第三章 螺旋桨基础理论及水动力特性
螺旋桨的水动力性能-PPT课件
nP1 nP2
dL
LT dD dDT
螺旋桨不遭受旋转阻力时 dL旋A 转一周所前进的距离称为
无转矩进程或无转距螺距， 并以P2表示。
对于一定ωr的螺旋桨而言，显 然dDAP2＞P1＞P。
(b)
dDT
dDA dD
dLT dL
ωr
(c)
船舶在航行时，螺旋桨必须产生向前的推力以克服船之阻力， 才能使船以一定的速度前进，故螺旋桨在实际操作时，其每转一 周前进的距离hp小于实效螺距P1。
α′K θ
2πr
滑 脱
P hp
2、滑脱：螺距P和进程hp之差(P-hp)称为滑脱。 3、滑脱比S：滑脱(P-hP)与螺距P的比值。
s P hP 1 hP 1 VA
P
P Pn
α′K θ
2πr
滑 脱
P hp
4、进速系数J：进程hP与螺旋桨直径D的比值。
J hP VA P (1 s) D nD D
但在这种情况下，叶元体仍遭受旋转阻力（所讨论的叶元体 应该是表征螺旋桨性能的叶元体，因为在各不同半径处叶元体的 来流攻角是不一样的）。
nP1
螺旋桨在不发生推 dL
力时旋转一周所前进的 距离称为无推力进程或 实效dD螺距，并ω以r P1来表 示。
(a)
dL
dLA
dLT
dD dDT
ωr dDA
(b)
4、若VA(也即J值)再增至某一数值时，螺旋桨不遭受旋转阻 力，其实质乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反， 故旋转阻力等于零。但在此种情况下螺旋桨产生负推力。
在螺距P一定的情况下，
若不考虑诱导速度，则滑脱
比S的大小即标志着攻角αK的
滑 脱
螺旋桨基础理论ppt课件
2 - 16
病 原 体 侵 入 机体， 消弱机 体防御 机能， 破坏机 体内环 境的相 对稳定 性，且 在一定 部位生 长繁殖 ，引起 不同程 度的病 理生理 过程
螺旋桨水动力性能
由式(3-36)及式(3-37)，可得进速系数J与滑脱比s之间的 关系为
作用在桨叶上的力及力矩
式中：rh为桨毅半径． R 为螺旋桨半径。
式（3 一34 ）把螺旋桨的推力、转矩与流场及螺旋桨的 几何特征联系起来。因而比动量理论的结果要精密完整得 多。 当螺旋桨以进速vA和转速n 进行工作时，必须吸收主机所 供给的转矩Q 才能发出推力T ，其所作的有用功率为TVA ，而吸收的功率为2ПnQ ，故螺旋桨的效率为
2 -9
病 原 体 侵 入 机体， 消弱机 体防御 机能， 破坏机 体内环 境的相 对稳定 性，且 在一定 部位生 长繁殖 ，引起 不同程 度的病 理生理 过程
作用在桨叶上的力及力矩
根据茹柯夫斯基升力公式，升元体上dr 段产生的升力 将式（3-28）代入式（3-27），并考虑到dD=єdL （є为
此种情况下螺旋桨产生负推力。螺旋桨不遭受旋转阻力时
旋转一周所前进的距离称为无转矩进程或无转矩螺距，并
以P2表示， 对于一定的螺旋桨而言，显然P2> P1> P ，船舶在航行时 ，螺旋桨必须产生向前的推力以克服船之阻力，才能使船
以一定的速度前进，故螺旋桨在实际操作时，其每转一周
前进的距离hp小于实效螺距P1 。实效螺距P1与进程hp之 差（P1-hp）称为实效滑脱，其与实效螺距P1的比值称为 实效2滑- 2脱0 比，以s1来表示，即
叶元体的阻升比），叶元体转矩dQ=rdF , 可得
关于螺旋桨的一些知识
关于螺旋桨的一些知识螺旋桨是船舶和飞机等交通工具的重要部件，具有推动物体前进的功能。
在本文中，我们将介绍螺旋桨的工作原理、结构构造、选材等相关知识。
一、螺旋桨的工作原理螺旋桨依靠空气或水流动的原理产生推力，从而推动船舶或飞机前进。
其工作原理可简单归纳为以下几个方面：1. 流体动力学理论：根据流体动力学理论，螺旋桨叶片受到流体的作用会形成载荷，通过迎角改变和旋转速度调节，将动力转化为推进力。
2. 套氏定理：套氏定理指出，在涉及固定的螺旋桨时，液体或气体在进入螺旋桨以前，质量流率保持不变，但速度和压力会发生变化。
这种速度和压力的变化使得螺旋桨产生了推力。
二、螺旋桨的结构构造螺旋桨的结构构造通常由叶片、轴、轴套等组成。
1. 叶片：螺旋桨叶片是螺旋桨的最重要部分，其形状和数量会直接影响推力的大小和效率的高低。
通常，螺旋桨叶片会根据具体设计要求进行定制，以达到最佳的推进效果。
