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(nèi)容,§ 4-1 敞水試驗的相似條件§ 4-2 臨界雷諾數(shù)和尺度效應(yīng)§ 4-3 敞水試驗方法及測量數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)果分析整理后繪制成專門圖譜，供設(shè)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(shè)計時正確選擇各種參數(shù)。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(shè)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(shù)據(jù)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(xué)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(zhì)量M長度L時間T,,,同理,函數(shù)內(nèi)各項的物理意義,進速系數(shù),說明螺旋槳及其模型各對應(yīng)點處流體質(zhì)點的速度具有相同的方向，且比值為一常數(shù)，即對應(yīng)點處流體質(zhì)點的的行跡相似。是運動相似的基本條件。,為雷諾數(shù)。模型和實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) 。表示模型和實槳的重力相似條件。與螺旋槳運轉(zhuǎn)時水面的興波情況有關(guān)，也可以說與螺旋槳在水面下的沉沒深度有關(guān)。,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(zhuǎn)速和進速之間的關(guān)系,由進速系數(shù)相等的條件可得：,由雷諾數(shù)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(shù)和雷諾數(shù)同時相等，則必須滿足：,結(jié)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(zhuǎn)速和進速都將過高而難以實現(xiàn)，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(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：槳模和實槳因雷諾數(shù)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(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): 決定粘性流體流動狀態(tài)的基本參數(shù)之一。 當雷諾數(shù)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(shù)乃為保證模型界層中達到紊流狀態(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 表示的一個無因次數(shù)。 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(shù)以0.75R處葉切面的弦長及其合速來表示：,,實槳的雷諾數(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(shù)無關(guān)。因此這個數(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處葉切面的弦長及合速來表示）,當Rn >4.0 時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)不同而對螺旋槳性能的影響通常稱為尺度作用。 機翼試驗的研究結(jié)果表明，雷諾數(shù)對升力系數(shù)CL的影響不大，可以認為模型和實物的升力系數(shù)相同

8、 即CLs CLm 對阻力系數(shù)CD的影響較大，因為CD由粘性所引起。 由于實物之雷諾數(shù)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(shù)據(jù)的表達,,螺旋槳模型在足夠沉沒深度和超臨界雷諾數(shù)情況下進行試驗所得的結(jié)果可用之于實槳。,一、敞水試驗設(shè)備及測試儀器,第一種方法：保持槳模的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的測量,模型的進速VA即拖車前進的速度。 螺旋槳轉(zhuǎn)速由槳軸上轉(zhuǎn)速傳感器(光電式)檢測。,二、測量數(shù)據(jù)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(wù)之一乃是進行螺旋槳模型的系列試驗，并將其結(jié)果繪制成專門圖譜，以供設(shè)計螺旋槳或分析船舶航行特性