螺旋桨敞水试验
Fluent螺旋桨敞水试验模拟简要教程
CFD螺旋桨敞水试验模拟教程
（特点：适用于普通电脑，4G内存电脑计算收敛仅需5分钟，精确度高，推力误差通常小于5%，力矩误差更低。
）
1、建立螺旋桨三维模型（注意模型质量）
2、制作旋转域（用小圆柱除去螺旋桨）
剖视图
3、制作静域（不旋转域）
非旋转域剖视图4、装配，保存成STP文件。
5、打开ansys导入stp文件
6、进入mesh模块，命名好各个面，划分网格
7、Update至fluent求解器
网格优化、设置材料、设置湍流模型、设置MRF、设置边界条件、求解方法设置、收敛监测、初始化、迭代计算。
8、计算收敛，查看结果。
如果有细节之类的不懂，可以私信我，看到我会解答。
~。
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。
螺旋桨敞水性能预报讲解
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
计算域的确定
•进口在前桨中心线上游 4 倍前桨直径处，出口在前桨中心 线下游 4 倍前桨直 径处，外边界直径为 5 倍前桨直径
•计算域分为前桨、后桨两个域，各自独立划分网格
•采用结构化-非结构化多块混合网格划分方法
湍流模式选择
标准 k- ε 模型
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
• 怎样划分网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
通常的求解器选取（张志荣，2004）
a. 直接求解三维不可压RANS方程
b. 微分方程离散：有限体积法
c. 对流项离散：二阶迎风格式 d. 扩散项离散：中心差分格式
e. 压力耦合方程求解：SIMPLE方法
桨摩擦力的预报精度会影响螺旋桨敞水性能的预报精度
？
加密桨叶表面及附近网格能提高摩擦力预报精度 , 从而提高 推力和扭矩的预报精度（胡芳琳、张志荣）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 吊舱推进器 •
吊舱推进器CFD计算特点：
•螺旋桨与吊舱存在相互作用 •需研究斜航时系统受力情况 •吊舱推进器分为推式和拉式两种 •需使用滑移网格技术来求解螺旋物吊舱相互影响的非定常 问题 , 滑移网格技术是用来处理 存在定子麟子相对运动问 题的较理想的方法
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式 a.SA模型 b.标准k-ε模型 c.RNG k-ε模型 d.Realizable k-ε模型 e.标准k-w模型 f. SST k-w模型
二、影响计算的主要因素及其选取
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。
第4章 螺旋桨模型的敞水试验汇总
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。
不同桨轴沉深螺旋桨敞水性能试验
７３９ 时ꎬ除了 Ｊ ＝ ０. ８６６ 以外ꎬ随着 Ｈ ｓ / Ｄ 的减小ꎬＫ Ｔ 、１０Ｋ Ｑ 、η０ 、Ｋ Ｔ / Ｋ′Ｔ 、Ｋ Ｑ / Ｋ′Ｑ 和 η０ / η′０ 相应减小ꎬ螺旋桨的敞水
性能受沉深的影响较大ꎬ且 Ｊ 越小ꎬ影响越大ꎻ当 Ｊ≥０. ８６６ 时ꎬ螺旋桨的敞水性能受桨轴沉深的影响较小ꎮ
同吃水条件下的自航试验数据分析时ꎬ通常采用静水中桨轴沉深足够大情况下的螺旋桨敞水特性曲线ꎬ由于
在进行浅吃水自航试验数据分析时桨轴沉深一般较浅或部分出水ꎬ这样的处理不尽合理ꎮ
关于不同桨轴沉深对螺旋桨敞水性能的影响ꎬ已有不少学者对此进行研究ꎮ 曹梅亮 [２] 研究了变沉深和
波浪中的螺旋桨的敞水性能ꎬ指出当桨轴沉深比 Ｈ ｓ / Ｄ > ０. ７５ 时ꎬ螺旋桨的敞水性能不再受自由液面的影
响ꎬ桨轴沉深较浅ꎬ螺旋桨的推进性能变差的主要原因是螺旋桨吸气ꎮ 贾大山等 [３] 研究了螺旋桨吸气及其
水动力性能ꎬ将近自由液面螺旋桨吸气分为初始吸气、局部吸气和全吸气等 ３ 个阶段ꎬ发现局部吸气阶段螺
旋桨的推力和扭矩波动较大ꎬ并指出近自由液面螺旋桨敞水试验需满足进速系数、沉深比和弗劳德数相等ꎬ
且雷诺数大于临界值ꎮ 黄红波等 [４] 研究了不同沉深比的半浸式螺旋桨的动态力ꎬ指出半浸桨的侧向力和弯
ｓｕｃｔｉｏｎꎬ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｆｕｌｌ ａｉｒ ｓｕｃｔｉｏｎ. Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｉｎ ｓｔｕｄｙꎬ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｄｅｅｐ ｅｎｏｕｇｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ
ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｒ ｂａｌｌａｓｔ ｄｒａｆｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｉｓ ｓｅｅｎ ｉｎ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｓｈａｌｌｏｗ
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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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
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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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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
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。
第4章 敞水试验
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19 23
hs = D
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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。
螺旋桨敞水试验
nm D
设
m
2 m
ns D
s
2 s
m s
nm D n s D
2 m 2 s 2 m 2 s
nm D 2 ns D
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2 相似条件及要求
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 2 ns VAm nm 1 VAs ns
桨模的推力系数等于实桨的推力系数
KT J V A nD 2 n 2 D 2 0 f3 ( , , ) K Q 2 nD gD
13
2 相似条件及要求
VA nD
nD 2
为进速系数J，运动相似基本条件 为雷诺数Re ，粘性相似条件 相当傅汝德数，重力相似条件，当桨 轴的沉没深度hs>0.625D,兴波影响 忽略，傅汝德数可不考虑
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3.3 DH5922动态信号测试分析系统
输出部分:
通道数:2路 输出信号范围:0-5V(最大电流5mA) 输入阻抗:0.02Ω D/A转换分辨率:12位 D/A转换速度:2μ S
数字输入输出:
DI:8路,TTL标准电平 DO:8路,TTL标准电平
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3.3 DH5922动态信号测试分析系统
计数器/计时器(8254)
仅修正扭矩系数 ｋ Q。利用平板摩擦阻力 公式直接对扭矩系数进行修正。若采用柏 兰特---许立汀公式 2.58
K Qm K Qs R em R es
1978 年 ITTC 推荐的修正方法，当模型桨 与实桨在同一进速系数时，按下式对推力 系数及扭矩系数进行修正。
KTs KTm KQs KQm KT KQ
3.1 敞水动力仪（H29-1）
直流电机
螺旋桨模型敞水试验方法
螺旋桨模型敞水试验方法螺旋桨模型敞水试验是一种用于研究船舶的流体力学，深入了解船舶水动力性能的试验方法。
这种试验是将船舶的模型放入水中，让它以恒定速度移动，从而可以从推进水动力，抗压力，抗侧压力，驱动力，抗滑等方面深入了解船舶的水动力性能。
螺旋桨模型敞水试验的实验设备包括模型试验船台，模型试验船桨，测速仪，水动力接头和控制台等。
模型试验船台是由钢结构或木结构制成的，主要用于安装模型试验船桨和控制台，其形状一般是蒙特卡罗形状，也称为试验池。
模型试验船桨是模拟实际船舶桨叶的模型，根据要求制成不同形状和大小，主要用于模拟船舶推进和驱动力。
测速仪是用于测量模型船舶横向、纵向速度及模型船舶的前进速度的仪器，测速仪的原理是通过收集模型船舶受到的水流来推算信号。
水动力接头是一种装在模型船舶模型船体上的笼型结构，通过它可以将模型水动力力矩传递到控制台上，从而测量模型船舶推进和侧向力矩。
控制台主要用于处理模型船舶的推进水动力和侧向力矩，并对模型船舶涡轮推进器的转角和抗滑设置提供方便。
螺旋桨模型敞水试验一般是按照系列步骤进行的，首先，需要进行准备工作，将模型船舶的模型及其相关测试设备安装在试验船台上，并调试模型船舶的涡轮推进器，使其可以以一定的速度移动；其次，在敞水实验中，取几组不同的参数，包括模型船舶的推进水动力，抗压力，抗侧压力等，使模型船舶以恒定的速度在水中移动，并将横向、纵向以及推进水动力等测试参数记录在测试记录表中；最后，根据实验结果，进行分析和比较，得出模型船舶的水动力性能。
螺旋桨模型敞水试验是测试船舶的水动力性能的有效方法，可以更深入地了解船舶水动力性能，为实际船舶设计提供准确的参考。