2. 轴和轴套：螺旋桨的轴起到支撑和固定作用，通常由高强度合金钢或碳纤维材料制成，以确保其在高速旋转时的安全可靠性。
轴套则用于固定轴与螺旋桨叶片的连接。
三、螺旋桨的选材螺旋桨的选材对于其使用寿命和推进效果有着重要影响。
常见的螺旋桨选材有以下几种：1. 铝合金：铝合金螺旋桨具有重量轻、制造成本低的优点，适用于速度较低的船舶和小型飞机。
2. 不锈钢：不锈钢螺旋桨在耐蚀性、强度和硬度方面表现出众，适用于海洋环境和高速航行的船舶和飞机。
3. 青铜：青铜螺旋桨具有较好的耐腐蚀性和抗磨损性能，适用于大型船舶和高负荷工况下的飞机。
四、螺旋桨的维护保养为了确保螺旋桨的正常运行和延长其使用寿命，维护保养工作至关重要。
以下是一些建议：1. 定期清洗：螺旋桨表面容易附着赘物，定期清洗可以减少其阻力，提高推进效率。
2. 检查叶片状态：定期检查螺旋桨叶片的变形、裂纹和磨损情况，及时修复或更换叶片，以确保其正常工作。
3. 螺母紧固：定期检查螺旋桨的连接螺母是否紧固，防止因螺母松动而导致螺旋桨脱落或异常运转。
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计螺旋桨是水上船只中最重要的推进装置，其性能直接关系到船舶的推进效率和航行速度。
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计是船舶研究领域中的重要分支，对于减少能源消耗、提高运输效率、降低污染排放具有重要作用。
一、螺旋桨水动力学性能分析的基础理论1.1 计算流体力学计算流体力学（CFD）是一种通过数字计算方法来解决流体力学问题的数学模型。
在螺旋桨被设计和研究时，CFD成为了一种重要的工具。
其模型基于Navier-Stokes方程和欧拉方程，模拟了流场和流动的变化，从而分析了流体运动的影响和经济性能的评估。
1.2 螺旋桨理论螺旋桨的理论基础是流体力学中的速度势流和双曲型等势流。
速度势流指的是在流体中的一个点上速度向量可以分解为势函数的梯度，而双曲型等势流涉及到一个坐标系中，速度的散度和旋度是相等的。
1.3 失速失速指的是在较小的流速下，螺旋桨进入了抵抗气蚀和附面效应的状态。
能够有效地分析并求出失速将对设计螺旋桨的截面和轴设置具有重要意义。
二、螺旋桨水动力学性能分析的关键参数2.1 推力和速度推力和速度是螺旋桨水动力学性能分析中的两个关键参数。
推力是螺旋桨提供给船体的推进力，影响到船舶的加速度和航行速度。
速度可以用来计算泥和水的扰动实体质量。
2.2 轮廓设计螺旋桨轮廓设计对其性能影响非常大，包括叶片的数量、截面形状和翼型等。
良好的轮廓设计能够提高螺旋桨的效率，减小水动力噪音，提高抵抗力和附面效应。
2.3 旋转速度旋转速度是螺旋桨的打动驱动力，影响了传动效率和螺旋桨效率。
高速旋转通常会导致较大的失速和流量噪音，而低速旋转也可能会导致螺旋桨产生过多垂直力。
2.4 推力系数推力系数是推力与密度、直径、旋转速度和旋转等效面积的关系。
推力系数是成尺寸和旋转速度的一种无因次数，用于描述螺旋桨的推进效率。
三、螺旋桨水动力学性能优化的方法3.1 优化设计算法优化设计算法是一种通过数学模型和计算机程序来找到最优解的方法。
船舶驱动系统螺旋桨水动力学和推进效率
船舶驱动系统螺旋桨水动力学和推进效率船舶驱动系统中的螺旋桨是推动船舶前进的关键部件，其水动力学和推进效率直接影响到船舶的性能和能源消耗。
本文将从螺旋桨的水动力学原理、螺旋桨的设计与优化以及推进效率的提高等方面进行论述。
一、螺旋桨的水动力学原理螺旋桨是通过利用船舶上的动力来产生推力，进而推动船舶前进。
其工作原理是基于流体力学的一系列原理与方程。
螺旋桨在水中旋转时，会对周围的水流产生扰动，扰动会引起水流的变化，从而产生推力。
螺旋桨的推力主要通过两部分来实现：一是反作用力，即推进物体（船舶）时的力的反作用；二是动压力，即螺旋桨叶片的旋转将周围的水流加速带动起来，形成一个水流的后向压强。
螺旋桨的推力大小与旋转速度、叶片数目、叶片形状、叶片的攻角、桨距等因素有关。
合理地设计这些参数可以提高螺旋桨的推进效率。
二、螺旋桨的设计与优化螺旋桨的设计与优化是提高推进效率的关键。
通过科学合理地设计螺旋桨的叶片形状、旋转速度、攻角等参数，可以使螺旋桨尽可能地利用动力将水流转化为推力，并降低能量损失。
