船舶快速性課件

緒論§1-1船舶阻力劃分與分類

裸船體阻力………靜水阻力

水阻力附體阻力船舶阻力船舶阻力洶濤阻力…………

附加阻力

空氣阻力…

一、船體阻力成因及分類

1．船體繞流物理現(xiàn)象與阻力成因

其一，船體在運(yùn)動(dòng)過程中興起波浪，簡稱興波（Rw）。

其二，由于水的粘性，從而使船體運(yùn)動(dòng)過程中受到粘性切應(yīng)力作用，亦即船體表面產(chǎn)生了摩擦力（R

f

）。其三，在船體曲度驟變處，特別是較豐滿船的尾部常會(huì)產(chǎn)生旋渦（Rpv）。

2．船體阻力的分類

a、按上述船舶周圍流動(dòng)現(xiàn)象和產(chǎn)生的原因來分類

Rt

＝Rw+R

f

+Rpv

b、按作用在船體表面上的流體作用力的方向來分類

Rt=Rf+Rp

C、按流體性質(zhì)分類

Rt=Rw+Rv顯然，船體總阻力與各種阻力成分間的關(guān)系可以表示如下：

摩擦阻力Rf

…………

總阻力Rt

粘性阻力

Rv

粘壓阻力

Rpv

壓阻力

Rp

Rt

興波阻力

Rw……………圖1-2船體受力示圖二、阻力（有效功率）與航速及船型的關(guān)系

對(duì)于給定的船型，且在一定的外界條件下，船體阻力僅僅是航速υs的函數(shù)，其公式表示為：

R

t

＝f1(υs

)

若船速為υs時(shí)，船體總阻力為Rt，則直接用于克服船體阻力所需的功率，稱為有效功率，以Pe

示之，其數(shù)值為：

Pe

＝Rt·υs

圖1-3阻力曲線和有效功率曲線

§1-2阻力相似定律一、粘性阻力相似定律：雷諾定律

根據(jù)分析，認(rèn)為粘性阻力Rv與水的質(zhì)量密度ρ、物體長度L、速度υ、水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)ν有關(guān)，可以寫成：

Rv

=φ(ρ，L，υ，ν)

根據(jù)量綱表示式，組成無量綱數(shù)π1，π2：π1

=

π2

=

==

其中

Re=L/ν

，稱為雷諾數(shù)

據(jù)π定理，列出下式的無量綱函數(shù)表示式：π1=Φ(π2)，即可得Cv

==Φ()

或者

Cv

=f(Re)

上式表明：對(duì)一定形狀的物體，粘性阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)雷諾數(shù)相同時(shí)，則粘性阻力系數(shù)必相等。

Cv，則稱為粘性阻力系數(shù)二、興波阻力相似定律：傅汝德定律

影響興波阻力的物理量是ρ，L，υ

和重力加速度g，因而可寫成：

Rw

=φ(ρ，L，υ，g

)

據(jù)π定理，列出上式的無量綱函數(shù)表示式為：π1=Φ(π2)，即可得

Cw

==Φ()因此，對(duì)于給定船型必有：Cw

=f(Fr)

由上式知，對(duì)于給定船型的興波阻力系數(shù)僅是傅汝德數(shù)的函數(shù)，當(dāng)兩船的Fr

相等時(shí)，興波阻力系數(shù)Cw必相等，這稱為傅汝德定律。顯然，對(duì)于不同船型而言，興波阻力系數(shù)Cw除與Fr數(shù)有關(guān)外，還將因船型變化而發(fā)生變化。

現(xiàn)在來討論在船舶工程中經(jīng)常要應(yīng)用的形似船在相應(yīng)速度時(shí)的傅汝德定律問題。

形似船是指僅大小不同，而形狀完全相似的船舶之間的統(tǒng)稱，如實(shí)船和船模即為形似船。相應(yīng)速度是指形似船之間，為了保持傅汝德數(shù)Fr相同，則它們的速度必須滿足一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于船模和實(shí)船，要求=；則相應(yīng)速度關(guān)系為：υm

==式中：下標(biāo)m，s分別為船模和實(shí)船的參數(shù)；α是實(shí)船與船模間的縮尺比。

由于實(shí)船與船模的船型是相同的，且在相應(yīng)速度時(shí)，它們的傅汝德數(shù)亦是相等的，故它們的興波阻力系數(shù)必相等，可表示為：=或Rws

=Rwm

考慮到形似船，且在相應(yīng)速度，則必有：Ss

/Sm

=和/

=α

代入上式得：

Rws

=Rwm=Rwm

其中s

，m分別為實(shí)船和船模的排水體積，如改用相應(yīng)的排水量，最后得：

R

ws

=R

wm

或=常數(shù)

由上式知，形似船在相應(yīng)速度時(shí)(或相同F(xiàn)r數(shù))，單位排水興波阻力必相等。這稱為傅汝德比較定律。由此知，試驗(yàn)求得船模的興波阻力后，就可得到相應(yīng)速度時(shí)的實(shí)船興波阻力。

三、船體總阻力相似定律:全相似定律

船體總阻力R

t

應(yīng)是ρ，L，υ，ν和g的函數(shù)，可寫作：R

t=（ρ，L，υ，ν，g）

根據(jù)量綱式，組成無量綱數(shù)π1，π2，π3：π1=,π2==,π3==據(jù)π定理，列出無量綱函數(shù)表示式：π1=Φ(π2，π3)即Ct==Φ(，)

所以，對(duì)一定船型：Ct=f(Re，F(xiàn)r)

由上式知，水面船舶的總阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)的函數(shù)；若能使實(shí)船和船模的雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)同時(shí)相等，就稱為全相似。滿足全相似條件下，實(shí)船和船模的總阻力系數(shù)為一常數(shù)，故稱為全相似定律?！?-3速度參數(shù)及其物理意義一、速度參數(shù)的表示研究船舶快速性中常常用到船速，而船速在實(shí)用上是以節(jié)（kn）為單位。1kn＝lnmile/h，而1

nmile=1852m，或6080ft，所以l

kn＝0.5144m/s。

有些國家常用速長比代替傅汝德數(shù)，但其中航速Vs以“kn”計(jì)，L以“ft”計(jì)，傅汝德數(shù)與速長比的關(guān)系為：

Fr=0.2977或=3.355Fr

§1-4傅汝德假定一、實(shí)現(xiàn)全相似的條件如果要求實(shí)船與船模滿足傅妝德數(shù)相等，則有：

=

若雷諾數(shù)等，則有：=

若雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)同時(shí)相等，則必有：

νm=νs

這里下標(biāo)m，s分別代表船模和實(shí)船的數(shù)據(jù)，設(shè)實(shí)船對(duì)船模的尺度比α＝

LS

/Lm

＝36，則由上式得：

νm=vs/216要滿足此式在實(shí)際上還存在困難，因?yàn)橐笤囼?yàn)池的介質(zhì)的粘性系數(shù)僅為實(shí)船航行介質(zhì)的1/216，這是不切合實(shí)際的。若船模也在水池中進(jìn)行試驗(yàn)，而水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)相差不大，可假定νm

