船舶与海洋工程实验技术-螺旋桨敞水试验指导书
网教敞水课件
敞水试验知识
由雷诺数相等的条件可得
2 n m Dm
νm
=
n s Ds2
νs
设
νm =νs
2 nm Dm = n s Ds2
nm Ds2 2 = 2 =λ n s Dm
敞水试验知识
要保持桨模和实桨进速系数和雷诺 数同时相等，必须满足 nm = λ2 ns VAm nm 1 = =λ VAs ns λ 桨模的推力系数等于实桨的推力 系数。
2 4 2
n2D 2 , ) gD
2
KT = KQ
T
ρn 2 D 4
V nD = f1 ( A , nD ν
n2D2 , ) gD n2D 2 , ) gD
V Q nD = = f2 ( A , nD ν ρn 2 D 5
2
2
K V J nD = f3 ( A , η0 = T K Q 2π nD ν
敞水试验知识
根据敞水试验相似定理的讨 论，螺旋桨模型敞水试验必须满足 以下条件： 1)几何相似； 2)螺旋桨模型有足够的浸深(傅汝德数 可不考虑)；
为了消除自由表面对螺旋桨水动力 性影响，桨模的浸深一般应满足
敞水试验知识
螺旋桨模型敞水试验必须满 足以下条件： 1)几何相似； 2)螺旋桨模型有足够的浸深(傅汝 德数可不考虑)； 为了消除自由表面对螺旋 桨水动力性影响，桨模的浸深 一般应满足
Kt 10Kq eta
螺旋桨敞水性征曲线
参考书： 《船舶原理》，盛振邦 刘应中主编 《船舶性能实验技术》，俞湘三 陈泽梁 等编
实验报告
1.试验目的 2.试验相似准则和本次试验内容 3.主要仪器设备 4.试验程序 5.试验原始数据 6.计算公式 7.计算进速系数、推力系数、扭矩 系数、敞水效率和螺旋桨性征曲 线 8.关于螺旋桨敞水试验。
船舶螺旋桨课程设计说明书
船用螺旋桨课程设计说明书“信海11号”1、船体主要参数设计水线长 m L WL 36.70= 垂线 间长 m L PP 40.68= 型 宽 m B 80.15= 型 深 m D 80.4= 设计 吃水 m d 40.3= 桨轴中心高 m Z P 3.1= 排 水 量 t 2510=∆本船由七零八所水池船模阻力试验所得船体有效功率曲线数据如表1-1所示：表1-1 模型试验提供的有效功率数据航速（节） 11 12 13 14 15d=3.4mEHP3.4m (Kw) 457.1 634.8 890.0 1255.01766.1 1.15EHP 3.4 525.7 730.0 1023.5 1443.2 2031.4 d=3.5mEHP 3.5m (Kw) 466.9 652.4 917.6 1303.61824.7 1.15EHP 3.5 536.9 705.3 1055.2 1499.12098.42、主机参数型号 8230zc 二台 额定功率 ()hp KW P S 14691080= 额定转速 mim r N 300= 减速比 5.2=i 传送效率 95.0=S η3、推进因子的决定伴流分数 165.0=w 推力减额 165.0=t 船身效率 0.111=--=wtH η 相对旋转效率 0.1=R η 4、可以达到最大航速的计算采用MAU4叶桨图谱进行计算。
螺旋桨敞水收到的马力：()hp ...P RS D 2175.1186 019508501469 85.01469=⨯⨯⨯=⨯⨯=ηη根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的δ-P B 图谱列表1-2计算.表1-2 按δ-P B 图谱设计的计算表项 目 单 位数 值螺旋桨敞水收到的马力 1186.2175螺旋桨转速 300假定航速 11 12 13 14 15 9.185 10.020 10.855 11.690 12.525 40.412 32.511 26.615 22.114 18.6116.357 5.702 5.159 4.703 4.314 MAU4-4072.50 67.62 60.27 55.39 51.73 0.61 0.65 0.69 0.72 0.760.56 0.59 0.60 0.63 0.64 670.32 702.42 733.56 762.57 787.19 MAU4-5575.84 67.31 59.93 55.46 50.270.72 0.74 0.79 0.81 0.85 0.57 0.59 0.62 0.64 0.67 659.87 690.74 725.25 745.58 773.69 MAU4-70 73.80 66.92 63.01 51.89 49.13 0.72 0.75 0.77 0.83 0.89 0.54 0.55 0.56 0.59 0.62 622.40645.64671.61698.86720.10knhpminr kn N V ()V w V A -=1PB 5.25.0A DP V NP B =D P hp hp hpδ0ηD P 0ηηH D TE P P =δ0ηD P 0ηηH D TE P P =D P δ0η0ηηH D TE P P =图1-1 MAU5叶桨图谱设计计算结果从()V f P TE -曲线与船体满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素0/η及、D D P 如表1-3所示。
