虑振动，与船体间隙不宜过小）
④转速（N↓，D↑效率更高，综合考虑主机类型，效率，振动等因素）
⑤桨叶外形与叶叶切面形状（展开轮廓近于椭圆叶形良好，后倾：增大间隙，减小振动）
弓形：压力分布均匀，不易产生空泡，效率低于机翼形）
①传送效率： PDB=?SPS
②推进系数P.C.=?S?R?。?H
Ps（主机功率）
↓（?s轴系传送效率）
PDB(收到功率）
↓（?R相对旋转效率）
PDo（敞水收到功率）
思考题:
1叶厚，螺距比，毂径比，叶厚比
第八章
1螺旋桨的初步设计
①V,PE, D→n ?。，P/D，Ps
②V,PE, n→D ?。，P/D，Ps
2终结设计：所能到达航速及螺旋桨尺度
（Ps，n，有效马力曲线→Vmax，D,P/D,?。等）
方法：图谱设计法，（环流）理论设计法
思考题：
1分析叶元体的效率：轴向诱导效率x周向诱导效率x结构效率
2试述理想推进器和理想螺旋桨效率上的区别：见11
第四章
1螺旋桨模型敞水实验的目的和作用：
①进行系列实验，将所得结果分析整理绘制成专门图谱，供设计使用；
推进演示文稿2
T = f1 ( D, n, VA , ρ ,ν , g )
T = kD a n bV Ac ρ dν e g f
为进行因次分析， 为进行因次分析，将其写成
取质量M，长度 ，时间T为基本变量 则有： 为基本变量， 取质量 ，长度L，时间 为基本变量，则有：
2 ML a 1 b L c M d L e L f = kL ( ) ( ) ( 3 ) ( ) ( 2 ) 2 T T T L T T
K Qm K Qs
=[
Rnm 2.58 ] Rns
3、ITTC 1978年推荐方法： 、 年推荐方法： 年推荐方法
K Ts = K Tm K T K Qs = K Qm K Q
其中： 其中：
P b K T = 0.3C D ( )( ) Z D D b K Q = 0.25C D ( ) Z D
一、功率传递及推进效率成分
船速 V，主机功率 PS，转速 n ，螺旋桨推力 T ，船的阻力 R ， 1、传送效率 ηS 、 船后收到马力与主机功率之比
ηS =
PDB PS
～包括轴系、减速器效率 包括轴系、
2、推进系数及推进效率 、 有效马力 PE = RV 船后收到马力 PDB = 2πnQB
75
推进系数 P.C. ～ 有效马力与主机马力之比
§4.2 临界雷诺数和尺度效应
一、临界雷诺数： 临界雷诺数：
螺旋桨雷诺数： 螺旋桨雷诺数：
Rn =
b0.75 R V A2 + (0.75πnD) 2
ν
上海交大水池试验结果 汉堡水池试验结果
上海交大水池试验结果 水动力性能基本不变， 试验证明当 Rn > 3.0 ×105 后，水动力性能基本不变，故 ITTC 推 荐螺旋桨雷诺数为 5
螺旋桨敞水试验
43
4.2 敞水试验过程
桨模制作:敞水桨模直径为0.2-0.3ｍ 通常用巴氏合金、铜合金、不锈钢或铝等 金属 桨模 精度在0.05ｍｍ
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47
4.2 敞水试验过程
将敞水动力仪固定在水池拖车上，预先应 进行校验和标定 将桨模安装在敞水动力仪上，叶背向前 , 浸没深度大于桨径 试验前应先根据桨模的几何尺寸，如直径 Dm 和 0.75R 处 切 面 的 弦 长 及 临 界 雷 诺 数 3.0×105 ,确定桨模要求的最小转速，估算 J ＝ 0 时桨模可能发出的最大推力及吸收的 转矩，保证在动力仪量程范围内 48
14
n D gD
2 2
2 相似条件及要求
综述：螺旋桨在敞水中运转时，如桨 轴沉没较深，则其水动力性能只与进速系 数J和雷诺数Re有关。 由进速系数相等的条件可得
V Am V AS n m Dm n s Ds V Am nm 1 V AS ns
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2 相似条件及要求
由雷诺数相等的条件可得
21
2 相似条件及要求
进速系数相等
VAm VAS nm Dm ns Ds
22
03
PART THREE
试验设备
23
3.1 敞水动力仪（H29-1）
敞水试验的专用设备
它包括自航动力仪、光栅编码器(测速发电 机)、驱动电机及传动机构 敞水动仪功能是测量安装在轴上的桨模的 。 转速、推力和扭矩
24
12
2 相似条件及要求
T f 1 ( D, n, V A , , , g )
2 2 2 V nD n D T n 2 D 4 f 1 ( A , , ) nD gD
螺旋桨敞水试验报告
螺旋桨敞水实验一、实验目的和意义螺旋桨模型的敞水实验是在循环水槽中测试螺旋桨模型单独在水流条件下进行的性能试验，是《船舶推进》课程在整个教学过程中的一个重要环节，其目的： 1、 配合自航试验分析船舶推进的各种效率成分，并预估实船推进性能 2、 分析比较各种螺旋桨设计方案的优劣，选择性能最佳的螺旋桨3、 进行螺旋桨系列试验，将其结果综合绘制成图谱，供设计螺旋桨使用。
4、 根据螺旋桨试验结果，进行螺旋桨理论的验证，分析几何参数对螺旋桨性能的影响规律。
二、模型试验要求和准备工作图2.1 螺旋桨敞水试验布置图1、桨模敞水试验的相似定理：桨模和实桨满足几何相似、运动相似、动力相似才能将模型试验数据应用在实桨上。
为避免缩尺影响过大，桨模试验的雷诺数Re 必须超过临界值，螺旋桨的雷诺数根据1957年ITTC 会议推荐采用的下列定义式Re =其中0.75C -- 0.75R （半径）处叶剖面的弦长（m ） D-- 螺旋桨的直径（m ） A V-- 螺旋桨的进速（m s ） n-- 螺旋桨的转速（round s ）υ--水的运动粘性系数（2m s ）根据1978年ITTC 会议建议，临界雷诺数为5Re 3.010=⨯临。