在螺旋桨的设计过程中，需要考虑以下几个因素：1. 叶片形状：螺旋桨的叶片形状对推力的产生和水动力性能有着重要影响。
通常采用的叶片形状有固定式、可调式和可变式等，根据船舶的使用需求选择合适的叶片形状。
2. 叶片角度：叶片角度也称攻角，是指叶片相对于进流方向的偏角。
不同的叶片角度对螺旋桨的推力和效率有不同的影响。
合理选择叶片角度可以提高螺旋桨的推进效率。
3. 桨距：桨距是指螺旋桨上相邻两个叶片之间的距离。
合理选择桨距可以使螺旋桨在转动时形成合适的水流，提高推进效率。
4. 螺旋桨的旋转速度：螺旋桨的旋转速度对船舶的速度和推进效率有直接影响。
适当调整螺旋桨的旋转速度可以使船舶在不同工况下获得最佳的性能和经济效益。
三、推进效率的提高推进效率是指船舶单位动力产生的推进力与单位能源消耗之间的比值。
提高推进效率可以降低船舶的能源消耗，减少对环境的污染。
船舶推进习题
《船 舶 推 进》习 题第三章 螺旋桨基础理论及水动力特性1、 按不计诱导速度和计及诱导速度两种情况，绘出螺旋桨处于下列工况时叶元体的速度多角形与其所受到的作用力： （1）正车启动时；（2）正车前进航行时； （3）倒车前进航行时（即制动船舶时）；（4）倒车后退航行时。
2、 试证明理想推进器在系泊状态下（即进速V A =0）的推力T O 为： 3213242P A PA T O O ρ=ρ=其中：P 为消耗功率，A O 为盘面积，A 1为尾流面积，ρ为水密度。
3、 已知V A =15kn ，要求发出的推力T=8000公斤，按理想推进器理论计算下列条件的理想效率： （1）水中螺旋桨，直径D=2.5m ； （2）空气螺旋桨，直径D=4.0m ；4、 已知某内河船的螺旋桨直径D=2.54m ，螺距比P/D=0.90，进速V A =14.4kn ，该系列螺旋桨的敞水性征曲线为：K T =0.45P/D-0.40J-0.015， K Q =0.10P/D-0.05J-0.030 试求：（1）该桨的实效螺距比及零转矩螺距比；（2）当转速N=275rpm 时，该桨的进速系数及滑脱比；（3）该桨在N=275rpm 时，发出的推力与所需要的转矩及收到功率，此时该桨的效率为多少，与相应的理想推进器效率相差多少？第四章 螺旋桨模型的敞水试验1、 B 型螺旋桨，直径D=2.70m ，转速N=275rpm ，进速范围V A =0~15kn ，桨叶在0.7R 处的宽度B 0.75=0.77m ；若已知该桨作敞水试验时的桨模转N M =600rpm ，试问该桨应取多大缩尺比才能满足试验验要求？（水的运动粘性系数s m .261014131-⨯=ν）2、 已知进速V A =14.4kn ，转速N=275rpm ，收到功率P D =1770hp ，直径D=2.54m ，试按B4-55系列敞水性征曲线（见教材第284页）选择能充分吸收功率之螺旋桨的螺距比P/D ，并计算该桨的效率及发出的推力。
船舶推进螺旋桨基础理论
船舶推动第二章 螺旋桨几何特征
3、推动器消耗旳功率：
4、理想推动器旳效率：
船舶推动第二章 螺旋桨几何特征
5、理想推动器旳效率旳另一种体现式：
船舶推动第二章 螺旋桨几何特征
6、理想推动器旳效率曲线
载荷系数愈小效率愈高。增大直径D可减小载荷系数，从而提升效率。着一结论具有主要意义
3、当进速再增大到某一数值时，螺旋桨不遭受旋转阻力，其实质乃是升力dL及阻力dD在周向旳分力大小相等方向相反。但在此种情况下螺旋桨产生负推力。
螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所迈进旳距离称为无转矩进程或无转矩螺距 。
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
对于一定旳螺旋桨，有：
船舶在航行时，螺旋桨必须产生向前旳推力以克服船舶阻力，才干使船以一定旳速度迈进。所以螺旋桨在实际操作时，其每旋转一周迈进旳距离不大于实效螺距。
经过运动转换后来，叶元体即变为固定不动，而水流以轴向速度和周向速度流向桨叶切面。
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
结论：浆叶切面旳复杂运动最终可归结为水流以速度 、攻角 流向浆叶切面。