但是，螺旋桨模型敞水试验实验一般要求模型船舶具有较高的精度和准确性，在实验过程中，需要控制模型船舶的移动精度以及测量仪器的精度和准确性，否则会导致实验数据的误差太大而无法得到可靠的结论。
总之，螺旋桨模型敞水试验是计算船舶水动力性能的有效方法，为船舶设计提供了有价值的参考依据，但是，也有一些局限性，实验过程要求模型船舶具有较高的精度和准确性，而且需要对模型船舶的移动精度以及测量仪器的精度和准确性进行控制，以保证实验结果的可靠性。
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：
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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ReC0.7582+（0.75-nD f其中C o.75--0.75R（半径）处叶剖面的弦长（m）D--螺旋桨的直径（m）V A--螺旋桨的进速（m/s）n--螺旋桨的转速（round/s）--水的运动粘性系数（m2/s）根据1978年ITTC会议建议，临界雷诺数为Re临=3.0父105。
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h之1.0D,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AQ s和A T s,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。
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。
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41
04
PART FOUR
试验方法及过程
42
4.1 敞水试验方法
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 保持桨模的转速不变，而以不同的进速进 行试验。拖曳水池中常采用这种方法 做螺旋桨的敞水试验：测进速、桨转速、 桨推力和桨扭矩
3.1 敞水动力仪（H29-1）
直流电机
螺旋桨桨模
流线型水密罩， 内有动力仪
敞水动力仪（H29-1）
25
26
3.1 敞水动力仪（H29-1）
27
3.1 敞水动力仪（H29-1）
28
3.2 敞水动力仪技术指标
额定扭矩 ±15Nm 额定推力 ±400N 测量转矩和推力传感器,全桥应变式 输入阻抗:240欧姆 输出阻抗:约226欧姆 桥压:直流8V
63
64
5.3 试验报告
试验目的 试验相似准则和本次试验内容 主要仪器设备 试验程序 试验原始数据 计算公式 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 关于螺旋桨敞水试验
65
感谢各位聆听
20
2 相似条件及要求
试验时雷诺数应大于临界雷诺数 Re=3.0*105 螺旋桨的雷诺数采用ITTC推荐的表达式 式中：
Re c0.75 Va (0.75 nD) 2
C0.75为0.75半径处叶切面的弦长(ｍ)
D为桨直径(ｍ)，Va进速(ｍ/s)
n转速(ｒ/s),ν运动粘性系数(m2/s)
59
5.1 试验数据表达
MAU5-50敞水曲线 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 J 0.6 0.8 1
Kt 10Kq eta
螺旋桨敞水性征曲线
60
5.2 尺度作用修正
因雷诺数不同，对螺旋桨性能的影响称为尺 度作用
一般说来，尺度作用对论证推力影响较小， 在同一进速系数时，实桨和桨模的推力系数 、扭矩系数及效率之间的关系 ( 即尺度作用 的影响)为 kTm<kTs, kQm>kQs, η0m < η0s
61
5.2 尺度作用修正
将模型试验结果用于实桨时，需要考虑尺度 作用的影响。对模型试验结果的尺度修正有 下列三种方法：
不修正。认为尺度作用主要影响阻力，桨模 可以加工得很光滑，而实桨较粗糙。因粗糙 而增加的阻力大体上抵消了尺度作用，因此 不予修正，模型结果可直接用于实桨。
62
5.2 尺度作用修正
J 为螺旋桨的进速系数; KT为螺旋桨的推力系数; KQ为螺旋桨扭矩系数; η0为螺旋桨的敞水效率; T为螺旋桨发出净推力(N); Q为螺旋桨吸收的净扭矩(N.m); va为螺旋桨的前进速度(m/s); n为螺旋桨的转速(r/s); D为螺旋桨直径(m); ρ为池水密度(kg/m3)
56
5.1 试验数据表达
nm D
设
m
2 m
ns D
s
2 s
m s
nm D n s D
2 m 2 s 2 m 2 s
nm D 2 ns D
16
2 相似条件及要求
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 2 ns VAm nm 1 VAs ns
桨模的推力系数等于实桨的推力系数
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
船模性能试验
裴 玉 国 大连理工大学船舶学院 船池实验室
1
2
实验课理论部分 一 二 三 船模试验概述 船模阻力试验
螺旋桨敞水试验