=νs

，則要滿足上式的全相似條件的話，除非α=1，即Ls

=Lm，這就意味著實(shí)船在試驗(yàn)池內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，顯然這是不現(xiàn)實(shí)的。

二、傅汝德假定

船模與實(shí)船不能同時(shí)滿足雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)相等，所以不可能根據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果直接求得實(shí)船的總阻力。實(shí)際上單一的雷諾數(shù)相等也是不能實(shí)現(xiàn)的。因此，只能在保持傅汝德數(shù)相等的情況下組織試驗(yàn)。為了能從船模試驗(yàn)結(jié)果求得實(shí)船的阻力，傅汝德作出下列假定：

(1)

R

t

=R

f

+Rr

(2)

相當(dāng)平板假定如果滿足傅汝德數(shù)相等組織船模試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)用傅汝德假定，便可將試驗(yàn)結(jié)果換算得實(shí)船在相應(yīng)速度時(shí)的阻力。

傅汝德?lián)Q算關(guān)系:R

ts=R

fs

+（Rtm-Rfm）

顯然，由船模試驗(yàn)得到船?？傋枇

tm，并分別計(jì)算船模和實(shí)船的摩擦阻力后，即可得實(shí)船總阻力。傅汝德?lián)Q算關(guān)系式亦可用無量綱形式表示

Ct

s

=C

fs+Cr

s因在速度相應(yīng)時(shí)：Cr

s=Cr

m，而Crm

=Ct

m–C

f

m，代入上式有：

Cts

=C

fs+Crm=Cfs+（Ctm–C

fm）

船模自航試驗(yàn)及實(shí)船性能預(yù)估§6-1自航試驗(yàn)的相似條件及摩擦阻力修正值一、相似定律船模阻力試驗(yàn)時(shí)滿足：敞水試驗(yàn)時(shí)只滿足：船模自航試驗(yàn)應(yīng)滿足的相似定律：及

在不考慮尺度作用的情況下有：船模與實(shí)船在傅氏數(shù)相同時(shí)有：

二、摩擦阻力的修正-實(shí)船自航點(diǎn)的確定人為地將其硬湊成三次方關(guān)系：這樣，在船模自航試驗(yàn)中，當(dāng)船模速度為Vm時(shí)，我們?cè)O(shè)法預(yù)先對(duì)船模加一個(gè)拖曳力FD，則螺旋槳模型發(fā)出的推力Tm僅需克服阻力(Rm-FD)，此點(diǎn)稱為實(shí)船自航點(diǎn)即相當(dāng)于實(shí)際螺旋槳發(fā)出推力Ts克服實(shí)船的總阻力Rs。

§6-2自航試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)表達(dá)一、自航試驗(yàn)概述自航試驗(yàn)的方法有純粹自航法和強(qiáng)制自航法兩種。強(qiáng)制自航法是船模在螺旋槳推力T和強(qiáng)制力z的共同作用下，其前進(jìn)速度和拖車速度Vm保持相等。對(duì)某一選定的船模試驗(yàn)速度Vm，一般需要外加五個(gè)強(qiáng)制力，一般需要四個(gè)船模自航速度。

自航試驗(yàn)的測量結(jié)果通常應(yīng)繪制成如圖6-2所示之船模自航試驗(yàn)曲線。圖6-2二、試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理1．相當(dāng)于實(shí)船自航點(diǎn)的推進(jìn)效率分析2．推進(jìn)效率成分的分析兩種表中分析所得之推進(jìn)效率在數(shù)值上應(yīng)基本一致，其誤差應(yīng)不超過0.001?！?-3實(shí)船推進(jìn)性能預(yù)估

一、、法這種方法認(rèn)為：在船模實(shí)船的換算中，造成預(yù)估不正確的主要問題在于阻力和伴流二項(xiàng)，由于粘性不相似及摩擦阻力計(jì)算的外插等問題，致使阻力換算結(jié)果與實(shí)際有差別，因此需要用相關(guān)因子予以補(bǔ)救。伴流受粘性的影響較大，船模試驗(yàn)得到的伴流數(shù)值偏高，應(yīng)由相關(guān)因子予以修正。

二、1978ITTC單槳船實(shí)船性能預(yù)估的標(biāo)準(zhǔn)方法第一部分：1978ITTC標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估①阻力采用三因次的(1+K)方法進(jìn)行換算，故船模的總阻力系數(shù)應(yīng)寫作：

②螺旋槳敞水性征曲線

③船模自航試驗(yàn)結(jié)果采用等推力法求出相當(dāng)于實(shí)船自航點(diǎn)處的模型推進(jìn)效率成份，即ωm，tm及ηRm。

④實(shí)船伴流分?jǐn)?shù)ωs按下式計(jì)算：⑤假定推力減額分?jǐn)?shù)與相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率無尺度作用，即

ts

=tm；ηRs=ηRm⑥實(shí)船性能的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估步驟與、法相同。第二部分：根據(jù)各水池本身所積累的經(jīng)驗(yàn)修正，給出實(shí)船航速、轉(zhuǎn)速及馬力之間的關(guān)系。采用功率因子CP及轉(zhuǎn)速因子CN進(jìn)行修正，CP及CN的數(shù)值由各水池根據(jù)自己積累的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料決定。因此，經(jīng)CP，CN修正后給出的實(shí)船試航性能預(yù)估數(shù)值為：轉(zhuǎn)速NT

=CN

·Ns收到馬力PDT

=CP

·PDs。三、實(shí)船船模相關(guān)因子的選取1．1978ITTC預(yù)估方法平均說來，CP=0.9725，CN=1.0234，16屆國際船模試驗(yàn)池會(huì)議性能委員會(huì)認(rèn)為上述數(shù)據(jù)是在合理范圍之內(nèi)。2．，法或按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：至于相關(guān)因子，其實(shí)質(zhì)是實(shí)船伴流分?jǐn)?shù)ωs與船模伴流分?jǐn)?shù)ωm之差，即：

船模阻力試驗(yàn)§5-1拖曳試驗(yàn)依據(jù)、設(shè)備和方法

一、船模阻力試驗(yàn)的依據(jù)