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
二、作用在机翼上旳升力和阻力
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
试验证明，在使用范围内，升力系数与几何攻角约成线性关系。
为几何攻角
为无升力角
为流体动力攻角或绝对攻角
当几何攻角等于零时，升力系数不等于零。这是因为机翼剖面不对称旳缘故。
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
自由涡：翼梢旳横向绕流与来流旳共同用，使机翼后缘形成旋涡层，这些旋涡称为自由涡。
船舶推动第三章 螺旋桨基础理论
因为自由涡旳存在，在空间产生一种诱导速度场。在机冀后缘处，诱导速度垂直于运动方向，故也称下洗速度。
第三章--螺旋桨基础理论及水动力特性
第三章--螺旋桨基础理论及⽔动⼒特性第三章螺旋桨基础理论及⽔动⼒特性关于使⽤螺旋桨作为船舶推进器的思想很早就已确⽴，各国发明家先后提出过很多螺旋推进器的设计。
在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善。
⾃⼗九世纪后期，各国科学家与⼯程师提出多种关于推进器的理论，早期的推进器理论⼤致可分为两派。
其中⼀派认为：螺旋桨之推⼒乃因其⼯作时使⽔产⽣动量变化所致，所以可通过⽔之动量变更率来计算推⼒，此类理论可称为动量理论。
另⼀派则注重螺旋桨每⼀叶元体所受之⼒，据以计算整个螺旋桨的推⼒和转矩，此类理论可称为叶元体理论。
它们彼此不相关联，⼜各能⾃圆其说，对于解释螺旋桨性能各有其便利处，然亦各有其缺点。
其后，流体⼒学中的机翼理论应⽤于螺旋桨，解释叶元体的受⼒与⽔之速度变更关系，将上述两派理论联系起来⽽发展成螺旋桨环流理论。
从环流理论模型的建⽴⾄今已有六⼗多年的历史，在不断发展的基础上已⽇趋完善。
尤其近⼆⼗年来，由于电⼦计算机的发展和应⽤，使繁复的理论计算得以实现，并促使其不断完善。
虽然动量理论中忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有⼀定距离，但这个理论能简略地说明推进器产⽣推⼒的原因，某些结论有⼀定的实际意义，故在本章中先对此种理论作必要介绍，再⽤螺旋桨环流理论的观点分析作⽤在桨叶上的⼒和⼒矩，并阐明螺旋桨⼯作的⽔动⼒特性。
⾄于对环流理论的进⼀步探讨，将在第⼗⼆章中再⾏介绍。
§3-1 理想推进器理论⼀、理想推进器的概念和⼒学模型推进器⼀般都是依靠拨⽔向后来产⽣推⼒的，⽽⽔流受到推进器的作⽤获得与推⼒⽅向相反的附加速度(通常称为诱导速度)。
显然推进器的作⽤⼒与其所形成的⽔流情况密切有关。
因⽽我们可以应⽤流体⼒学中的动量定理，研究推进器所形成的流动图案来求得它的⽔动⼒性能。
为了使问题简单起见，假定：（1）推进器为⼀轴向尺度趋于零，⽔可⾃由通过的盘，此盘可以拨⽔向后称为⿎动盘(具有吸收外来功率并推⽔向后的功能)。
船舶操纵第三章汇总
四、功率与船速
PD
PB
1、功率
1）主机功率PB: 指主机发出的最大功率。 2）受到功率PD: 指主机功率经过传递装置
传至螺旋桨处的功率。 3）推进功率PT: 指船后螺旋桨发出的功率。 4）有效功率PE: 指克服阻力所需要的功率。
16
第一节 螺旋桨及其效应
2、效率
1）传递效率ηS:指收到功率与主机功率的比值。
（xW 为水动力中心距船中的距离）
36
第二节 舵及其效应
四、 舵效及舵效指数
1、 舵效的概念 前进中的船舶操舵后在单位进距内航向角 变化量的大小；或前进中的船舶操舵后单 位航向角变化量时进距的大小。 航向角变化量大或进距小舵效好，反之则差 。
2、 舵效指数 舵效指P≈0.5K‘/T’ 对于一般船舶P>0.3； 对于大型油船P>0.2。
右旋定距桨 进车和倒车时，Yd指向左舷 左旋定距桨 进车和倒车时，Yd指向右舷
24
第一节 螺旋桨及其效应
3、伴流横向力
F
Q~P
X P
2nr
u
v p
2nr
v
p
A
X P
v p
A
u
(a)
F
Q~ P
(b)
25
螺旋桨伴流横向力小结
螺旋桨处伴流速度上大下小
桨叶所受旋转阻力上大下小
右旋定距桨
前进中进车，Yω指向左舷 前进中倒车，Yω指向右舷
第一节 螺旋桨及其效应
n2πr
2）螺旋桨进速
由于伴流的存在，则 螺旋桨的对水速度为：