螺旋桨敞水性能预报讲解
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
计算域的确定
•进口在前桨中心线上游 4 倍前桨直径处，出口在前桨中心 线下游 4 倍前桨直 径处，外边界直径为 5 倍前桨直径
•计算域分为前桨、后桨两个域，各自独立划分网格
•采用结构化-非结构化多块混合网格划分方法
湍流模式选择
标准 k- ε 模型
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
• 怎样划分网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
通常的求解器选取（张志荣，2004）
a. 直接求解三维不可压RANS方程
b. 微分方程离散：有限体积法
c. 对流项离散：二阶迎风格式 d. 扩散项离散：中心差分格式
e. 压力耦合方程求解：SIMPLE方法
桨摩擦力的预报精度会影响螺旋桨敞水性能的预报精度
？
加密桨叶表面及附近网格能提高摩擦力预报精度 , 从而提高 推力和扭矩的预报精度（胡芳琳、张志荣）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 吊舱推进器 •
吊舱推进器CFD计算特点：
•螺旋桨与吊舱存在相互作用 •需研究斜航时系统受力情况 •吊舱推进器分为推式和拉式两种 •需使用滑移网格技术来求解螺旋物吊舱相互影响的非定常 问题 , 滑移网格技术是用来处理 存在定子麟子相对运动问 题的较理想的方法
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式 a.SA模型 b.标准k-ε模型 c.RNG k-ε模型 d.Realizable k-ε模型 e.标准k-w模型 f. SST k-w模型
二、影响计算的主要因素及其选取
船模自航试验指导书
T=
Rtm − Z 1− t
2. 在进行试验时，阻力仪砝码杆上的砝码重量相应于预定的强制力 Z。由拖车通过刹车装置带动船 模前进，同时启动螺旋桨，当拖车加速到预定速度时，保持匀速前进，松开刹车装置，使船模于 拖车脱开，同时调节螺旋桨转速使其达到预计的推力 T，使船模与拖车等速前进，待稳定后，记 录船模速度 V，转速 n，强制力 Z，推力 T，转力矩 Q。依上述方法系统改变强制力进行试验，可 得对应于一个速度的一组自航数据。改变试验速度依次进行试验，可得相应速度的若干组自航数 据。 六、试验数据的整理和分析 1. 对测量数据进行速度修正 在对某一预定速度 Vm 进行试验时，一般需要变更强制力 Z 五次，即该组试验要进行五次。由于很难 保证五次测得的速度都是预定的试验速度 Vm ，故需将试验测得的数据修正到对应于预定苏打 Vm 的数值。 如某次试验测得的船模速度为 V0 ，其相应测得的数据为 n0 , T0 , Q0 , Z 0 ,则可用下述方法将其修正至预定速
[Cts ]m =
Rts 1 ρ sVs2 S s 2
，表示由船模阻力换算所得的实船总阻力系数。
在实船性能预估中，其总阻力系数应取为 [C ts ]s = [C ts ]m + ∆CT 。 ∆CT 称为实船性能的相关因子。根 据交大水池的分析结果
∆CT = 0.1831 − 1.6154 × 10 −10 RN ( RN 为实船雷诺数） 。
船模自航试验指导书
一、船模自航试验的目的： 通过船模阻力试验及螺旋桨模型敞水试验，我们分别求得船体阻力曲线及螺旋桨的敞水性征曲线，但 是，实际上船体和螺旋桨是一个整体，当船舶在船后螺旋桨工作时运行，它们之间彼此相互影响附近的速 度场和压力场，此种影响是非常复杂的，迄今还不能用纯粹理论的方法来正确计算，而船模自航试验是目 前研究船体和螺旋桨相互影响最有效的方法。 船模自航试验的目的是测定船模在螺旋桨推进下的航行性能，据此可检验该船型、主机和螺旋桨之间 的配合情况，求得该船型在某一速度下的伴流分数和推力减额分数。对于新设计的船舶来说，自航试验可 用于预报实船能够达到的航速以及船体、主机和螺旋桨是否匹配。自航试验还可以对若干方案进行比较， 从而选择较优的方案。 在船模进行自航试验之前，必须完成船模阻力试验和螺旋桨模型的敞水试验。综合三种试验的结果才 能进行完整的数据分析和预报实船性能。 二、自航试验的相似理论 我们知道在船模阻力试验时必须保持模型和实船的 Fr 数相等， 而在敞水试验时必须保持进速系数 J 相 等。故在船模自航试验时必须同时满足 Fr 数和 J 相等的条件。 设 LS ，DS ，VS ，V AS，n S，及Lm，Dm , Vm，V Am，n m 分别为实船和船模的船长，桨直径，船速， 进速，转速，则由 Fr 数相等的条件得：