四
耐波性试验
五
自航试验
3 30
目录
01
敞水试验目的和意义
02
相似准则
03
试验设备
04
试验过程
05
实验报告及数据表达
4
01
PART ONE
试验意义与目的
5
1 试验目的与意义
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
动态应变仪附件—桥盒 桥盒是应变测量元件与应变仪连 接的桥梁
5 1 2
6
3 4
7
8
35
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
桥盒连接方法
一只应变片的连接方法 应变片连接在①-②之间，②和⑤，③和⑥ ，④和⑦短接；
二只应变片的连接方法 应变片连接在①-②，②-③之间，③和⑥， ④和⑦短接；
KT J V A nD 2 n 2 D 2 0 f3 ( , , ) K Q 2 nD gD
13
2 相似条件及要求
VA nD
nD 2
为进速系数J，运动相似基本条件 为雷诺数Re ，粘性相似条件 相当傅汝德数，重力相似条件，当桨 轴的沉没深度hs>0.625D,兴波影响 忽略，傅汝德数可不考虑
螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称为 敞水试验 敞水试验目的是测定单独螺旋桨工作时的 特性，通常包括桨的推力系数、扭矩系数 和敞水效率
6
1 试验目的与意义
推力系数 扭矩系数
KT T n2 D4
Q K Q n2 D5
敞水效率 进速系数
0
Jp 2
KT KQ
Jp
Va nD
32
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
包含动态信号测试所需的信号调理器（ 应变、振动等调理器）、直流电压放大器、 抗混滤波器、A/D转换器、缓冲存储器以及 采样控制和计算机通讯的全部硬件，并提供
操作方便的控制软件及分析软件。
33
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
数据采集模块原理框图
34
53
05
PART FIVE
误差分析与数据处理
Conclusion and rospect
54
5.1 试验数据表达
进速系数
推力系数 扭矩系数 敞水效率
Jp Va nD
T KT n2 D4
Q K Q n2 D5
KT 0 2 K Q Jp
55
5.1 试验数据表达
36
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
四只应变片的连接方法 应变片连接在①-②，②-③之间，③-④ ，④-①，其它点不连；
①-②和③-④是测量电桥相对的两个臂 ②-③和④-①是测量电桥相对的两个臂
37
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
数据采集卡的主要组成 模拟输入（A/D） 模拟输出（D/A） 数字输入输出 计数器/计时器 可编程增益放大器
根据原始记录数据可列表计算螺旋 桨的推力系数和扭矩系数，对测量点不 计算敞水效率。用光顺后的推力系数和 扭矩系数计算螺旋桨的敞水效率。
57
5.1 试验数据表达
对于几何形状一定的螺旋桨
而言 , 推力系数 KT, 转矩系数 KQ 及
敞水效率η0仅与进速系数J有关
58
5.1 试验数据表达
推力系数KT, 转矩系数KQ及敞水效率η0对进 速系数J的曲线称为螺旋桨的性征曲线。我 们讨论的是孤立螺旋桨的性能，所以称为螺 旋桨敞水性征曲线。 它表示了螺旋桨在任意工作情况下的全面性 能。
39
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
输出部分:
通道数:2路 输出信号范围:0-5V(最大电流5mA) 输入阻抗:0.02Ω D/A转换分辨率:12位 D/A转换速度:2μ S
数字输入输出:
DI:8路,TTL标准电平 DO:8路,TTL标准电平
40
3.3 DH5922动态信号测试分析系统
计数器/计时器(8254)
17
2 相似条件及要求
Tm KT n D KT n D
2 m 4 m 2 s 4 4 s
1
4
Ts
桨模发出的推力等于实桨发出的推力
在模型试验时 , 如果要求满足进数系数 和雷诺数同时相等的条件 ,则桨模的转速和 进速都将过高,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。
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
44
45
46
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
29
3.2 敞水动力仪技术指标
自航动力仪（全桥电路图）
推力测量
30
3.2 敞水动力仪技术指标-驱动电机
类型 功率 励磁电压 直流电机 5千瓦 220V
额定电枢电压 220V 速度范围 60到3000RPM
31
3.2 敞水动力仪技术指标-转速测量
光栅编码器 256脉冲/转
光栅编码器连接在电机轴上，用来测量电 机转速。
仅修正扭矩系数 ｋ Q。利用平板摩擦阻力 公式直接对扭矩系数进行修正。若采用柏 兰特---许立汀公式 2.58