前已闡述船模和實(shí)船難以實(shí)現(xiàn)全相似條件。根據(jù)現(xiàn)實(shí)可能性，也不能實(shí)現(xiàn)船模和實(shí)船單一的粘性相似，即保持Re相等。因此船模阻力試驗(yàn)，對(duì)水面船舶來說，實(shí)際上就是在滿足重力相似條件下(保持

Fr數(shù)相等)進(jìn)行的。二、船模試驗(yàn)池

主要任務(wù)是進(jìn)行船舶模型的拖曳、自航及適航性等試驗(yàn)。船模試驗(yàn)池的尺度主要由船模的大小和速度而定。此外，還與拖曳設(shè)備的特點(diǎn)、試驗(yàn)的要求等有關(guān)，因?yàn)樗氐拈L度和拖車的速度實(shí)際上對(duì)船模的尺度和速度有一定的限制。

1．拖車式船模試驗(yàn)池

拖車式船模試驗(yàn)池的優(yōu)點(diǎn)是：可以采用較大尺度的船模，因此尺度效應(yīng)較小，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較高；其次，拖車式船池能進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)，除了船模阻力試驗(yàn)外，還可以進(jìn)行以下諸方面的試驗(yàn)研究：(1)測量和觀察船體表面的流動(dòng)狀況，這對(duì)于船體線型設(shè)計(jì)和附體布置是很有價(jià)值的；(2)船舶推進(jìn)方面的試驗(yàn)，如螺旋槳模型的敞水試驗(yàn)、船模自航試驗(yàn)以及進(jìn)行船體與螺旋槳的相互作用問題的研究等；(3)船舶耐波性方面的試驗(yàn)，主要研究船模在波浪上的運(yùn)動(dòng)和航行狀態(tài)；(4)操縱性方面的試驗(yàn)；(5)強(qiáng)度和振動(dòng)方面的試驗(yàn)。三、船模阻力試驗(yàn)方法和內(nèi)容

1．試驗(yàn)準(zhǔn)備為了進(jìn)行阻力拖曳試驗(yàn)，必須進(jìn)行一系列試驗(yàn)準(zhǔn)備工作：首先，按一定要求制作試驗(yàn)用的船模。其次，船模在試驗(yàn)前要安裝人工激流裝置。其三，準(zhǔn)確地秤量船模重量和壓載重量。最后調(diào)整壓載位置。

主題二解釋細(xì)節(jié)講述示例進(jìn)行練習(xí)以鞏固所學(xué)知識(shí)2．阻力試驗(yàn)測量項(xiàng)目(1)船模速度記錄；

(2)船模阻力的測量；

(3)船?？v傾角和重心升沉的測量；

(4)浸濕面積和濕長度的確定；

此外，還有船體表面的流線測定。

3．船模與實(shí)船阻力換算

船模阻力試驗(yàn)的主要目的是由試驗(yàn)所得的船模阻力換算得到實(shí)船的靜水總阻力或有效功率值。具體的換算方法有兩種：一是基于傅汝德假定的傅汝德?lián)Q算法；另一是根據(jù)休斯提出的三因次換算法或稱為(1+k)法。

傅汝德?lián)Q算法：

R

ts=R

fs

+（Rtm-Rfm）

或

Cts

=C

fs+Crm=Cfs+（Ctm–C

fm）三因次換算法：

Cts

=Ctm-(1+k)(Cfm-Cfs)+ΔCf§5-3影響試驗(yàn)結(jié)果的因素一、試驗(yàn)本身的一些影響因素首先，我們會(huì)想到由試驗(yàn)假設(shè)所引起的誤差。其次是由試驗(yàn)本身所引起的誤差，還有一個(gè)方面，就是船模本身尺度不同所引起的誤差。

二、尺度效應(yīng)

尺度效應(yīng)問題，即船模尺度不同引起試驗(yàn)結(jié)果的不一致，根據(jù)實(shí)際分析，邊界層流態(tài)不同是尺度效應(yīng)的主要因素。對(duì)于實(shí)船，其雷諾數(shù)Re很大，全長范圍內(nèi)的界層流態(tài)均可視為紊流；但對(duì)于船模，即使采用很大的尺度，其Re數(shù)與實(shí)船相比仍相差甚遠(yuǎn)，層流段相對(duì)長度大，界層內(nèi)流態(tài)與實(shí)船并不完全相似。

人工激流法就是人為地使船模處于與實(shí)船相同的紊流狀態(tài)所采取的措施。其目的是消除船模首部層流段對(duì)阻力試驗(yàn)和換算準(zhǔn)確性的影響。人工激流法主要有如下幾種：

(1)表面粗糙激流法；

(2)激流桿法；

(3)激流絲法；

(4)小釘激流法。根據(jù)試驗(yàn)分析表明，應(yīng)用激流絲后所得的阻力換算結(jié)果與實(shí)際情況較符合。

船在限制航道中的阻力

§8-1淺水對(duì)阻力的影響

一、淺水對(duì)流場及粘性阻力的影響

粘性阻力主要是由船體周圍的流場決定的。淺水所引起的流場變化，主要反映在船體周圍，特別是船底的流速增大，致使粘性阻力增大；同時(shí)由流場變化導(dǎo)致船的航態(tài)變化使粘性阻力進(jìn)一步增大。1．回流速度增大

由于淺水對(duì)流場影響使回流速度增大的現(xiàn)象稱為淺水阻塞效應(yīng)。

作用參數(shù)有:h/d或/h

圖8-1淺水中的流動(dòng)狀態(tài)比較

(a)深水理想流體情況；

(b)淺水理想流體情況；

(c)淺水中實(shí)際的流體情況。2．航態(tài)變化

(1)由于船底流速增加，壓力降低，從而使船體下沉，吃水增加；(2)由于船底和河床邊界層厚度均自船首向船尾逐漸增加，因而船尾與河床的間隙較船首處為小，流速增加更大，壓力下降更甚，船尾下沉較船首大，因而產(chǎn)生尾傾現(xiàn)象。3．對(duì)粘性阻力的影響

首先由于淺水船周圍的流速比深水船為大，且其舷側(cè)濕面積因船體下沉而有所增加，所以必然使摩擦阻力增大。

其次，因淺水中回流增加，即水流與船體的相對(duì)速度有明顯的增大，壓力下降亦大，所以壓力梯度增大；同時(shí)船尾與河床的間隙小，易于產(chǎn)生旋渦，粘壓阻力隨之增加。二、淺水對(duì)興波及興波阻力的影響

淺水中的興波情況不但取決于水深參數(shù)L/h，而且與速度參數(shù)Fr有關(guān)。

=Fr·

1．淺水引起波浪參數(shù)的改變

首先，淺水中波浪的波高比深水波要大?！て浯?，淺水波的波速將隨著水深h而變化。

淺水波理論，又稱為橢圓坦谷波理論，由該理論可知，淺水中的波速是：淺水中的波速與深水中波長λ相同的波速的差別僅取決于雙曲函數(shù)的數(shù)值。函數(shù)的名稱