2、为避免自由面兴波和吸入空气对桨性能产生不利影响，在桨模进行敞水试验时，其浸没与水中的深度应满足 1.0h D ≥，其中h 为桨轴中心线距水面的距离（m ）。
3、敞水动力仪的流线罩与桨模安装位置应有足够大的距离，以避免因流线罩干扰的水流影响试验结果。
一般要求桨轴伸出在罩外的长度大于三倍桨模直径。
4、螺旋桨轴端身在前面，其轴端平面对水流的干扰将影响进入桨面的水流，因此在试验时应加装导流罩帽。
桨模后方也应装有光顺的过渡导流罩，以使将毂到桨轴的阶梯处不致产生涡流。
5、螺旋桨动力仪在试验前应作静校验，并应测量轴承摩擦损耗和桨轴在水中旋转时的摩擦损耗s Q ∆和s T ∆，以便对试验结果进行修正。
校验时，将动力仪按照试验要求装载拖车上，在装桨模的位置处安装个假毂，其外形与桨毂相同，重量与桨模相近，可用铜或铅制成，桨轴埋水深度按试验要求放置。
《船舶推进学》--chapter4--螺旋桨型的敞水试验 - 给学生
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4-4 螺旋桨模型系列试验及特性曲线组
4-4 螺旋桨模型系列试验及特性曲线组
4、后果
（1）模型桨进流速度太高，试验难以满足 （2）模型桨转速太高，试验难以实现 怎么办？ （3）模型桨推力过大，难以测量，强度难以保证
尺度效应 scale effect
模型桨与实桨因雷诺数不同引起的水动力性能差异
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13 March 2015
4-2 临界雷诺数和尺度效应
C D C Dm C Ds
5 t 0.044 ) C Dm 2(1 2 )( 1 / 6 b Re Re 2 / 3
t b 2.5 C Ds 2(1 2 )(1.89 1.62 log ) b KP
23
K P 30 10 6 m
实桨粗糙度
13 March 2015 24 13 March 2015
尺度效应
模型桨与实桨因雷诺数不同引起的水动力性能差异
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13 March 2015
4-2 临界雷诺数和尺ห้องสมุดไป่ตู้效应
4-2 临界雷诺数和尺度效应
二、尺度效应及修正方法
（1）不修正
为什么？
桨模光滑，实桨粗糙，抵消尺度效应 （2）只修正 K Q
K Qm K Qs ( Re m 2.58 ) Re s
（3） m S
4
4-3 敞水试验及测试数据表达
螺旋桨敞水试验技术
对转螺旋桨敞水试验技术 敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。
敞水试验的目的 是： （ ）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱； （ ）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为 改进设计和优化设计提供试验数据； （ ） 提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。
一、 试验方法和试验设备 螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数 。
雷诺数 氏数 、相对潜深 、弗都属于限制参数。
为了消除自由液面的影响 兴波 应大于或等于一个桨径。
为了避免严重和吸气 ，螺旋桨的轴线潜深的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作 专门讨论。
试验方法有二种： 固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速 度法； 固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转 速法。
目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。
螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨 的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱 体之间的轴向距离要求大于 倍桨直径。
另一种是炮弹式敞水试验装置。
其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。
动力仪及驱动螺旋桨 的传动轴系安装在圆柱体内。
圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一 直伸到水面上， 安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转 动。
这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许 增大潜深，提高车速。
敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。
中国船舶科学研究中心 水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨 动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。