VP
V
V
V 1 V V
VP V 1P
式中：
VP — 螺旋桨进速 V — 船速
基于势流理论和粘性流理论的螺旋桨水动力性能分析
基于势流理论和粘性流理论的螺旋桨水动力性能分析螺旋桨水动力性能预报经历了升力线、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法几个阶段。
升力线方法过于简化导致求解精度不够，升力面在升力线的基础上有所进步但由于其是建立在薄翼理论基础上的，不能精确地描述螺旋桨的几何外形以至于不能正确的预报桨叶压力分布和空泡性能，其计算精度也不能令人满意。
面元法能很好地处理桨毂、导边及桨叶上的空泡影响，更精确地描述复杂的螺旋桨几何外形，克服升力线和升力面的不足，对复杂的翼身结构作了更为精确的离散化处理，同时消除升力面理论中薄翼假设带来的导边奇性，更精确地预估导边附近和剖面较厚处的压力分布并能计及桨毂的存在及桨毂对螺旋桨性能和桨叶压力分布的影响。
升力面理论的应用日趋完善，面元法和N－S方程的方法已逐渐成为螺旋桨设计与水动力预报的主流，特别是能提供桨叶表面流动精细描述的CFD方法。
虽然升力面和面元法能成功的预报螺旋桨在稳定流和非稳定流中的水动力性能，但是这些理论方法都是建立在势流的基础上，计算过程中忽略了粘性影响，因此在工程应用中需要对设计和计算结果进行粘性修正。
由于势流理论忽略粘性力导致我们在研究尺度效应对实船的影响、空泡与黏性流的非线性相互作用、螺旋桨桨叶表面边界层和尾流涡的结构与力学机理等问题时都无法给出定量的计算结果，特别是势流计算方法无法捕捉桨叶附近的细节流动如桨叶随边涡的结构，严重影响了螺旋桨性能的预报精度。
基于RANS方程的计算流体力学方法为上述问题的解决提供了有效地解决方案。
求解RANS方程的商业软件相继出现并不断完善，很明显在螺旋桨水动力性能数值预报方面CFD方法已成为主流研究方向。
对湍流模式、网格生成、近壁面模型等CFD关键问题不断改进后，CFD代码分析复杂流动的能力大幅提高。
尽管如此，涉及物理模型的逼真度、数学理论以及如何选择基准检验试验验证方案等复杂问题时，CFD方法还存在一定的不确定性，成为CFD研究领域中极具挑战性的前沿课题。
推进第3章 螺旋桨基础理论
将（1）式代入（2）式得： 1 u t1 u t 即： 2
（ 3）
三． u a 和 u t 的关系
1． u a 和 u t 的关系： （1）半径 r 处 dr 段圆环吸收功率：
dQ dFi r dm ut r
（2）吸收功率消耗于下列三个方面： A．有效功率： dTi VA dm u a VA
将周围流场与桨叶作用力结合起来考虑。
1. 无限叶数涡旋理论： 1912年，儒可夫斯基发展的， Z＝∞ 2. 升力线理论：1952年Lerbs根据流体力学机翼升力线
理论引伸而来,它以许多能产生升力的涡线（升力线）
代替桨叶的作用，升力线产生的速度场与螺旋桨周围 的速度场等效。 3. 升力面理论：1944年Ludwig考虑宽叶螺旋桨的负荷弦 向分布而发展的。实用上：升力线理论+升力面修正。
由（6）式， u a1
iA
3．理想推进器的效率也总是小于 1 的一个值。
1 1 u 1 a 2V A
4．诱导速度越大则理想效率将下降。 由（7）式： ua ↗，iA ↙ 5．推进器的直径越大，效率将越高。
由（9）式，当Ti，VA 一定时，A0↗即D↗，则 iA ↗
6．载荷系数越大则理想效率将越低。 由（10）式， T ↙，则 iA ↗ 7．尾流截面面积越大，则理想效率将越高。 由（13）式，当Ti，VA 一定时，A1↗，则 iA ↗
3．运动模型
（1）首先假设同一半径处周向诱导速度为常数；
（2）分析各个断面处的周向诱导速度。
A．远前方及紧前方： 因为周向诱导速度是由于螺旋桨的旋转而产生的，故 在远前方及紧前方理想螺旋桨的周向诱导速度 ut 0 B．盘面处： 假设盘面处的周向诱导速度为 ut1 C．盘面紧后方至远后方：因为对于理想螺旋桨忽 略了离心力和尾流收缩的影响，理想螺旋桨的周向诱 导速度
螺旋桨基础理论分解课件
螺旋桨的相似参数包括桨叶角、螺距比、转速、雷诺数等，这些参 数在相似理论中起着重要作用。
相似定理
根据相似理论，可以通过改变螺旋桨的相似参数来研究其性能变化规 律，从而实现对实尺度螺旋桨性能的预测。
