第4章 敞水試驗

1、第4章 螺旋槳模型的敞水試驗,本章主要內容,§ 4-1 敞水試驗的相似條件§ 4-2 臨界雷諾數和尺度效應§ 4-3 敞水試驗方法及測量數據的表達§ 4-4 螺旋槳模型系列試驗及性征曲線組,敞水試驗,概念: 螺旋槳模型單獨地在均勻水流中的試驗。設備: 在船模試驗池、循環(huán)水槽或空泡水筒中進行 。動能: 檢定和分析螺旋槳性能。,螺旋槳模型敞水試驗的目的及其作用,①

2、將所得結果分析整理后繪制成專門圖譜，供設計使用。② 系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對性能的影響，以供設計時正確選擇各種參數。③ 校核和驗證理論方法。④ 配合自航試驗，以分析推進效率成分，各種設計方案的優(yōu)劣的比較，便于選擇最佳的螺旋槳。,“首先需要解決的2個問題”,槳模的試驗條件？ 槳模的數據如何換算到實槳？,§ 4-1 敞水試驗的相似條件,在流體中運動的模型與實物要達到力學上的全相似，必須滿足幾何相似、運

3、動相似及動力相似。 方法：量綱分析法（因次分析法）,,,,質量M長度L時間T,,,同理,函數內各項的物理意義,進速系數,說明螺旋槳及其模型各對應點處流體質點的速度具有相同的方向，且比值為一常數，即對應點處流體質點的的行跡相似。是運動相似的基本條件。,為雷諾數。模型和實槳粘性力相似必須滿足雷諾數相同的條件。,為傅汝德數 。表示模型和實槳的重力相似條件。與螺旋槳運轉時水面的興波情況有關，也可以說與螺旋槳在水面下的沉沒深度有關。,實踐

4、證明：當槳軸的沉沒深度 hs>0.625D (D為螺旋槳直徑)，興波的影響可以忽略不計。,螺旋槳足夠沉深時：,兩幾何相似螺旋槳轉速和進速之間的關系,由進速系數相等的條件可得：,由雷諾數相等的條件可得：,,實槳與槳模的尺度比。,,,要保持槳模和實槳的進速系數和雷諾數同時相等，則必須滿足：,結果：槳模發(fā)出的推力將等于實槳發(fā)出的推力！,則：槳模的轉速和進速都將過高而難以實現，推力過大而無法測量！,螺旋槳敞水試驗條件,幾何相似:進速系

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

6、15;特征尺度/ν 表示的一個無因次數。 表示方法如: 1978年的ITTC（國際船模試驗池會議）規(guī)定：螺旋槳的雷諾數以0.75R處葉切面的弦長及其合速來表示：,,實槳的雷諾數在 107 上下，處于紊流狀態(tài)工作,肯夫在漢堡試驗池中的試驗 （J =0.85）,當Rn> 4 ~ 5×105時，各曲線幾乎與橫坐標相平行，意即此時螺旋槳的性能幾乎與雷諾數無關。因此這個數值即為臨界雷諾數。,六十年代初日本三菱水

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

8、 即CLs CLm 對阻力系數CD的影響較大，因為CD由粘性所引起。 由于實物之雷諾數較模型為高，故CDs<CDm。兩者之差?CD=CDm－CDs即為實物及模型之間的尺度作用。,,,螺旋槳的尺度作用對推力的影響較小，對扭矩的影響較大。 實槳和槳模在同一 J 值時： KTm KQs， η0m＜η0,尺度修正辦法,① 不修正 因為

9、槳模加工可以做得很光滑，而實槳比較粗糙，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 敞水試驗方法及測量數據的表達,,螺旋槳模型在足夠沉沒深度和超臨界雷諾數情況下進行試驗所得的結果可用之于實槳。,一、敞水試驗設備及測試儀器,第一種方法：保持槳模的轉速不變，而以不同的進速進行試驗。拖曳水池中常采用這種方法。第二種方法：保持模型的進

10、速不變，而以不同的轉速進行試驗?？张菟仓谐２捎眠@種方法。（無“系柱”，即J=0時的情況）,J04螺旋槳動力儀的簡圖,,,進速和轉速的測量,模型的進速VA即拖車前進的速度。 螺旋槳轉速由槳軸上轉速傳感器(光電式)檢測。,二、測量數據的表達,KT,10KQ,η0,§ 4-4 螺旋槳模型系列試驗及性征曲線組,敞水試驗的重要任務之一乃是進行螺旋槳模型的系列試驗，并將其結果繪制成專門圖譜，以供設計螺旋槳或分析船舶航行特性