第4章 敞水試驗(yàn)

1、第4章 螺旋槳模型的敞水試驗(yàn),本章主要內(nèi)容,§ 4-1 敞水試驗(yàn)的相似條件§ 4-2 臨界雷諾數(shù)和尺度效應(yīng)§ 4-3 敞水試驗(yàn)方法及測(cè)量數(shù)據(jù)的表達(dá)§ 4-4 螺旋槳模型系列試驗(yàn)及性征曲線組,敞水試驗(yàn),概念: 螺旋槳模型單獨(dú)地在均勻水流中的試驗(yàn)。設(shè)備: 在船模試驗(yàn)池、循環(huán)水槽或空泡水筒中進(jìn)行 。動(dòng)能: 檢定和分析螺旋槳性能。,螺旋槳模型敞水試驗(yàn)的目的及其作用,①

2、將所得結(jié)果分析整理后繪制成專門圖譜，供設(shè)計(jì)使用。② 系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對(duì)性能的影響，以供設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇各種參數(shù)。③ 校核和驗(yàn)證理論方法。④ 配合自航試驗(yàn)，以分析推進(jìn)效率成分，各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣的比較，便于選擇最佳的螺旋槳。,“首先需要解決的2個(gè)問(wèn)題”,槳模的試驗(yàn)條件？ 槳模的數(shù)據(jù)如何換算到實(shí)槳？,§ 4-1 敞水試驗(yàn)的相似條件,在流體中運(yùn)動(dòng)的模型與實(shí)物要達(dá)到力學(xué)上的全相似，必須滿足幾何相似、運(yùn)

3、動(dòng)相似及動(dòng)力相似。 方法：量綱分析法（因次分析法）,,,,質(zhì)量M長(zhǎng)度L時(shí)間T,,,同理,函數(shù)內(nèi)各項(xiàng)的物理意義,進(jìn)速系數(shù),說(shuō)明螺旋槳及其模型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處流體質(zhì)點(diǎn)的速度具有相同的方向，且比值為一常數(shù)，即對(duì)應(yīng)點(diǎn)處流體質(zhì)點(diǎn)的的行跡相似。是運(yùn)動(dòng)相似的基本條件。,為雷諾數(shù)。模型和實(shí)槳粘性力相似必須滿足雷諾數(shù)相同的條件。,為傅汝德數(shù) 。表示模型和實(shí)槳的重力相似條件。與螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)水面的興波情況有關(guān)，也可以說(shuō)與螺旋槳在水面下的沉沒(méi)深度有關(guān)。,實(shí)踐

4、證明：當(dāng)槳軸的沉沒(méi)深度 hs>0.625D (D為螺旋槳直徑)，興波的影響可以忽略不計(jì)。,螺旋槳足夠沉深時(shí)：,兩幾何相似螺旋槳轉(zhuǎn)速和進(jìn)速之間的關(guān)系,由進(jìn)速系數(shù)相等的條件可得：,由雷諾數(shù)相等的條件可得：,,實(shí)槳與槳模的尺度比。,,,要保持槳模和實(shí)槳的進(jìn)速系數(shù)和雷諾數(shù)同時(shí)相等，則必須滿足：,結(jié)果：槳模發(fā)出的推力將等于實(shí)槳發(fā)出的推力！,則：槳模的轉(zhuǎn)速和進(jìn)速都將過(guò)高而難以實(shí)現(xiàn)，推力過(guò)大而無(wú)法測(cè)量！,螺旋槳敞水試驗(yàn)條件,幾何相似:進(jìn)速系

5、數(shù)相等:雷諾數(shù)大于臨界數(shù)值:槳軸的足夠沉深:,hs> 0.625D,注意：槳模和實(shí)槳因雷諾數(shù)不同而引起兩者水動(dòng)力性能之差異稱為尺度作用(或尺度效應(yīng))。,,§ 4-2 臨界雷諾數(shù)和尺度效應(yīng),一、臨界雷諾數(shù) 雷諾數(shù): 決定粘性流體流動(dòng)狀態(tài)的基本參數(shù)之一。 當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，界層中的流動(dòng)才能達(dá)到紊流狀態(tài)，故臨界雷諾數(shù)乃為保證模型界層中達(dá)到紊流狀態(tài)的最低雷諾數(shù)。,,,,,,,雷諾數(shù)是以 特征速度