函數(shù)的表達(dá)式

函數(shù)的圖形

函數(shù)的性質(zhì)雙曲正弦a)：其定義域?yàn)?(-∞,+∞)；

b)：是奇函數(shù)；

c)：在定義域內(nèi)是單調(diào)增；雙曲余弦a)：其定義域?yàn)?(-∞,+∞)；

b)：是偶函數(shù)；

c)：其圖像過點(diǎn)(0,1)；

雙曲正切a)：其定義域?yàn)?(-∞,+∞)；

b)：是奇函數(shù)；

c)：其圖形夾在水平直線

y=1及y=-1之間；在定域內(nèi)單調(diào)增；

該雙曲函數(shù)曲線如圖8-3所示。根據(jù)該曲線性質(zhì)，討論以下不同情況：

圖8-3正切雙曲函數(shù)曲線(1)深水情況：即h很大時(shí)，即≈1.0，則(8-1)式可寫作：根據(jù)正切雙曲函數(shù)值知，當(dāng)h＞/2時(shí)，則Ch＝0.998C。因而當(dāng)水深滿足h＞λ/2時(shí)，可以深水情況處理。(2)

一般淺水情況：

即h為有限值時(shí)：＜1.0。則有

Ch＜C

波速損失?C應(yīng)該為：

?C=C-Ch

或者寫成另作分析如下：

①

同一船在淺水中航行時(shí)，船速將下降?C。興波阻力較大。

②

兩者保持相同航速，則淺水中的波長λh必定較深水中的波長λ為大。

③

當(dāng)Frh＜0.5時(shí)，?C≈0，說明淺水對(duì)興波影響極??；反之，F(xiàn)rh越大，則?C值越大，淺水對(duì)興波的影響越顯著。(3)水深極淺的情況

則(8-1)式成為：所以表示在水深h極小時(shí)的淺水波傳播速度。該速度為水深h時(shí)的極限波速。船速分為三個(gè)區(qū)段：

亞臨界速度區(qū)：當(dāng)υs＜，即Frh＜1.0

臨界速度區(qū)：當(dāng)υs＝，亦Frh＝1.0

超臨界速度區(qū)：當(dāng)υs＞，表示Frh＞1.0

由上可進(jìn)一步看出：Frh實(shí)際上表示了船速與極限波速的相對(duì)大小，以及船舶所處的航速區(qū)。在不同的航速區(qū)內(nèi)，不僅船舶的運(yùn)動(dòng)情況不同，而且興波阻力、興波圖形都有明顯的變化。2．淺水引起波浪圖形的變化

圖8-4不同F(xiàn)rh時(shí)淺水對(duì)興波圖形的影響(a)Frh＝0(h＝∞)和Frh＜1.0；(b)Frh≈1.0；(c)Frh＞1.0。(1)亞臨界速度區(qū)（Frh＜1.0）：

當(dāng)Frh＜0.5時(shí)，波速損失?C≈0，因此興波變化極小，所以β角變化甚微，如圖8-4(a)左側(cè)興波圖形。

當(dāng)0.5＜Frh＜1.0時(shí)，波長將大于深水中波長。同時(shí)β角，即興波的扇形面隨Frh的增大而變大，如圖8-4(a)右側(cè)所示的興波。

(2)臨界速度區(qū)：當(dāng)Frh≈1.0時(shí)，β角增大至90?，船的橫波和散波合并，在船首處形成一個(gè)很大的波峰，此即為孤獨(dú)波；船尾是一大波谷，它們隨船一起前進(jìn)，此時(shí)尾傾最大，如圖

8-4(b)所示，興波阻力劇增。(3)超臨界速度區(qū)

當(dāng)Frh＞1.0，即υs＞時(shí)，說明船速已超過水波的極限移動(dòng)速度，因此橫波消失，孤獨(dú)波亦不存在，僅剩有散波，且其寬度隨航速增大而減小。這是因?yàn)闇\水中波浪在垂直于波陣面方向的傳播速度不能超過極限速度，則有：

顯然，當(dāng)航速越高，β越小，即波浪扇形面的范圍變小，如圖8-4(c)所示。由于橫波消失，散波寬度隨Frh增大而減小，因而興波阻力急劇減小。達(dá)到某航速后，淺水中的總阻力較深水中的阻力還要低。

三、淺水阻力曲線的特點(diǎn)

圖8-7淺水和深水中阻力曲線比較

(1)

當(dāng)Frh＜0.5，即υs＜0.5時(shí)，船在淺水中的阻力值沒有明顯增加。

(2)

當(dāng)0.5＜Frh＜1.0，即0.5＜υs＜時(shí)，淺水情況的阻力較深水時(shí)有顯著增加。

(3)當(dāng)Frh＝1.0，即υs＝時(shí)，較深水中的阻力值有很大增加。

(4)當(dāng)Frh＞1.0，即υs＞時(shí)，船速已超過波浪傳播的極限速度。橫波消失，散波的覆蓋面減少，由于高速時(shí)的興波阻力下降較多，所以此時(shí)船的總阻力甚至較深水阻力還要低。四、淺水影響的衡準(zhǔn)

l.從航速來看一般認(rèn)為在Frh＜0.5時(shí)，可以不計(jì)淺水影響。

2．從船型來看

(1)泰洛給出的最小水深：對(duì)于Cb＜0.65的船為：當(dāng)Fr＜0.27時(shí)：hmin＝33.6Frd

當(dāng)Fr＞0.27時(shí)：hmin＝41.7(Fr-0.06)d其中d為吃水，F(xiàn)r＝υs

/；(2)高速貨船：hmin/d＞7.0；

(3)軍艦，如巡洋艦，驅(qū)逐艦：hmin/d＞7～12；

(4)滑行快艇：hmin/L＞0.8或hmin/B＞3.0。其中L，B為艇長和艇寬。

3．ITTC最小水深公式

12屆ITTC推薦的實(shí)船試驗(yàn)不計(jì)淺水影響的最小水深公式為：

h

＞3(8-7a)

h

＞2.75υs/g(8-7b)其中h為水深，υs為航速。分別按式(8-7a)和式(8-7b)計(jì)算，并取兩者較大值作為試航時(shí)的最小水深。由物理意義知前者為考慮淺水對(duì)回流的影響；后者則是對(duì)興波的影響?！?-3狹窄航道對(duì)阻力的影響一、船舶在狹水道和淺水中航行時(shí)的主要差別

(1)

表征參數(shù)：在狹水道情況下，其表征參數(shù)有水深吃水比h/d外，相對(duì)寬度b/B(或b/L)或斷面系數(shù)F/Am。(2)