螺旋桨转速由光电式或磁电 式速度仪测量。
图 是鱼雷对转桨试验装置的示意图。
图鱼雷对转桨试验装置示意图内轴； 外轴； 空心万向轴节； 空心动力仪； 换向齿轮箱； ， 万向联轴节 减速齿轮箱； 光电测速仪； 二、 敞水试验数据表达 敞水试验测量的数据有：前桨推力 、后桨扭矩 、前桨扭矩 。
第4章 敞水试验
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19 23
hs = D
18 24
13
敞水箱
进速和转速的测量
模型的进速V 即拖车前进的速度。
A
螺旋桨转速由桨轴上转速传感器(光电 式)检测。
二、测量数据的表达
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
2400t油轮”大庆61号”桨模敞水性征曲线 MAU4-60 =0.778 桨模直径 =0.1238m 转速 0 =30转每秒 0 桨轴沉深 s =0.18m
雷诺数大于临界数值:
桨轴的足够沉深:
Rn Rnc
0 f 3 ( J )
hs> 0.625D
注意：桨模和实桨因雷诺数不同而引起两者水动力 性能之差异称为尺度作用(或尺度效应)。
§ 4-2
临界雷诺数和尺度效应
一、临界雷诺数 雷诺数: 决定粘性流体流动状态的基本参
数之一。
当雷诺数足够大时，界层中的流动才能达
VA T KT f1 ( ) 2 4 nD ρn D VA Q KQ f 2 ( ) 2 nD ρ n D5 KT J VA η0 f 3 ( ) KQ 2 π nD
一、敞水试验设备及测试仪器
第一种方法：保持桨模的转速不变，而
5 7
Rn =3×10
5
η
0
Rn×10
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。 机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数CL 的影响不大，可以认为模型和实物的升力系数相同
即CLs
CLm
对阻力系数CD的影响较大，因为CD由粘性所引起。 由于实物之雷诺数较模型为高，故C <C 。两者之 差∆C =C －C 即为实物及模型之间的尺度作用。
船舶推进螺旋桨模型的敞水试验
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
§4-2 临界雷诺数及尺度效应
一、雷诺数：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。 根据1978年ITTC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：
11
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
二、临界雷诺数
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 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 层中的流动才能达到紊流状态，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。
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船舶推进第四章 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， 其中比较著名、应用较广的有：荷兰的B型螺 旋桨、日本的AU型螺旋桨和英国的高恩螺旋桨 等。B型和AU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。
目前世界各国比较有名的螺旋桨系列发展 情况，如表4-2和表4-3所示，可根据需要 选用。
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
螺旋桨敞水性能研究方法
螺旋桨敞水性能研究方法1. 螺旋桨敞水性能概述螺旋桨单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，对于模型试验，可以在船模拖曳水池、循环水槽或空泡水筒中进行。
对于数值计算只需建立一个合适大小的计算域即可确保试验环境的符合试验要求。
螺旋桨的敞水数值计算方法研究，由于近些年有众多研究者参与其中，已经完全具有工程实用的预报精度，基本可以达到替代螺旋桨模型试验的目的，一方面可以依据计算结果，系统的分析螺旋桨各个几何要素对性能的影响，以供设计时选择各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向；其二是可以作为校核和验证理论方法的手段之一；其三则是敞水试验数值方法的确定为其他螺旋桨相关的计算提供了技术基础，包括后文中要进行的螺旋桨非定常计算、空泡性能计算以及噪声性能计算；除此之外，对于自航试验、船桨舵干扰等于螺旋桨相关的研究都需要以螺旋桨敞水性能数值预报方法为基础，才能顺利行进。
2. 理论基础螺旋桨周围流场流动的数学描述模型是Navier-Stokes方程组，其数值仿真就是应用CFD理论求取螺旋桨流场的各个流动参数。
3. 控制方程满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的微分方程组是流体力学的基本控制方程。