螺旋桨的尺度效应及其影响
定义及内涵
螺旋桨的尺度效应是指螺旋桨的性能随其尺寸变化而变化的现象。当螺旋桨的尺寸增大或 减小时，其周围的流场、湍流度、粘性等也会发生变化，从而影响螺旋桨的性能。
01
采用主动流动控制技术，如涡流 发生器、射流控制等，对螺旋桨 叶尖涡进行主动干预，提高螺旋 桨失速性能。
02
通过以上改进措施，可以有效提 高螺旋桨的空化和失速性能，保 证螺旋桨在各种工况下的稳定工作。
05
螺旋桨的相似理论与尺度效应
螺旋桨的相似理论
相似定 义
螺旋桨的相似理论基于流体力学的相似原理，即两个螺旋桨在几何 形状、运动状态、动力特性等方面完全相似，则它们的性能也将相 似。
• 试验设计与执行：在进行螺旋桨模型试验时，需要选择合适的模型尺寸、试验 设备等，并精确控制试验条件，以获得准确的试验数据。
• 数据处理与误差分析：对试验数据进行处理时，需要考虑各种误差来源，如测 量误差、环境干扰等，并采取合适的误差分析方法，以提高数据的可靠性。
• 换算方法与公式：为了实现螺旋桨模型试验数据与实尺度性能的换算，可以采 用相似的换算公式或方法。这些方法通常基于相似理论和尺度效应的研究成果， 通过调整相关参数来实现换算。换算过程中需要注意单位统一和适用范围。
形状优化
通过参数化建模和CFD评 估，可以对螺旋桨的叶型、 弦长、扭角等参数进行优 化，以寻求最佳性能。
控制策略优化
考虑螺旋桨与飞行器的相 互作用，CFD可用于优化 控制策略，如变速、变距等。
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第三章螺旋桨基础理论及水动力特性关于使用螺旋桨作为船舶推进器的思想很早就已确立，各国发明家先后提出过很多螺旋推进器的设计。
在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善。
自十九世纪后期，各国科学家与工程师提出多种关于推进器的理论，早期的推进器理论大致可分为两派。
其中一派认为：螺旋桨之推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所以可通过水之动量变更率来计算推力，此类理论可称为动量理论。
另一派则注重螺旋桨每一叶元体所受之力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩，此类理论可称为叶元体理论。
它们彼此不相关联，又各能自圆其说，对于解释螺旋桨性能各有其便利处，然亦各有其缺点。
其后，流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，解释叶元体的受力与水之速度变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。
从环流理论模型的建立至今已有六十多年的历史，在不断发展的基础上已日趋完善。
尤其近二十年来，由于电子计算机的发展和应用，使繁复的理论计算得以实现，并促使其不断完善。
虽然动量理论中忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定距离，但这个理论能简略地说明推进器产生推力的原因，某些结论有一定的实际意义，故在本章中先对此种理论作必要介绍，再用螺旋桨环流理论的观点分析作用在桨叶上的力和力矩，并阐明螺旋桨工作的水动力特性。
至于对环流理论的进一步探讨，将在第十二章中再行介绍。
§3-1 理想推进器理论一、理想推进器的概念和力学模型推进器一般都是依靠拨水向后来产生推力的，而水流受到推进器的作用获得与推力方向相反的附加速度(通常称为诱导速度)。
显然推进器的作用力与其所形成的水流情况密切有关。
因而我们可以应用流体力学中的动量定理，研究推进器所形成的流动图案来求得它的水动力性能。
为了使问题简单起见，假定：（1）推进器为一轴向尺度趋于零，水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后称为鼓动盘(具有吸收外来功率并推水向后的功能)。
（2）水流速度和压力在盘面上均匀分布。
（3）水为不可压缩的理想流体。
根据这些假定而得到的推进器理论，称为理想推进器理论。
它可用于螺旋桨、明轮、喷水推进器等，差别仅在于推进器区域内的水流断面的取法不同。
