第4章-敞水试验课件

本章主要内容本章主要内容 4-1 敞水试验的相似条件敞水试验的相似条件 4-2 临界雷诺数和尺度效应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 1敞水试验敞水试验概概念念:螺螺旋旋桨桨模模型型单单独独地地在在均均匀匀水水流中的试验。流中的试验。设设备备:在在船船模模试试验验池池、循循环环水水槽槽或或空泡水筒中进行空泡水筒中进行 。动能动能:检定和分析螺旋桨性能。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 2螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用 将将将将所所所所得得得得结结结结果果果果分分分分析析析析整整整整理理理理后后后后绘绘绘绘制制制制成成成成专专专专门门门门图图图图谱谱谱谱，供供供供设设设设计使用。计使用。计使用。计使用。系系系系统统统统地地地地分分分分析析析析螺螺螺螺旋旋旋旋桨桨桨桨各各各各种种种种几几几几何何何何要要要要素素素素对对对对性性性性能能能能的的的的影影影影响响响响，以供设计时正确选择各种参数。以供设计时正确选择各种参数。以供设计时正确选择各种参数。以供设计时正确选择各种参数。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。校核和验证理论方法。配配配配合合合合自自自自航航航航试试试试验验验验，以以以以分分分分析析析析推推推推进进进进效效效效率率率率成成成成分分分分，各各各各种种种种设设设设计方案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。计方案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。计方案的优劣的比较，便于选择最佳的螺旋桨。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 将所得结果分析整理后绘制3 3“首先需要解决的首先需要解决的2 2个问题个问题”桨模的试验条件？桨模的试验条件？桨模的数据如何换算到实桨？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 4-1 4-1 敞水试验的相似条件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、运动学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。相似及动力相似。方法：量纲分析法（因次分析法）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 5质量质量M长度长度L时间时间T质量M6 6同理同理7 7函数内各项的物理意义函数内各项的物理意义进速系数进速系数 说明螺旋桨及其模型各对应点处流体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。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。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 8为雷诺数。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。为傅汝德数为傅汝德数 。表示模型和实桨的重力相似条件。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。说与螺旋桨在水面下的沉没深度有关。实践证明：实践证明：当桨轴的沉没深度 hs0.625D(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 9螺旋桨足够沉深时：螺旋桨足够沉深时：螺旋桨足够沉深时：1010两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系两几何相似螺旋桨转速和进速之间的关系 由进速系数相由进速系数相等的条件可得：等的条件可得：由雷诺数相等由雷诺数相等的条件可得：的条件可得：实桨与桨模的尺度比。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1111 要保持桨模和实桨的进要保持桨模和实桨的进速系数和雷诺数同时相速系数和雷诺数同时相等，则必须满足：等，则必须满足：结果：结果：桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！桨模发出的推力将等于实桨发出的推力！则：则：桨模的转速和进速都将过高而难以实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！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1212螺旋桨敞水试验条件螺旋桨敞水试验条件几何相似几何相似几何相似几何相似:进速系数相等进速系数相等进速系数相等进速系数相等:雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值雷诺数大于临界数值:桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深桨轴的足够沉深:hs 0.625D注意：注意：桨模和实桨因雷诺数不同而引起两者水动力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性能之差异称为尺度作用尺度作用(或或尺度效应尺度效应)。螺旋桨敞水试验条件几何相似:hs 0.625D注意：桨模和1313 4-2 4-2 临界雷诺数和尺度效应临界雷诺数和尺度效应一、临界雷诺数一、临界雷诺数 雷诺数雷诺数:决定粘性流体流动状态的基本决定粘性流体流动状态的基本参数之一。参数之一。当雷诺数足够大时，界层中的流动才能当雷诺数足够大时，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。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 1414 雷诺数是以雷诺数是以 特征速度特征速度特征尺度特征尺度/表示的表示的一个无因次数。一个无因次数。表示方法如表示方法如:1978年的年的ITTC（国际船模试验池会议）（国际船模试验池会议）规定：螺旋桨的雷诺数以规定：螺旋桨的雷诺数以0.75R处叶切面的处叶切面的弦长及其合速来表示：弦长及其合速来表示：雷诺数是以 特征速度特征尺度/表示的一个无因次1515实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在实桨的雷诺数在 10 107 7 上下，处于紊流状态工作上下，处于紊流状态工作上下，处于紊流状态工作上下，处于紊流状态工作肯夫在汉堡试验池中的试验（J=0.85）当当Rn 4 5105时，时，各曲线几乎与横坐各曲线几乎与横坐标相平行，意即此标相平行，意即此时螺旋桨的性能几时螺旋桨的性能几乎与雷诺数无关。