对于所有流动，无论是热传导、可压缩的流动都需同时求解上述方程。
龙叶螺旋桨流动的数值计算由于不涉及热传递、水也不可压缩，因为不涉及能量方程。
4. 离散方法对于在求解域内建立的微分方程组，理论上存在解析解，即数值计算的真解或称精确解，但是直接求解方程组由于所处理问题的复杂性以及偏微分方程组本身的特点造成这几乎是一件无法完成的事。
而通过数值的方法，将求解域离散成有限个节点，在节点之间建立关于未知量的代数方程组，通过求解相对简单的代数方程组即可获得节点位置上的流场物理量。
流场其他位置的物理量则依据这些节点上的值可通过不同的插值方式获得。
将计算域离散成有限个节点的方法称为离散方法，而获得节点以外区域物理量的插值方式则称为离散格式。
螺旋桨模型敞水试验报告
螺旋桨模型敞水试验实验报告
螺旋桨模型敞水试验的目的：
螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，该试验可以在船模试验水池、循环水池中进行。
它是鉴定和分析螺旋桨性能的较为简便可靠的方法。
该试验的目的是为了配合自航试验分析船舶推进的各种效率成分，或对若干方案进行比较分析。
试验步骤：
（1）在准备工作完成后，使螺旋桨叶背向拖车前进方向安装。
（2）按选定的螺旋桨转速保持转速不变，改变拖车的前进速度，在适当的速度范围内测量（10~15）个点，速度范围的选取应从0=Am V 到使推力0<m T 。
（3）在某一速度下同时记录以下数据： a 、螺旋桨转速m n 。
b 、螺旋桨前进速度Am V 。
c 、推力t T 。
d 、扭矩m Q 。
在试验操作时应注意下列事项： a 、 每次开车前水面要平静
b 、 待螺旋桨转速和车速达到预定值且稳定一段时间后，方可记录数据。
c 、 每次测试要先开车后启动电机，数据记录完毕后要先电机后停车，以防系泊情况发生，保证动力仪的安全。
试验数据处理：
由试验得到数据； 1、螺旋桨试验相关参数 浆模直径： m D 1175.0= 桨叶数：
4=Z 螺距比： 8.0=D P
模型缩尺： 40=λ
试验水温：
C t 20淡水=
由以上数据求J 、T K 、Q K 、0η 进速系数nD
V J A
=
推力系数4
2D n T
K T ρ=
扭矩系数5
2D
n Q
K Q ρ=
效率Q
T
K K J ⋅
=
πη20 1、 求进速系数J 由以上数据得。
船舶与海洋工程实验技术-螺旋桨敞水试验指导书
船舶与海洋工程实验技术螺旋桨敞水试验指导书华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室2015 年5月20日目录0、前言 (1)1、敞水箱安装 (1)2、仪器安装及操作 (2)2.1 动力仪 (2)3、敞水试验数据处理 (15)图目录图1 敞水箱 (2)图1 动力仪 (3)图2 电机 (4)图3 3KW稀土直流电动机调速装置 (5)图4 转速数字显示仪 (6)图5 WD990 微机电源 (7)图6 操作台整体视图 (8)图7 放大器背面接口 (9)图8 放大器正面 (10)图9 8HZ采集程序图标 (11)图10 敞水自航双桨 (12)图11 敞水系统设定 (13)图12 敞水数据采集 (14)图13 8HZ数据处理 (15)图14螺旋桨敞水性征曲线 (16)表目录表1 自航仪规格表 (2)0、前言螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。
它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法。
螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。
螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是：①进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。
现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。
②根据系列试验的结果，可以系统地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各种参数之用，并为改善螺旋桨性能指出方向。
③它是校核和验证理论方法必不可少的手段。
④为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验, 以分析推进效率成分,比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
有关螺旋桨敞水试验的详细理论请参考《船舶性能实验技术》（P60，第五章第六节），俞湘三等主编，上海交通大学出版,和《船舶原理（下册）》，盛振邦、刘应中主编，上海交通大学出版。
1、敞水箱安装敞水箱为流线型，螺旋桨的轴从敞水箱的前端伸出箱外，外伸长度必须使桨模位于箱前的距离大于螺旋桨直径的3倍，以避免箱体的影响。
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第四章螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。
它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。
螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。
螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是：①进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。
现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。
②根据系列试验的结果，可以系统地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各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向。
③校核和验证理论方法必不可少的手段。
④为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。
为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。
§4-1 敞水试验的相似条件从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。
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。
下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则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。
可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速VA、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g有关。
换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即T = f1(D，n，V A，ρ，ν，g)，为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作：T = k D a n b cAVρd νe g f(4-1)式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。
274275将(4-1)式中各变量均以基本量(即质量M 、长度L 、时间T )来表示，则得：2T ML ＝f2e2d3cba 1⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛T L T L L M T L T kL 比较上述等式两端的基本因次，可得未知指数之关系为：⎪⎭⎪⎬⎫----=-++-+== f e c b T f e d c a L d M 22:231:1: (4-2)由(4-2)式中解得：⎪⎭⎪⎬⎫---=---== f e c b f e c a d 22241 (4-3)将(4-3)式代入(4-1)式得：T = kD4-c-2e-f n2-c-e-2fc A V ρ1νe g f= k ρn 2D 4f22e2cA g ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛D n D nD νnD V 式中，cA ⎪⎭⎫ ⎝⎛nD V 、e2⎪⎭⎫ ⎝⎛nD ν、f22g ⎪⎭⎫⎝⎛D n D 均为无因次数。
从而可以推想到更普遍一些的写法是 T =)g ,,(222A 142DD n νnD nD V f D n ρ⋅ 或K T =)g ,,(222A 142DD n νnD nD V f D n ρT= (4-4) 式中，K T 为推力系数。
与上述推导相类似，我们可以求得螺旋桨的转矩系数K Q 及效率0η的表达式为：K Q =)g ,,(222A 252DD n νnD nD V f D n ρQ= (4-5) 0η =)g ,,(π2222A 3Q T DD n νnD nD V f J K K =⋅ (4-6) (4-4)、(4-5)及(4-6)式所表示的函数1f 、2f 及3f 视螺旋桨的形状而定。
根据相似理论，对于几何相似的螺旋桨及其模型说来，必然具有相同的函数1f 、2f 及3f ，若函数内各无因次数相同，则几何相似的螺旋桨成为动力相似，其推力系数K T 转矩系数K Q 及效率0η相等。
现分别讨论函数f 内各项的物理意义：① nD V A 为进速系数J ，两几何相似螺旋桨的nD V A 相同，即nDVπA 数相等，则螺旋桨及其模型在各对应点处流体质点的速度具有相同的方向，且其比值为一常数，亦即对应点处流体质点的行迹相似。
因此，这是运动相似的基本条件。
② νnD 2为雷诺数Re (螺旋桨的雷诺数可有多种表示方法，见本章§4-2)，模型和实桨粘性力相似必须满足雷诺数相同的条件，当螺旋桨及其模型之雷诺数相同时，两者之粘性力系276数相等，亦即由粘性而产生的力也与42D n ρ成比例。
③ D D n g 22相当于傅汝德数Fr=D nDg π (也可用DV g A 来表示)，表示模型和实物的重力相似条件，与螺旋桨运转时水面的兴波情况有关，也可以说与螺旋桨在水面下的沉没深度有关。
实践证明，当桨轴的沉没深度h s ＞0.625D (D 为螺旋桨直径)，兴波的影响可以忽略不计。
故在水面下足够深度处进行模型试验时，傅汝德数可不予考虑。