回流和興波情況：回流情況較淺水時(shí)有明顯的變化，由于側(cè)壁的存在導(dǎo)致了散波的反射，因而與船體波系相互疊加，使興波阻力發(fā)生變化。(3)阻力曲線的特點(diǎn)：船在狹水道中的阻力曲線的特點(diǎn)是在Frh＝1.0附近存在一個(gè)臨界區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)阻力值有極為明顯的增加。

二、船舶在狹水道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的特點(diǎn)

圖8-14狹水道剖面圖基于假定的基礎(chǔ)上則由連續(xù)性方程得：

bh·υs

=(bh-Am

-b·Δh)υm

另根據(jù)伯努利方程得：

ρg·Δh=ρ(υm–υs)即得到船舶所在區(qū)域內(nèi)的水面下降值：

Δh=(υm–υs

)/2g由式(8-9)和式(8-l0)，最終得：或

船在狹水道中航行時(shí)，就速度的不同可劃分為如下三種不同區(qū)域：圖8-15狹水道中不同的速度區(qū)域(1)亞臨界速度區(qū)域：

即在＜范圍內(nèi)，其阻力值（Rv+Rw）較相應(yīng)淺水情況要大。

(2)

臨界速度區(qū)域：即υ1/c＜υs/c＜υ2/c。整個(gè)區(qū)域的獨(dú)波隨時(shí)間而不斷增長，而船體由亞臨界區(qū)的下沉逐漸轉(zhuǎn)為上浮，直至航速達(dá)到υ2時(shí)，此時(shí)不但阻力最大，而且船體上浮亦達(dá)最大。(3)超臨界速度區(qū)域：

即在υs/c＞υ2/c范圍內(nèi)。水與船體相對(duì)速度減小，所以水面升高，船體上浮，縱傾角也較臨界速度區(qū)減小。在該區(qū)域內(nèi)的阻力反而驟然下降。

圖8-16狹水道中阻力曲線三、狹水道阻力的估算

狹水道特殊情況的適當(dāng)處理：

(1)由于船舶在狹水道中的航速較低，其阻力較深水情況的增加值認(rèn)為主要是粘性阻力。因此在估算狹水道阻力時(shí)，只考慮回流情況較淺水時(shí)為大，可以不考慮興波影響的修正。

(2)考慮到狹水道的表征參數(shù)與淺水不同，所以在求取狹水道中的許立汀回流速度值時(shí)，用參數(shù)/rh代替淺水問題中的參數(shù)

/h。其中rh稱為水力半徑，其數(shù)值為：

(8-12)其中Gm為船中橫剖面的濕圍長度，顯然當(dāng)b趨于無窮大時(shí)，rh趨于h，就是淺水問題。

附加阻力**§4-1附體阻力

船舶設(shè)計(jì)水線以下的舭龍骨、舵、軸包架、軸和支軸架等，統(tǒng)稱為船的附體。由于船的附體通常位于水下較深位置，且相對(duì)尺寸較小，因而認(rèn)為附體阻力的主要成分是摩擦阻力和粘壓阻力。那些較短的附體，如支軸架等，其阻力成分幾乎都是粘壓阻力，并認(rèn)為其阻力系數(shù)與速度無關(guān)；另一類是長附體或沿流線方向安裝的附體，如舭龍骨、軸包架等，其阻力幾乎都是摩擦阻力。**一、確定附體阻力的方法1．經(jīng)驗(yàn)公式確定附體阻力(1)舭龍骨：應(yīng)沿水流方向安裝。所增的阻力一般不大于裸船體阻力的1%～3%或取其摩擦阻力的5/3倍。(2)舵：流線型舵的阻力可取其自身摩擦阻力的1.5倍。對(duì)單螺旋槳船，舵的阻力一般約為裸船體阻力的l%～2%。對(duì)雙螺旋槳的雙邊舵，其阻力值約為裸船體阻力的3%～5%。**(3)塢座龍骨：其阻力可取為其自身摩擦阻力的4倍。(4)軸包架：阻力值在一般情況下約為裸船體阻力的5%～10%。(5)軸支架和軸：采用左右兩軸支架的阻力可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：**

在船舶設(shè)計(jì)中，附體阻力常用附體系數(shù)kap的形式來表示。計(jì)及附體后的實(shí)船有效功率Pe1可由下式計(jì)算得到：

Pe1=Peb(1+kap)

其中，Peb為裸船體所需有效功率。

表4-1不同類型船的附體系數(shù)

船舶種類kap(%)單螺旋槳民用船雙螺旋槳民用船雙或四螺旋槳高速軍艦2～57～138～15**2．應(yīng)用模型試驗(yàn)確定附體阻力設(shè)由模型試驗(yàn)得到的裸體船模的總阻力為Rm，加裝全部附體后的總阻力為(Rm+ΔRm)，則模型的附體阻力系數(shù)Capm為：相應(yīng)實(shí)船的附體阻力ΔRs可由下面方法得到：(1)認(rèn)為實(shí)船的附體阻力系數(shù)Caps等于船模的附體阻力系數(shù)Capm，則有：

**

ΔRs

=Capm·ρsSsυs

由于尺度效應(yīng)的影響，按上式計(jì)算實(shí)船附體阻力結(jié)果偏大，為此引入一個(gè)附體尺度效應(yīng)因子β進(jìn)行修正，即有：

ΔRs

=βλΔRm或Caps=βCapm

(2)

認(rèn)為實(shí)船的附體系數(shù)kaps等于模型的附體系數(shù)kapm。這樣，實(shí)船的附體阻力為：

ΔRs=kapm·Rs

=ΔRm·Rs/Rm

由于該換算法的尺度效應(yīng)較小，所以實(shí)用上，常用這種方法確定實(shí)船的附體阻力。**二、附體設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)(1)附體應(yīng)沿船體流線方向設(shè)置。(2)盡可能采用濕面積較小的附體。

(3)附體沿水流方向應(yīng)采用流線型剖面。

**§4-2空氣阻力一、確定空氣阻力的方法1．根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)資料估算空氣阻力幾乎全部由粘壓阻力組成，它可表示為：2．倒置船模阻力試驗(yàn)確定空氣阻力

計(jì)算空氣阻力的公式如下：

**3．計(jì)算空氣阻力系數(shù)或取空氣阻力百分?jǐn)?shù)

如果已確定船的附體阻力和空氣阻力，則實(shí)船的有效功率為

Pet

=Peb(1+kap

+kaa)

式中，Pet又稱靜水有效功率。**二、影響空氣阻力的因素

(1)