推进演示文稿2
T = f1 ( D, n, VA , ρ ,ν , g )
T = kD a n bV Ac ρ dν e g f
为进行因次分析， 为进行因次分析，将其写成
取质量M，长度 ，时间T为基本变量 则有： 为基本变量， 取质量 ，长度L，时间 为基本变量，则有：
2 ML a 1 b L c M d L e L f = kL ( ) ( ) ( 3 ) ( ) ( 2 ) 2 T T T L T T
K Qm K Qs
=[
Rnm 2.58 ] Rns
3、ITTC 1978年推荐方法： 、 年推荐方法： 年推荐方法
K Ts = K Tm K T K Qs = K Qm K Q
其中： 其中：
P b K T = 0.3C D ( )( ) Z D D b K Q = 0.25C D ( ) Z D
一、功率传递及推进效率成分
船速 V，主机功率 PS，转速 n ，螺旋桨推力 T ，船的阻力 R ， 1、传送效率 ηS 、 船后收到马力与主机功率之比
ηS =
PDB PS
～包括轴系、减速器效率 包括轴系、
2、推进系数及推进效率 、 有效马力 PE = RV 船后收到马力 PDB = 2πnQB
75
推进系数 P.C. ～ 有效马力与主机马力之比
§4.2 临界雷诺数和尺度效应
一、临界雷诺数： 临界雷诺数：
螺旋桨雷诺数： 螺旋桨雷诺数：
Rn =
b0.75 R V A2 + (0.75πnD) 2
ν
上海交大水池试验结果 汉堡水池试验结果
上海交大水池试验结果 水动力性能基本不变， 试验证明当 Rn > 3.0 ×105 后，水动力性能基本不变，故 ITTC 推 荐螺旋桨雷诺数为 5
不同桨轴沉深螺旋桨敞水性能试验
７３９ 时ꎬ除了 Ｊ ＝ ０. ８６６ 以外ꎬ随着 Ｈ ｓ / Ｄ 的减小ꎬＫ Ｔ 、１０Ｋ Ｑ 、η０ 、Ｋ Ｔ / Ｋ′Ｔ 、Ｋ Ｑ / Ｋ′Ｑ 和 η０ / η′０ 相应减小ꎬ螺旋桨的敞水
性能受沉深的影响较大ꎬ且 Ｊ 越小ꎬ影响越大ꎻ当 Ｊ≥０. ８６６ 时ꎬ螺旋桨的敞水性能受桨轴沉深的影响较小ꎮ
同吃水条件下的自航试验数据分析时ꎬ通常采用静水中桨轴沉深足够大情况下的螺旋桨敞水特性曲线ꎬ由于
在进行浅吃水自航试验数据分析时桨轴沉深一般较浅或部分出水ꎬ这样的处理不尽合理ꎮ
关于不同桨轴沉深对螺旋桨敞水性能的影响ꎬ已有不少学者对此进行研究ꎮ 曹梅亮 [２] 研究了变沉深和
波浪中的螺旋桨的敞水性能ꎬ指出当桨轴沉深比 Ｈ ｓ / Ｄ > ０. ７５ 时ꎬ螺旋桨的敞水性能不再受自由液面的影
响ꎬ桨轴沉深较浅ꎬ螺旋桨的推进性能变差的主要原因是螺旋桨吸气ꎮ 贾大山等 [３] 研究了螺旋桨吸气及其
水动力性能ꎬ将近自由液面螺旋桨吸气分为初始吸气、局部吸气和全吸气等 ３ 个阶段ꎬ发现局部吸气阶段螺
旋桨的推力和扭矩波动较大ꎬ并指出近自由液面螺旋桨敞水试验需满足进速系数、沉深比和弗劳德数相等ꎬ
且雷诺数大于临界值ꎮ 黄红波等 [４] 研究了不同沉深比的半浸式螺旋桨的动态力ꎬ指出半浸桨的侧向力和弯
ｓｕｃｔｉｏｎꎬ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｆｕｌｌ ａｉｒ ｓｕｃｔｉｏｎ. Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｉｎ ｓｔｕｄｙꎬ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｄｅｅｐ ｅｎｏｕｇｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ
ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｒ ｂａｌｌａｓｔ ｄｒａｆｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｉｓ ｓｅｅｎ ｉｎ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｓｈａｌｌｏｗ
阻力和敞水试验及自航试验(3)
Es
Ds
Dm
s
2
m
2) c ~ w 法 瑞典、日本及北欧诸国采用的方法,该方法认为由于尺 度作用引起的差别主要反映在阻力和伴流中，对推力 减额分数和相对旋转效率的影响较小、可忽略不计。