综上所述，当螺旋桨在敞水中运转时，如桨轴沉没较深，则其水动力性能只与进速系数J 和雷诺数Re 有关，亦即K T =),(1Re J f (4-7) K Q =),(2Re J f (4-8)0η=),(3Re J f (4-9)现在进一步讨论满足相似定理的两几何相似螺旋桨(简称桨模和实桨)转速和进速之间的关系。
令V As 、n s 、D s 、s ν及V Am 、n m 、D m 、m ν分别表示实桨及桨模的进速、转速、直径和水的运动粘性系数，λ为实桨与桨模的尺度比数，即λ=m s D D由进速系数相等的条件可得：m m AmD n V =ss As D n V 或λn n V V 1s m As Am ⋅= (4-10) 由雷诺数相等的条件可得：m 2mm νD n =s2s s νD n 因s ν与m ν相差很小，设s ν=m ν，则满足雷诺数相等的条件为：2m m D n =2s s D n 或 s m n n =2m2s D D =2 λ (4-11)由此可见，要保持桨模和实桨的进速系数和雷诺数同时相等，则必须满足：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=== 1.s m AsAm 2s mλλn n V V λn n (4-12)此时，桨模发出的推力T m 将等于实桨发出的推力T s ，因为：T m =K T 4m2m D n ρ= K T 44s 42s λD λn ρ= T s 显然，在模型试验时如要求满足进速系数和雷诺数同时相等的条件，则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。
因此，在进行螺旋桨模型的敞水试验时，通常只满足进速系数相等，对于雷诺数则仅要求超过临界数值(以c Re 表示)，即当Re ＞c Re 的277条件下，⎭⎬⎫== J f K J f K )()(2Q 1T (4-13)至于桨模和实桨因Re 不同而引起两者水动力性能之差异称为尺度作用(或尺度效应)。
§ 4-2 临界雷诺数和尺度效应一、临界雷诺数前已述及，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——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，界层中的流动才能达到紊流状态，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。
雷诺数是以特征速度×特征尺度/ν来表示的一个无因次数。
对螺旋桨的雷诺数过去曾用过许多不同的表示方法(如νnD2、νD V A 等等)。
为统一起见，1978ITTC (国际船模试验池会议的简称，全文为“International Towing Tank Conference ”)规定，螺旋桨的雷诺数以0.75R 处叶切面的弦长及其合速来表示，即Re=νnD V b 22A R 75.0)π75.0(+ (4-14)式中，V A 为进速，n 为转速，D 为螺旋桨的直径，b 0.75R 为0.75R 处叶切面的弦长，ν为水的运动粘性系数。
实桨的Re 数在710上下，处于紊流状态工作，为了使模型试验数据稳定可靠，并能用于实桨，就有必要正确地确定临界雷诺数的数值。
肯夫在汉堡试验池中曾对五个大小不同(直径分别为0.10、0.15、0.20、0.406及0.6m )的νnD0.20.10R e =5×1051.00.90.80.70.60.50.40.3ηJ ,15×1010×10255278几何相似模型进行了试验，图4-1为J =0.85时，K T 、K Q 和η0随雷诺数(肯夫用νnD 2来表示)而变化的情况，图中还绘制了K T ＝0时的J 及K Q 曲线。
由图中可见，当Re (=νnD 2)＞4~5×105时，各曲线几乎与横坐标相平行，意即此时螺旋桨的性能几乎与雷诺数无关。
因此这个数值即为临界雷诺数。
六十年代初日本三菱水池谷口中对三个直径不同的几何相似螺旋桨(直径分别为130.14、216.90和309.86mm )进行了试验，图4-2为J ＝0.4、0.5和0.6时K T 、K Q 和η0随雷诺数(谷0.6η0.40.50.0200.0100.0150.7K Q100.0250.0300.100.050.250.200.15K T3245R e ×10-5279口中用0.7R 处叶切面的弦长及合速来表示)而变化的情况。
由图可见，当Re ＞4.0510⨯时K T 值近似为常数，K Q 值随雷诺数Re 的增加而略有减小。
近年来，我国上海交通大学船舶流体力学研究室为研究尺度作用的需要，对五个几何相似的桨模(直径分别为214.6、169.1、139.5、118.7和103.3mm )进行了敞水试验，试验中，以0.75R 处叶切面弦长计算的雷诺数变化范围为：Re=νnD V b 22A R 75.0)π75.0(+＝(1.17～8.09)×510图4-3为K T 、K Q 随雷诺数而变化的情况。
图4-4为敞水效率η0随雷诺数的变化情况。
从图中可见，螺旋桨的临界雷诺数可取为3.0×510。
1978年ITTC 性能委员会报告中原先提出此数值为 2.0×510，经上海交通大学船舶流体力学研究室提出意见后同意改为3.0×510。
R e ×10（b ）（a ）R e ×1010K QK T-5-5PM 24-54, D = 103.3mm PM 24-47, D = 118.7mm PM 24-33, D = 169.1mm PM 24-40, D = 139.5mm D = 214.6mm280二、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。