與上層建筑的型式及其在船中橫剖面上的投影面積有關(guān)。①上層建筑盡可能低而長，這樣可減小迎風(fēng)面積；②橋樓各層的后端依次制成階梯形；③上層建筑前端設(shè)計(jì)成流線型；④短小的上層建筑合并。(2)

與相對(duì)風(fēng)向角有關(guān)。(3)

空氣阻力與相對(duì)速度υa的平方成正比關(guān)系。**§4-3波浪增阻

一、在波浪中引起阻力增加的主要原因1．船體運(yùn)動(dòng)船舶在波浪中航行時(shí)，將產(chǎn)生縱搖、升沉、橫搖和搖首等各種運(yùn)動(dòng)，使阻力增加，航速降低。一般認(rèn)為引起船舶阻力增加主要是由縱搖、升沉運(yùn)動(dòng)所致，而橫搖和搖首較為次要。2．船體對(duì)波浪的反射作用由于波浪遇到船體后，被船體反射而產(chǎn)生反射水波，該水波的能量就是船體阻力增值的一部分。

**二、影響波浪中阻力增值的因素

(1)從波浪情況來看：①同一船舶的波浪中阻力增值將隨所遭遇的波高而增加；②當(dāng)波浪周期與船的縱搖周期接近時(shí)，船體阻力增值可能很大；③路易斯的研究指出，所遇波浪的波長大于船長3/4時(shí)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)將大為加劇，波浪中的阻力增值亦將顯著增大。(2)從船型來看：船模在波浪上的試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果證明，在靜水中阻力較低的船型在波浪中的阻力增值仍將相應(yīng)較低。

**三、波浪中阻力增值的處理與儲(chǔ)備功率(1)由于波浪阻力增值的存在，如保持靜水中相同功率時(shí)，航速必然會(huì)有所下降，這種航速的減小稱為速度損失或簡稱失速。(2)考慮到波浪中的阻力增值，如要維持靜水中的相同航速，則必須較原靜水功率有所增加，所增加的功率稱為儲(chǔ)備功率。**

船舶設(shè)計(jì)中常用儲(chǔ)備功率百分?jǐn)?shù)(或稱附加數(shù))來表示儲(chǔ)備功率的大小。該百分?jǐn)?shù)是在已計(jì)入附體阻力、空氣阻力以后所需靜水航行功率后再增加的功率百分?jǐn)?shù)，記為kaw。這樣計(jì)及波浪中阻力增值等因素后的實(shí)際有效功率Pew與靜水有效功率Pet的關(guān)系為：

Pew

=Pet

(1+kaw

)

(4-14)以(4-11)式代入，則有：

Pew

=Peb(1+kap+kaa

)(1+kaw

)

(4-15)并以此來確定主機(jī)功率。船舶建成后，在要求裝載情況下，且主機(jī)以額定功率時(shí)在平靜水域中所能達(dá)到的速度叫試航速度。但考慮到船舶在航行中因受風(fēng)浪和污底等原因致使增加阻力，故實(shí)際航速總是低于試航速度。因此常以持久功率(約為額定功率的85%～90%)在平均海況下船舶所能達(dá)到的航速稱為服務(wù)速度。**

儲(chǔ)備功率的多少應(yīng)視船長、船型、航道和船的業(yè)務(wù)性質(zhì)而異。一般取kaw=15%～30%

考慮洶濤阻力的另一種方法是將服務(wù)速度另加0.5～l.0kn作為試航速度，然后以此試航速度為基礎(chǔ)來估算功率。

**

基礎(chǔ)理論及水動(dòng)力特性

早期的推進(jìn)器理論可分為動(dòng)量理論:

螺旋槳之推力乃因其工作時(shí)使水產(chǎn)生動(dòng)量變化所致，所以可通過水之動(dòng)量變更率來計(jì)算推力，此類理論可稱為動(dòng)量理論。葉元體理論:

注重螺旋槳每一葉元體所受之力，據(jù)以計(jì)算整個(gè)螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩，此類理論可稱為葉元體理論。螺旋槳環(huán)流理論流體力學(xué)中的機(jī)翼理論應(yīng)用于螺旋槳，解釋葉元體的受力與水之速度變更關(guān)系，將上述兩派理論聯(lián)系起來而發(fā)展成螺旋槳環(huán)流理論?！?-1理想推進(jìn)器理論一、理想推進(jìn)器的概念和力學(xué)模型

假定：①推進(jìn)器為一軸向尺度趨于零，水可自由通過的盤，此盤可以撥水向后稱為鼓動(dòng)盤（具有吸收外來功率并推水向后的功能）。②水流速度和壓力在盤面上均勻分布。③水為不可壓縮的理想流體。根據(jù)這些假定而得到的推進(jìn)器理論，稱為理想推進(jìn)器理論。

理想推進(jìn)器力學(xué)模型圖3-1二、理想推進(jìn)器的推力和誘導(dǎo)速度應(yīng)用動(dòng)量定理可以求出推進(jìn)器的推力。單位時(shí)間內(nèi)流過推進(jìn)器盤面（面積為A0）的流體質(zhì)量為流入的動(dòng)量為流出的動(dòng)量為故在單位時(shí)間內(nèi)水流獲得的動(dòng)量增值為：根據(jù)動(dòng)量定理，作用在流體上的力等于單位時(shí)間內(nèi)流體動(dòng)量的增量。而流體的反作用力即為推力，故推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力Ti為：伯努利方程適用條件：質(zhì)量只有重力的不可壓縮的理想流體，定常流動(dòng)。沿著同一根流線，流體的動(dòng)能、位勢能和壓強(qiáng)勢能可以相互轉(zhuǎn)變，三者之和保持不變。單位重力流體的動(dòng)能位勢能壓強(qiáng)勢能物理意義沿著同一根流線，流線的速度水頭、位置水頭和壓強(qiáng)水頭之和為常數(shù)。速度水頭位置水頭壓強(qiáng)水頭幾何意義總水頭在盤面遠(yuǎn)前方和緊靠盤面處有下列關(guān)系式：即：而在盤面遠(yuǎn)后方和緊靠盤面處有：即：伯努利方程的應(yīng)用推力Ti的另一種表達(dá)形式為：

由上式可知，在理想推進(jìn)器盤面處的速度增量為全部增量的一半。水流速度的增量ua1及ua稱為軸向誘導(dǎo)速度。三、理想推進(jìn)器的效率

有效功率為TiVA

單位時(shí)間內(nèi)損失的能量(即單位時(shí)間內(nèi)尾流所取得的能量)為：推進(jìn)器消耗的功率為：

理想推進(jìn)器的效率ηiA為：：推進(jìn)器的載荷系數(shù)理想推進(jìn)器的效率還可用另外的形式來表達(dá)，根據(jù)(3-5)式解ua的二次方程可得：

