船舶快速性 4螺旋桨模型的敞水试验

▪ 1978年的ITTC（国际船模试验池会议）
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：
2
Rn b0.75R
VA2 (0.75nD)
实桨的雷诺数在 107 上下，处于紊流状态工作
▪ 肯夫在汉堡试验池中的试验 （J =0.85）
J(当KT=0)
η0(当J=0.85)
10KQ(当J=0.85) KT(当J=0.85) 10KQ(当KT=0)
nm Ds2 2
ns Dm2
▪ 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：
nm λ2 ns
VAm VAs
nm ns
.1 λ
λ
结果：桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！
Tm
KT nm2 Dm4
KT ns24
Ds4
4
Ts
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！
kn2D4 ( VA )c ( )e ( gD ) f
nD nD2 n2D2
T
kn 2 D 4
f1
(
VA nD
,
nD2
,
n2D2 gD
)
KT
T
n 2 D 4
f1
(
VA nD
,
nD
2
n2D2 ,)
gD
▪ 同理
KQ
Q
n 2 D 5
f
2
(
VA nD
,
nD
2
n2D2 ,)
gD
0
KT KQ
J
2
f3
(
VA nD
5×10 10×10 15×10
当Rn> 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。
J，η0
六十年代初日本三菱
水池谷口中
（用0.7R处叶切面的弦
5
.6
长及合速来表示）
KQ η0
5
.6
.6
5
KT
0
216.00
0
309.26
PM24-33,D=169.1mm
PM24-26 PM24-26B D=214.6mm
3
.5
5
7
7
Rn×10
（a）
Rn×10
（b）
η
0
3 5 7
Rn×10
Rn =3×105
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
本章主要内容
§ 4-1 敞水试验的相似条件 § 4-2 临界雷诺数和尺度效应 § 4-3 敞水试验方法及测量数据的表达 § 4-4 螺旋桨模型系列试验及性征曲线组
敞水试验
▪ 概念: 螺旋桨模型单独地在均匀水流
中的试验。
▪ 设备: 在船模试验池、循环水槽或空
泡水筒中进行 。
▪ 动能: 检定和分析螺旋桨性能。
螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用
▪ ① 将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设
计使用。
▪ ② 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。
▪ ③ 校核和验证理论方法。
▪ ④ 配合自航试验，以分析推进效率成分，各种设
计方案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。
“首先需要解决的2个问题”
0 f3 ( J , Rn )
两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系
Ds
Dm
实桨与桨模的尺度比。
由进速系数相 等的条件可得：
VAm VAs nm Dm ns Ds
VAm nm Dm nm 1
VAs ns Ds ns
由雷诺数相等 的条件可得：
nmDm2 ns Ds2
m
s
m s
nm Dm2 ns Ds2
§ 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
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 表示的
一个无因次数。
▪ 表示方法如:
nD2
VAD
▪ 桨模的试验条件？ ▪ 桨模的数据如何换算到实桨？
§ 4-1 敞水试验的相似条件
▪ 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。
▪ ▪ 方法：量纲分析法（因次分析法）
T f1(D, n,VA, , , g)
质量M 长度L 时间T
T kDanbVAc d e g f
n2D2 gD
nD
gD
Fn (也可表示为
VA ) gD
为傅汝德数 。表示模型和实桨的重力相似条件。 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 hs>0.625D (D为螺旋桨 直径)，兴波的影响可以忽略不计。
螺旋桨足够沉深时：
KT f1 ( J , Rn ) KQ f2 ( J , Rn )
Rn×10
图 4-2
当Rn >4.0 105 时KT值近似为常数，KQ值随雷诺数 Rn的增加而略有减5 小。
.6
KQ
2
上海交通大学 Rn b0.75R
VA2 (0.75nD)
1.17 ~ 8.09105
PM24-54,D=103.3mm PM24-47,D=118.7mm PM24-40,D=139.5mm
螺旋桨敞水试验条件
▪ 几何相似:
源自文库s
Dm
▪ 进速系数相等:
Jm
Js
VAm nm Dm
VAs ns Ds
▪ 雷诺数大于临界数值: Rn Rnc
KT f1(J ) KQ f2(J) 0 f3(J)
▪ 桨轴的足够沉深: 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)。
ML kLa ( 1 )b ( L )c ( M )d ( L2 )e ( L ) f
T2
T T L3 T T 2
M : 1d
L : 1 a c 3d 2e f T : 2 b c e 2 f
d 1 a 4 c 2e f
b 2ce2f
T kD4c2e f n2ce2 f VAc 1 e g f
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CDs<CDm。两者之
差∆CD=CDm－CDs即为实物及模型之间的尺度作用。
,
nD2
, n2D2 ) gD
函数内各项的物理意义
VA J nD
▪ 进速系数
VA
nD
说明螺旋桨及其模型各对应点处流体 质点的速度具有相同的方向，且比值为一 常数，即对应点处流体质点的的行迹相似。 是运动相似的基本条件。
nD2
Rn
▪ 为雷诺数。模型和实桨粘
性力相似必须满足雷诺数 相同的条件。