乎与雷诺数无关。因此这个数值即为因此这个数值即为临界雷诺数。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1616六十年代初日本三菱六十年代初日本三菱水池谷口中水池谷口中（用用用用0.70.7R R处叶切面的弦处叶切面的弦处叶切面的弦处叶切面的弦长及合速来表示）长及合速来表示）长及合速来表示）长及合速来表示）当当Rn 4.0 时时KT值近似为常数，值近似为常数，KQ值随雷诺数值随雷诺数Rn的增加而略有减小。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1717上海交通大学上海交通大学 Rn=3105上海交通大学 Rn=31051818二、尺度作用及修正方法二、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因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。作用。作用。作用。机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数机翼试验的研究结果表明，雷诺数对升力系数C CL L的的影响不大，可以认为模型和实物的升力系数相同影响不大，可以认为模型和实物的升力系数相同影响不大，可以认为模型和实物的升力系数相同影响不大，可以认为模型和实物的升力系数相同 即即即即C CLsLs C CLmLm 对阻力系数对阻力系数对阻力系数对阻力系数C CD D的影响较大，因为的影响较大，因为的影响较大，因为的影响较大，因为C CD D由粘性所引起。由粘性所引起。由粘性所引起。由粘性所引起。由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故由于实物之雷诺数较模型为高，故C CDsDs C CDmDm。两者之。两者之。两者之。两者之差差差差CCD D=C=CDmDmC CDsDs即为实物及模型之间的尺度作用。即为实物及模型之间的尺度作用。即为实物及模型之间的尺度作用。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1919 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：KTmTm KQsQs，0m0m0 0 螺旋桨的尺度作用对推力的影响较小，对扭矩的影响较大。2020尺度修正办法尺度修正办法 不修正不修正 因为桨模加工可以做得很光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。大体抵消了尺度作用，故可不予修正。只修正只修正KQQ 1978年年ITTC推荐的修正方法。推荐的修正方法。尺度修正办法 不修正 因为桨模加工可2121第4章-敞水试验课件2222 4-3 4-3 敞水试验方法及测量数据的表达敞水试验方法及测量数据的表达 螺旋桨模型在足螺旋桨模型在足够沉没深度和超临够沉没深度和超临界雷诺数情况下进界雷诺数情况下进行试验所得的结果行试验所得的结果可用之于实桨。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2323一、敞水试验设备及测试仪器一、敞水试验设备及测试仪器 第第一一种种方方法法：保保持持桨桨模模的的转转速速不不变变，而而以以不不同同的的进进速速进进行行试试验验。拖拖曳曳水水池池中中常常采用这种方法。采用这种方法。第第二二种种方方法法：保保持持模模型型的的进进速速不不变变，而而以以不不同同的的转转速速进进行行试试验验。空空泡泡水水筒筒中中常常采采用用这这种种方方法法。（无无“系系柱柱”，即即J J=0=0时时的情况）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，2424J04螺旋桨动力仪的简图螺旋桨动力仪的简图 J04螺旋桨动力仪的简图 2525第4章-敞水试验课件2626第4章-敞水试验课件2727进速和转速的测量进速和转速的测量 模型的进速模型的进速VAA即拖车前进的速度。即拖车前进的速度。螺旋桨转速由桨轴上转速传感器螺旋桨转速由桨轴上转速传感器(光电光电式式)检测。检测。进速和转速的测量 模型的进速VA即拖车前进的速度。2828二、测量数据的表达二、测量数据的表达 KT10KQ0二、测量数据的表达 KT10KQ02929 4-4 4-4 螺旋桨模型系列试验及性征曲线螺旋桨模型系列试验及性征曲线组组 敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型敞水试验的重要任务之一乃是进行螺旋桨模型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，以供设的系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设的系列试验，并将其结果绘制成专门图谱，以供设的系列试验，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。计螺旋桨或分析船舶航行特性之用。计螺旋桨或分析船舶航行特性之用。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所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一所谓螺旋桨系列，是指一定类型的螺旋桨按一所谓螺旋桨系列，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定的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系定的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系定的次序变更某些主要参数，以构成一个螺旋桨系列。列。列。列。在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距在同一系列中，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。比不同的五或六个桨模称为一组。比不同的五或六个桨模称为一组。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3030敞敞水水性性征征曲曲线线组组敞水性征曲线组3131精品课件精品课件！精品课件！3232精品课件精品课件！精品课件！3333世界上性能优良的螺旋桨系列世界上性能优良的螺旋桨系列荷兰的荷兰的B B型螺旋桨；型螺旋桨；日本的日本的AUAU型螺旋桨；型螺旋桨；英国的高恩螺旋桨等英国的高恩螺旋桨等注意注意：B型和型和AU型螺旋桨适用于商船，而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！高恩螺旋桨则适用于水面高速军舰！世界上性能优良的螺旋桨系列荷兰的B型螺旋桨；注意：B型和AU3434