下圖表示ηiA與載荷系數(shù)之間的關(guān)系曲線。§3-2理想螺旋槳理論理想推進(jìn)器：吸收外來功率并產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度。理想螺旋槳：利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來吸收主機(jī)功率。一、旋轉(zhuǎn)力與周向誘導(dǎo)速度的關(guān)系

單位時(shí)間內(nèi)流過此圓環(huán)的流體質(zhì)量：單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量矩的增量：槳盤緊前方的動(dòng)量矩：槳盤緊后方的動(dòng)量矩：槳盤緊后方的周向誘導(dǎo)速度。根據(jù)動(dòng)量矩定理：流體在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)流管兩截面的動(dòng)量矩增量等于作用在流管上的力矩。作用在流體上的力矩：其中，作用在流體上的旋轉(zhuǎn)力

槳盤緊后方的周向誘導(dǎo)速度。

槳盤遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度。根據(jù)動(dòng)能定理可知，質(zhì)量為dm的流體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的改變應(yīng)等于旋轉(zhuǎn)力dFi在單位時(shí)間內(nèi)所作的功，即

表明：螺旋槳盤面處的周向誘導(dǎo)速度等于盤面后任一截面處（包括遠(yuǎn)后方）的周向誘導(dǎo)速度的一半。

槳盤處的周向誘導(dǎo)速度。二、誘導(dǎo)速度的正交性吸收的功率消耗的功率誘導(dǎo)速度un垂直于合速VR。三、理想螺旋槳的效率--理想推進(jìn)器效率／理想螺旋槳的軸向誘導(dǎo)效率。--理想螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率?！?-3作用在槳葉上的力和力矩一、速度多角形

螺旋槳在操作時(shí)周圍的水流情況可簡要地描述如下：軸向誘導(dǎo)速度自槳盤遠(yuǎn)前方的零值起逐漸增加，至槳盤遠(yuǎn)后方處達(dá)最大值，而在盤面處的軸向誘導(dǎo)速度等于遠(yuǎn)后方處的一半。周向誘導(dǎo)速度在槳盤前并不存在，而在槳盤后立即達(dá)到最大值，槳盤處的周向誘導(dǎo)速度是后方的一半。

在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，軸向誘導(dǎo)速度的方向與螺旋槳的前進(jìn)方向相反，而周向誘導(dǎo)速度的方向與螺旋槳的轉(zhuǎn)向相同。經(jīng)過運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換以后，葉元體即變?yōu)楣潭ú粍?dòng)，軸向誘導(dǎo)速度ua/2的方向與迎面水流的軸向速度VA相同，而周向誘導(dǎo)速度ut/2的方向則與圓周速度U相反。

圖3-6二、作用在機(jī)翼上的升力和阻力

將一給定形狀的機(jī)翼置于均勻流速u的來流中。給定機(jī)翼沖角，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相垂直的升力

L

外，尚有與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力

D。

從茹柯夫斯基升力公式可知，dy段機(jī)翼所受的升力dL垂直于來流VR，其大小為：dL=ρV

RΓ(y)dy

三、螺旋槳的作用力

dT=dLa－dDa=dLcosβi－dDsinβidF=dLt+

dDt=dLsinβi+dDcosβi圖3-10dT=dLa-dDa=dLcosβi-dDsinβi

dF=dLt+dDt=dLsinβi+dDcosβi

dL=ρVRΓ（r）dr

dD=εdL（ε

葉元體的阻升比）

dT=ρΓ（r）VRcosβi（1-εtgβi）dr

dQ=ρΓ（r）VRsinβi（1+εctgβi）rdr

從前圖可得到如下關(guān)系式：

dT=ρΓ（r）（ωr–ut）（1-εtgβi）dr

dQ=ρΓ（r）（VA

+ua）（1+εctgβi）rdr將(3-30)式沿半徑方向從槳轂至葉梢進(jìn)行積分并乘以葉數(shù)Z以后，便可得到整個(gè)螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩，即T=ZρΓ(r)(ωr-ut)(1-εtgβi)drQ=ZρΓ(r)(VA

+ua)(1+)rdr

當(dāng)螺旋槳以進(jìn)速VA和轉(zhuǎn)速n進(jìn)行工作時(shí)，必須吸收主機(jī)所供給的轉(zhuǎn)矩Q才能發(fā)出推力T，其所作的有用功率為TVA，而吸收的功率為2πnQ，故螺旋槳的效率為：η0=§3-4

螺旋槳的水動(dòng)力性能

所謂螺旋槳的水動(dòng)力性能是指：一定幾何形體的螺旋槳在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的推力、消耗的轉(zhuǎn)矩和效率與其運(yùn)動(dòng)（進(jìn)速VA和轉(zhuǎn)速n）間的關(guān)系。設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速為n，進(jìn)速為VA，則其旋轉(zhuǎn)一周在軸向所前進(jìn)的距離hp

=VA

/n稱為進(jìn)程。

螺距和進(jìn)程hp之差（P－h(huán)p）稱為滑脫。圖3-1l滑脫與螺距的比值稱為滑脫比并以S來表示。S==1-=1-

進(jìn)程hp與螺旋槳直徑D的比值稱為進(jìn)速系數(shù)，以J來表示。J==

由上述兩式，可得進(jìn)速系數(shù)J與滑脫比S

之間的關(guān)系為：J=(1-S)

進(jìn)速系數(shù)J的變化對(duì)螺旋槳性能的影響

螺旋槳在不發(fā)生推力時(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無推力進(jìn)程或?qū)嵭菥?，并以P1來表示。螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力時(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無轉(zhuǎn)矩進(jìn)程或無轉(zhuǎn)距螺距，并以P2表示。

對(duì)于一定的螺旋槳而言，顯然P2＞P1＞P。船舶在航行時(shí)，螺旋槳必須產(chǎn)生向前的推力以克服船之阻力，才能使船以一定的速度前進(jìn)，故螺旋槳在實(shí)際操作時(shí)，其每轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離hp小于實(shí)效螺距P1。實(shí)效螺距P1與進(jìn)程hp之差(P1-hp)稱為實(shí)效滑脫，其與實(shí)效螺距P1的比值稱為實(shí)效滑脫比，以S1來表示，即