6、15;特征尺度/ν 表示的一個(gè)無(wú)因次數(shù)。 表示方法如: 1978年的ITTC（國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議）規(guī)定：螺旋槳的雷諾數(shù)以0.75R處葉切面的弦長(zhǎng)及其合速來(lái)表示：,,實(shí)槳的雷諾數(shù)在 107 上下，處于紊流狀態(tài)工作,肯夫在漢堡試驗(yàn)池中的試驗(yàn) （J =0.85）,當(dāng)Rn> 4 ~ 5×105時(shí)，各曲線幾乎與橫坐標(biāo)相平行，意即此時(shí)螺旋槳的性能幾乎與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。因此這個(gè)數(shù)值即為臨界雷諾數(shù)。,六十年代初日本三菱水

7、池谷口中（用0.7R處葉切面的弦長(zhǎng)及合速來(lái)表示）,當(dāng)Rn >4.0 時(shí)KT值近似為常數(shù)，KQ值隨雷諾數(shù)Rn的增加而略有減小。,,上海交通大學(xué),,,Rn =3×105,二、尺度作用及修正方法,因雷諾數(shù)不同而對(duì)螺旋槳性能的影響通常稱為尺度作用。 機(jī)翼試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，雷諾數(shù)對(duì)升力系數(shù)CL的影響不大，可以認(rèn)為模型和實(shí)物的升力系數(shù)相同

8、 即CLs CLm 對(duì)阻力系數(shù)CD的影響較大，因?yàn)镃D由粘性所引起。 由于實(shí)物之雷諾數(shù)較模型為高，故CDs<CDm。兩者之差?CD=CDm－CDs即為實(shí)物及模型之間的尺度作用。,,,螺旋槳的尺度作用對(duì)推力的影響較小，對(duì)扭矩的影響較大。 實(shí)槳和槳模在同一 J 值時(shí)： KTm KQs， η0m＜η0,尺度修正辦法,① 不修正 因?yàn)?/p>

9、槳模加工可以做得很光滑，而實(shí)槳比較粗糙，因粗糙而增加之阻力大體抵消了尺度作用，故可不予修正。② 只修正KQ ③ 1978年ITTC推薦的修正方法。,,§ 4-3 敞水試驗(yàn)方法及測(cè)量數(shù)據(jù)的表達(dá),,螺旋槳模型在足夠沉沒(méi)深度和超臨界雷諾數(shù)情況下進(jìn)行試驗(yàn)所得的結(jié)果可用之于實(shí)槳。,一、敞水試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器,第一種方法：保持槳模的轉(zhuǎn)速不變，而以不同的進(jìn)速進(jìn)行試驗(yàn)。拖曳水池中常采用這種方法。第二種方法：保持模型的進(jìn)

10、速不變，而以不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)?？张菟仓谐２捎眠@種方法。（無(wú)“系柱”，即J=0時(shí)的情況）,J04螺旋槳?jiǎng)恿x的簡(jiǎn)圖,,,進(jìn)速和轉(zhuǎn)速的測(cè)量,模型的進(jìn)速VA即拖車前進(jìn)的速度。 螺旋槳轉(zhuǎn)速由槳軸上轉(zhuǎn)速傳感器(光電式)檢測(cè)。,二、測(cè)量數(shù)據(jù)的表達(dá),KT,10KQ,η0,§ 4-4 螺旋槳模型系列試驗(yàn)及性征曲線組,敞水試驗(yàn)的重要任務(wù)之一乃是進(jìn)行螺旋槳模型的系列試驗(yàn)，并將其結(jié)果繪制成專門圖譜，以供設(shè)計(jì)螺旋槳或分析船舶航行特性