t
3)1978ITTC法 本方法认为
rs rm
ts tm
(1 k )c fs c f (1 k )c fm
c AA 0.001
T
S
• 形状因子根据船模在弗劳德数Fr=0.1~0.2范 围内阻力试验结果，按下式确定：
ctm Frn (1 k ) A c fm c fm
• A及n等数值均由最小二乘法确定，指数n的 范围一般为2.0～6.0。 • N = 4 , PROHASKA 法 （普鲁哈斯咔法）
KTm KTs
K Qm K Qs
0 m 0 s
★尺度修正有下列三种办法 不修正；仅修正扭矩系数KQ；1978年ITTC K K K 推荐的修正方法： K K K
Ts Tm T
Qs Qm Q
P C K T 0.3C D ( )( ) z D D
C K Q 0.25C D ( ) z D
vm vs
Ls Lm
v As v Am ns Ds nm Dm
Ds L s D m Lm
1 m nm n s ( ) 1 s
忽略黏性
2.2 激流装置 为什么要激流？ 急流丝 狭条粗糙表面 急流杆 首柱小钉
2.3 吃水标志和安装附件 2.4 称重和压载 船模试验状态的总质量应与计算的排水 量一致。试验完毕后，船模质量要复 秤，两次秤重之差额不应大于0.5%。
《敞水试验》课件
80%
时间和人力成本
进行敞水试验需要耗费大量时间 和人力，需要专业人员进行操作 和数据处理。
04
敞水试验的应用案例
河流治理工程中的应用
01
河流治理工程中，敞水试验可用 于评估河流的流速、流向、水深 等参数，为河道整治、护岸工程 等提供科学依据。
02
通过敞水试验，可以了解河流的 水动力特性，预测河流的冲刷和 淤积趋势，优化河道断面的设计 和布置。
通过敞水试验，可以了解海湾的潮汐、潮流、波浪等参数，预测海岸防护设施的 稳定性及防护效果。
05
结论与展望
结论
研究意义
通过本次研究，我们深入了解 了敞水试验在海洋工程领域的 重要性和应用价值，为后续的 海洋工程设计和建设提供了科 学依据。
研究方法
本研究采用了理论分析、数值 模拟和实验验证等多种方法， 确保了研究的准确性和可靠性 。
水库工程中的应用
在水库工程中，敞水试验可用于水库 的调度运行、库容曲线测定等方面。
通过敞水试验，可以了解水库的水位 、流速、流向等参数，为水库的优化 调度和库容曲线的精确测量提供数据 支持。
海岸防护工程中的应用
海岸防护工程中，敞水试验可用于评估海湾、海岸的水动力条件，为海堤、防波 堤等海岸防护设施的设计和建设提供依据。
确保试验场地安全、设备安全 等，避免发生意外事故。
精度要求
确保试验数据的准确性和可靠 性，避免误差过大。
环境因素考虑
考虑温度、湿度、风速等环境 因素对试验结果的影响。
遵守相关法律法规
在进行敞水试验时，应遵守国 家相关法律法规和标准规范。
03
敞水试验的原理与影响因素
敞水试验的原理
敞水试验是测量水流流速、流向、水深等参数的重要手段，其原 理基于流体动力学的基本原理，通过测量水流的物理特性来推算 水流的速度和方向。
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0、前言
1、敞水箱安装
2、仪器安装及操作
2.1 动力仪
3、敞水试验数据处理
图1 敞水箱
图1 动力仪
图2 电机
图3 3KW稀土直流电动机调速装置
图4 转速数字显示仪
图5 WD990 微机电源
图6 操作台整体视图
图7 放大器背面接口
图8 放大器正面
图9 8HZ采集程序图标
图10 敞水自航双桨
图11 敞水系统设定
图12 敞水数据采集
图13 8HZ数据处理
图14螺旋桨敞水性征曲线
表目录
表1 自航仪规格表
型号参考如下表格。
类别量程系数电压（V）
德国自航仪10kg
25kg.cm
推力：34.2
扭矩：82.5
推力：6.0
扭矩：10.0
德国自航仪（坏头）10kg
25kg.cm
推力：35
扭矩：82
推力：6.0
扭矩：10.0
自航仪5# （702所）10kg
30kg.cm
推力：33.75
扭矩：69
推力：6.0
扭矩：10.0
自航仪9# （702所）10kg
30kg.cm
推力：33.2
扭矩：67.6
推力：6.0
扭矩：10.0
自航仪（702所）25kg
50kg.cm
推力：40
扭矩：167
推力：12.0
扭矩：12.0
德国自航仪
桨径( m)水密
度
零扭
矩转速进速推力扭矩
扣零扭
矩进速系数
推力系
数扭矩系数效率系数
D ρM0
n
(rpm) V（m/s）T（kg）
M
（kg.cm）
Q=
M-M0J=V/Dn
Kt=T/
ρn2D4
10Kq=Q/ρ
n2D5
η=K1/K2*J/2
π。