例如，对于螺旋桨而言，其水流断面为盘面，对于明轮而言，其水流断面为桨板的浸水板面。
设推进器在无限的静止流体中以速度VA前进，为了获得稳定的流动图案，我们应用运动转换原理，即认为推进器是固定的，而水流自无穷远前方以速度V(鼓动盘)。
图A流向推进器2602613-1(a )表示包围着推进器的流管。
由于推进器的作用，在流管中水质点的速度与流管外不同，在流管以外的水流速度和压力处处相等，均为V A 和p 0，故流管的边界ABC 和A 1B l C 1是分界面。
现在讨论流管内水流轴向速度和压力的分布情况。
参阅图3-1(a )，在推进器的远前方(AA 1剖面)压力为p 0、流速为V A 。
离盘面愈近，由于推进器的抽吸作用，水流的速度愈大而压力下降，到盘面(BB 1剖面)的紧前方时，水流的速度为V A +u a1而压力降为p 1。
当水流经过盘面时，压力突增为1p (这一压力突变是由于推进器的作用而产生)，而水流速度仍保持连续变化。
水流离开盘面以后，速度将继续增大而压力下降。
到推进器的远后方(CC 1剖面)处，速度将达到最大值V A +u a ，而压力回复至p 0，图3-1(b )和3-1(c )分别表示流管中水流速度和压力的分布情况。
流管内水流轴向速度的增加使流管截面形成收缩，而流管内外的压力差由其边界面的曲度来支持。
由于假定推进器在无限深广的流体中运动，故流管以外两端无限远处的压力和水流速度可视为不变。
二、理想推进器的推力和诱导速度根据以上的分析，便可以进一步决定推进器所产生的推力和水流速度之间的关系。
应用动量定理可以求出推进器的推力。
单位时间内流过推进器盘面(面积为A 0)的流体质量为m =ρA 0(V A +u a1)，自流管远前方AA 1断面流入的动量为ρA 0(V A +u a1)V A ，而在远后方CC 1断面处流出的动量为ρA 0(V A +u a1)(V A +u a )，故在单位时间内水流获得的动量增值为：ρA 0(V A +u a1)(V A +u a )－ρA 0(V A +u a1)V A = ρA 0(V A +u a1)u a根据动量定理，作用在流体上的力等于单位时间内流体动量的增量。
而流体的反作用力即为推力，故推进器所产生的推力T i 为：T i = m u a = ρ A 0(V A +u a1)u a (3-1)以上各式中，ρ为流体的密度。
为了寻求盘面处速度增量u a1与无限远后方速度增量u a 的关系，在推进器盘面前和盘面后分别应用伯努利方程。
在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式，即p 0 +21ρV 2A = p 1+21ρ(V A +u a1)2故A a(a )VAV A(c )+ u a(b )图3-1262 p 1 = p 0 +21ρV 2A －21ρ(V A +u a1)2(3-2) 而在盘面远后方和紧靠盘面处有：p 0 +21ρ(V A +u a )2 =1p '+21ρ(V A +u a1)2故 1p '= p 0 +21ρ(V A +u a )2 -21ρ(V A + u a1)2(3-3)盘面前后的压力差1p '－p 1就形成了推进器的推力，由(3-2)及(3-3)式可得： 1p '－p 1 = ρ(V A +21u a )u a (3-4) 因推进器的盘面积为A 0，故推进器所产生的推力T i 的另一种表达形式为：T i = (1p '－p 1)A 0 = ρ A 0(V A +21u a )u a (3-5) 比较(3-1)及(3-5)两式可得：u a1=21u a (3-6) 由上式可知，在理想推进器盘面处的速度增量为全部增量的一半。
水流速度的增量u a1及u a 称为轴向诱导速度。
由(3-1)式或(3-5)式可见，轴向诱导速度愈大，推进器产生的推力也愈大。
三、理想推进器的效率推进器的效率等于有效功率和消耗功率的比值。
现以绝对运动观点来讨论理想推进器的效率。
