第4章-敞水试验课件

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本章主要内容§4-1敞水试验的相似条件1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。敞水试验概念:螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验。2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。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3“首先需要解决的2个问题”桨模的试验条件？桨模的数据如何换算到实桨？“首先需要解决的2个问题”桨模的试验条件？4§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）

§4-1敞水试验的相似条件在流体中运动的模5质量M长度L时间T质量M6同理同理7函数内各项的物理意义进速系数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。函数内各项的物理意义进速系数说明螺旋桨及其模8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。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。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。为傅9螺旋桨足够沉深时：螺旋桨足够沉深时：10两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系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。两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系由进速系数相等的11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：结果：桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！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！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12螺旋桨敞水试验条件几何相似:进速系数相等:雷诺数大于临界数值: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)。

螺旋桨敞水试验条件几何相似:hs>0.625D注意：桨模和13§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。§4-2临界雷诺数和尺度效应一、临界雷诺数14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: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：雷诺数是以特征速度×特征尺度/ν表示的一个无因次15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）

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。

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16六十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）

当Rn

>4.0时KT值近似为常数，KQ值随雷诺数Rn的增加而略有减小。

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17上海交通大学

Rn=3×105上海交通大学Rn=3×10518二、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CDs<CDm。两者之差∆CD=CDm－CDs即为实物及模型之间的尺度作用。二、尺度作用及修正方法因雷诺数不同而对螺旋桨性能的19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

螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小，对扭矩的影响较大。20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。②只修正KQ

③1978年ITTC推荐的修正方法。

尺度修正办法①不修正因为桨模加工可21第4章-敞水试验课件22§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。

§4-3敞水试验方法及测量数据的表达螺旋桨模23一、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）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，24J04螺旋桨动力仪的简图

J04螺旋桨动力仪的简图25第4章-敞水试验课件26第4章-敞水试验课件27进速和转速的测量模型的进速VA即拖车前进的速度。螺旋桨转速由桨轴上转速传感器(光电式)检测。

进速和转速的测量模型的进速VA即拖车前进的速度。28二、测量数据的表达

KT10KQη0二、测量数据的表达KT10KQη029

§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。§4-4螺旋桨模型系列试验及性征曲线组敞水试30敞水