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第四章 螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。 螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是： ① 进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。 ② 根据系列试验的结果，可以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，并为改善螺旋桨性能指出方向。 ③ 校核和验证理论方法必不可少的手段。 ④ 为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。 螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。 § 4-1 敞水试验的相似条件 从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，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。 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速VA、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g有关。换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即 T = f1(D，n，VA，ρ，ν，g)， 为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作： T = k D a n b ρ d ν e g f (4-1) 式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。 将(4-1)式中各变量均以基本量(即质量M、长度L、时间T)来表示，则得： ＝ 比较上述等式两端的基本因次，可得未知指数之关系为： (4-2) 由(4-2)式中解得： (4-3) 将(4-3)式代入(4-1)式得： T = kD4-c-2e-f n2-c-e-2f ρ1νegf = kρn2D4 式中，、、 均为无因次数。从而可以推想到更普遍一些的写法是 T = 或 KT = (4-4) 式中，KT为推力系数。 与上述推导相类似，我们可以求得螺旋桨的转矩系数KQ及效率的表达式为： KQ = (4-5) = (4-6) (4-4)、(4-5)及(4-6)式所表示的函数、及视螺旋桨的形状而定。根据相似理论，对于几何相似的螺旋桨及其模型说来，必然具有相同的函数、及，若函数内各无因次数相同，则几何相似的螺旋桨成为动力相似，其推力系数KT转矩系数KQ及效率相等。 现分别讨论函数f内各项的物理意义： ① 为进速系数J，两几何相似螺旋桨的相同，即数相等，则螺旋桨及其模型在各对应点处流体质点的速度具有相同的方向，且其比值为一常数，亦即对应点处流体质点的行迹相似。因此，这是运动相似的基本条件。 ② 为雷诺数Re(螺旋桨的雷诺数可有多种表示方法，见本章§4-2)，模型和实桨粘性力相似必须满足雷诺数相同的条件，当螺旋桨及其模型之雷诺数相同时，两者之粘性力系 数相等，亦即由粘性而产生的力也与成比例。 ③ 相当于傅汝德数Fr= (也可用来表示)，表示模型和实物的重力相似条件，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＞ 综上所述，当螺旋桨在敞水中运转时，如桨轴沉没较深，则其水动力性能只与进速系数J和雷诺数Re有关，亦即 KT = (4-7) KQ = (4-8) = (4-9) 现在进一步讨论满足相似定理的两几何相似螺旋桨(简称桨模和实桨)转速和进速之间的关系