推进器在静水中以速度V A 前进耐产生推力T i ，则其有效功率为T i V A ，但推进器在工作时，每单位时间内有ρ A 0(V A +21u a )质量的水通过盘面得到加速而进入尾流，尾流中的能量随水消逝乃属损失，故单位时间内损失的能量(即单位时间内尾流所取得的能量)为：21ρA 0(V A +21u a1)u 2a = 21T i u a 从而推进器消耗的功率为：T i V A +21T i u a = T i (V A +21u a ) 因此，理想推进器的效率ηiA 为：ηiA =)21(A i A i a u V T V T + =a u V V 21A A+ (3-7)由(3-5)式可见，推进器必需给水流以向后的诱导速度才能获得推力，故从(3-7)式可知，理想推进器的效率总是小于1。
理想推进器的效率还可用另外的形式来表达，根据(3-5)式解u a 的二次方程可得：263u a =－V A +0i2A 2ρA T V +(3-8) 或写作：A V u a =2A 0i211V ρA T +－1=T 1σ+－1 (3-9)式中，T σ=2A 0i 21V ρA T 称为推进器的负荷系数。
将(3-9)式代入(3-7)可得效率的表达式为：ηiA =T112σ++ (3-10)由(3-9)及(3-10)式可见，若已知推进器的载荷系数T σ，便可以确定诱导速度u a (或u a1)及效率ηiA 。
图3-2表示ηiA ，Aa V u 21与载荷系数T σ之间的关系曲线。
T σ愈小则效率愈高。
在推 力T i 和速度V A 一定的条件下，要取得小的载荷系数必须增大盘面积A 0，对螺旋桨来说需增大直径D ，从而提高效率。
这一结论具有重要的现实意义。
§ 3-2 理想螺旋桨理论(尾流旋转的影响)在理想推进器理论中，规定推进器具有吸收外来功率并产生轴向诱导速度的功能。
然而，对于推进器是怎样吸收外来功率，又如何实现推水向后等问题，却未予说明。
对于螺旋桨来说，它是利用旋转运动来吸收主机功率的。
因而，实际螺旋桨在工作时，除产生轴向诱导速度外还产生周向诱导速度，其方向与螺旋桨旋转方向相同，两者合成作用表现为水流经过螺旋桨盘面后有扭转现象，如图3-3所示。
σTηi A ,ηV Aua1.00.5 0.10.20.30.40.50.612图3-2264 为了便于简要地分析周向诱导速度的存在对螺旋桨性能的影响，兹讨论具有无限多桨叶的螺旋桨在理想流体中的运动情况，即同一半径处周向诱导速度为常量。
按动量矩定理，必需有对轴线之外力矩才能变更流体对此轴的动量矩，因为我们假定水是理想流体，故在流体中任何面上仅有垂直的力。
在桨盘以前，水柱之任何两切面间所受的压力或通过轴线、或平行于轴线，对轴线皆无力矩，故动量矩保持不变，因而水质点不能产生周向的附加速度，亦即在盘面以前水流的周向诱导速度总是等于零。
水流经过盘面时，因螺旋桨的转动作用使水流获得周向诱导速度。
水流过螺旋桨后直到远后方，作用在流体上的外力矩又等于零，所以流体的动量矩不变。
若桨盘后尾流的收缩很小，则可近似认为从螺旋桨紧后方和远后方的周向诱导速度为一常数。
一、旋转力与周向诱导速度的关系设螺旋桨在无限、静止流场中以速度V A 前进，以角速度ω = 2π n 旋转。
为了便于讨论，假定螺旋桨仍以ω旋转但不前进，而水流在远前方以轴向速度V A 流向推进器。
现分别以u tl 和u t 表示桨盘处和远后方的周向诱导速度(其方向与螺旋桨旋转方向相同)，并对盘面上半径r 处d r 段圆环中所流过的水流应用动量矩定理。
参阅图3-4，设d m 为单位时间内流过此圆环的流体质量，其值为：d m = ρd A 0(V A +21u a ) 式中，d A 0为桨盘上半径r 至(r+d r )段的环形面积。
若L' 和L"分别表示质量为d m 的流体在桨盘紧前方和紧后方的动量矩，则：L' = 0L" = d mr tu ' 式中，tu '为螺旋桨紧后方的周向诱导速度。
在单位时间内动量矩的增量为： L"－L' = d m r tu ' (3-11) 根据动量矩定理：流体在单位时间内流经流管两截面的动量矩增量等于作用在流管上的图3-3u aA A A图 3-4265力矩。
在我们所讨论的情形下，是指对螺旋桨轴线所取的力矩。
即L"－L' = d Q (3-12) 设螺旋桨在旋转时d r 圆环范围内作用于流体的旋转力为d F i ，则其旋转力矩为r d F i ，故作用在流体上的力矩应为：d Q = r d F i (3-13)由(3-11)及(3-13)两式可得：d F i = d m tu ' (3-14) 质量为d m 的流体经过桨盘之后，不再遭受外力矩的作用，故其动量矩保持不变。