第4章 敞水试验

16
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。
0
六十年代初日本三菱 水池谷口中 （用0.7R处叶切面的弦
长及合速来表示）
5
KQ
.6
5
.6
.6
KT
5
0 0
216.00 309.26
Rn×10
η
0
图
4-2
当Rn >4.0 105 时KT值近似为常数，KQ值随雷诺数 Rn的增加而略有减小。
5
KQ
.6
上海交通大学
Rn
b0.75 R V (0.75nD )
2 A
2

1.17 ~ 8.09 10 5
PM24-54,D=103.3mm PM24-47,D=118.7mm PM24-40,D=139.5mm PM24-33,D=169.1mm PM24-26 PM24-26B D=214.6mm
3 .5 7 5 7
Rn×10
（a）
Rn×10
（b）
3
2 A 2

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)
η 0(当J=0.85)
J ，η
10KQ(当J=0.85) KT(当J=0.85)
10KQ(当KT=0)
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。
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。
nD
2

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。
n D gD
2
2
nD
VA Fn (也可表示为 ) gD gD
η
K T ,10K Q,
10KQ
KT
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
§ 4-4 螺旋桨模型系列试验及性征曲线组

敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型的 系列试验，并将其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。 所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一定 的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。 在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比 不同的五或六个桨模称为一组。
T VA nD2 n 2 D 2 KT 2 4 f1 ( , , ) n D nD gD
同理
Q VA nD2 n 2 D 2 KQ 2 5 f 2 ( , , ) n D nD gD
KT J VA nD2 n 2 D 2 0 f3 ( , , ) KQ 2 nD gD
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
VA D


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：
Rn b0.75 R V (0.75nD )
以不同的进速进行试验。拖曳水池中常 采用这种方法。
第二种方法：保持模型的进速不变，而
以不同的转速进行试验。空泡水筒中常 采用这种方法。（无“系柱”，即 J=0 时的情况）
J04螺旋桨动力仪的简图
0 2 21 15 14
22
20 12 3 17 7 8 5 4 6 27 26 10 11 9 25
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”
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：
K T f1 ( J , Rn ) K Q f 2 ( J , Rn )
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
T kD n V g
0 f 3 ( J , Rn )
两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系
Ds Dm
由进速系数相 等的条件可得： 由雷诺数相等 的条件可得：
实桨与桨模的尺度比。
VAm VAs nm Dm ns Ds
nm D
2 m
VAm nm Dm nm 1 VAs ns Ds ns
m
K Qm K Qs
Q
② 只修正K
Rnm Rn s
2.58
③ 1978年ITTC推荐的修正方法。
KTS KTm KT K QS K Qm K Q
§ 4-3
敞水试验方法及测量数据的表达
螺旋桨模型在足够 沉没深度和超临界 雷诺数情况下进行 试验所得的结果可 用之于实桨。

0.9
0.8
P/
敞 水 性 征 曲 线 组
0.7
AU5-50 K T =T / n2D4 K Q=Q/ n2D 5 0=K T J /2π K Q J =V A/nD
0.6
KQ
K T ,10K Q
0.5
KT
P/
D=
1.
2
1.0 1.2
0.4
0.8
0.8 0.7
P/D
0.3
0.6
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

ns D
s
2 s
m s
nm D ns D
2 m
2 s
nm Ds2 2 2 ns Dm

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：
VAm nm 1 . λ VAs ns λ nm λ2 ns
结果：桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！
Tm KT n D KT n
2 m 4 m 2 s 4
D

4 s 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！
螺旋桨敞水试验条件
几何相似: 进速系数相等:
Ds Dm
Jm Js
VAm V As nm Dm ns Ds
KT f1 ( J ) KQ f 2 ( J )
a b c A d e
f
时间T
2 ML 1 L M L a b c d e L f kL ( ) ( ) ( 3 ) ( ) ( 2 ) 2 T T T L T T
M : 1 d L : 1 a c 3d 2e f T : 2 b c e 2 f

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。
Ds Dm D Dm Ds
α uα
K
2лrn
Hale Waihona Puke 螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小， 对扭矩的影响较大。 实桨和桨模在同一 J 值时： KTm< KTs， KQm> KQs， η0m＜η0
尺度修正办法
① 不修正
因为桨模加工可以做得很光 滑，而实桨比较粗糙，因粗糙而增加之阻力 大体抵消了尺度作用，故可不予修正。
d 1 a 4 c 2e f b 2ce2f

c 1 e f T kD4c 2e f n 2c e2 f VA g
VA c e gD f kn D ( ) ( 2 ) ( 2 2 ) nD nD n D
2 4
2 2 2 V nD n D 2 4 A T kn D f1 ( , , ) nD gD
=1. 2
1.0
0.4
0.2
D=
0.8 0.6 0.4
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0
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