S1==1-=1-

圖3-13根據(jù)因次分析，螺旋槳的推力及轉(zhuǎn)矩可用下列無因次系數(shù)來表示，即推力系數(shù)KT

=轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ

=

螺旋槳效率η0

=

KT

、KQ

、η0對(duì)J之曲線稱為螺旋槳的性征曲線，又

為我們所討論的是孤立螺旋槳(即未考慮船體的影響)的

性能，所以稱為螺旋槳的敞水性征曲線。

螺旋槳的空泡現(xiàn)象

概述螺旋槳的空泡現(xiàn)象，從19世紀(jì)末就引起了造船界的注意。1894年，“勇敢”號(hào)小型驅(qū)逐艦：轉(zhuǎn)速比額定低1.54%；主機(jī)總功率比額定低7.5%；航速只有24節(jié)（設(shè)計(jì)27節(jié)）盤面比增加45%最后修改方案？原因：空泡船舶發(fā)展存在著二種趨勢高轉(zhuǎn)速和大功率：軍用船舶(如高速艇等)主機(jī)，并將高速主機(jī)與螺旋槳直接相連。這類船的螺旋槳上空泡往往在所難免，因而促進(jìn)了所謂空泡螺旋槳或全空泡螺旋槳的研究和發(fā)展。

船舶大型化和高功率：由于螺旋槳負(fù)荷不斷增加，尾部流場的不均勻性使螺旋槳上產(chǎn)生時(shí)生時(shí)滅的空泡，導(dǎo)致槳葉剝蝕損傷，而且往往伴有強(qiáng)烈的尾部振動(dòng)?！?-1槳葉表面產(chǎn)生空泡的原因螺旋槳在水中工作時(shí)，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界值以下時(shí)，導(dǎo)致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面，進(jìn)入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱為空泡。一般認(rèn)為，壓力的臨界值即為該溫度時(shí)水的汽化壓力pv

(或稱飽和蒸汽壓力)。

A點(diǎn):B點(diǎn):用伯努利方程確定A、B兩點(diǎn)處壓力及速度之間的關(guān)系，即A點(diǎn)B點(diǎn)ξ:減壓系數(shù)

減壓系數(shù)ξ只與該處流速Vb對(duì)來流速度V0的比值(Vb／V0)有關(guān)。故在繞流條件下減壓系數(shù)ξ隨切面形狀、入射角αK及B點(diǎn)的位置而變，與來流速度V0的大小無關(guān)。若切面上某處（B點(diǎn)）之ξ<0，則表示該處壓力增高(即大于p0)，若ξ>0，則為壓力降低。通常認(rèn)為，當(dāng)B點(diǎn)的壓力降至該水溫下的汽化壓力(或稱飽和蒸汽壓力)pv時(shí)，B點(diǎn)處即開始出現(xiàn)空泡。故B點(diǎn)產(chǎn)生空泡的條件：pb

≤pv令若切面上B點(diǎn)處的減壓系數(shù)ξ≥σ，則pb≤pv，B處即產(chǎn)生空泡。反之，當(dāng)B點(diǎn)處的ξ＜σ，則pb＞pv，即不產(chǎn)生空泡。因此，B點(diǎn)產(chǎn)生空泡的條件也可寫成：ξ≥σ空泡數(shù)綜上所述，根據(jù)槳葉上某處的減壓系數(shù)ξ與空泡數(shù)σ的比較，可以判斷該處是否發(fā)生空泡，其判斷的準(zhǔn)則是：當(dāng)ξ≥σ，有空泡當(dāng)ξ＜σ，無空泡空泡數(shù)σ與來流速度V0、水的汽化壓力pv及靜壓力p0有關(guān)，而與槳葉切面的幾何特征無關(guān)。

減壓系數(shù)ξ只與該處流速Vb對(duì)來流速度V0的比值(Vb／V0)有關(guān)。故在繞流條件下減壓系數(shù)ξ隨切面形狀、入射角αK及B點(diǎn)的位置而變，與來流速度V0的大小無關(guān)。影響因素不同切面的最大減壓系數(shù)ξ不同切面的最大減壓系數(shù)ξ不發(fā)生空泡的極限條件：ξmax=σVk:不發(fā)生空泡的極限速度近年來對(duì)空泡機(jī)理的研究表明所謂氣化空泡是指原溶解于水中的氣體，由于降壓或過飽和，以擴(kuò)散的方式通過界面逸到存在于水里的氣核中并成長到肉眼能見的程度；所謂汽化空泡是指液體分子因降壓到所謂飽和蒸汽壓力導(dǎo)致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面，進(jìn)入氣核并使之膨脹；所謂似是空泡是指原來以各種方式存在于水中的氣核，雖然沒有任何水汽或氣體逸入，但當(dāng)外界壓力降低時(shí)，它本身也會(huì)膨脹到肉眼可見的程度。

§7-2

葉切面空泡現(xiàn)象及對(duì)水動(dòng)力性能的影響

在研究空泡問題時(shí)，常按空泡對(duì)翼型水動(dòng)力性能影響的不同而分為兩個(gè)階段，即空泡現(xiàn)象的第一階段和第二階段?？张莠F(xiàn)象的第一階段

第一階段空泡現(xiàn)象的特征是：空泡區(qū)域是局部的，對(duì)葉切面的水動(dòng)力性能不發(fā)生明顯影響，但可能在葉表面產(chǎn)生剝蝕。

球狀空泡；局部空泡空泡現(xiàn)象的第二階段

第二階段空泡現(xiàn)象的特征是：空泡區(qū)域已拖到隨邊之外，通常對(duì)葉表面無剝蝕作用；但影響葉切面的水動(dòng)力性能。

片狀空泡（全空泡）水動(dòng)力特性與空泡數(shù)的關(guān)系對(duì)任一切面來說，空泡出現(xiàn)的部位取決于空泡數(shù)σ和攻角α的大小。

葉切面的空泡斗

§7-3

空泡現(xiàn)象及對(duì)水動(dòng)力性能的影響一、螺旋槳的空泡現(xiàn)象1．渦空泡2．泡狀空泡3．片狀空泡4．云霧狀空泡

二、空泡對(duì)螺旋槳性能的影響

第一階段空泡

對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能不發(fā)生影響，但使葉表面產(chǎn)生剝蝕；

第二階段空泡

對(duì)槳葉表面無剝蝕作用，但影響螺旋槳的水動(dòng)力性能。三、延緩螺旋槳空泡發(fā)生的措施

發(fā)生空泡的條件為：ξ

≥σ

ξ與σ是由兩組互不相關(guān)的參數(shù)所決定，因此，為了避免或減緩空泡的發(fā)生，我們應(yīng)盡量設(shè)法減小減壓系數(shù)ξ或提高空泡數(shù)σ。

一般常采取下列措施以避免或減輕螺旋槳的空泡。1．從降低最大減壓系數(shù)ξmax著手①增加螺旋槳的盤面比，以減低單位面積上的平均推力，使葉背上ξ值下降。②采用弓型切面或壓力分布較均勻的其他切面形式。③減小葉根附近切面的螺距。2．從提高螺旋槳的空泡數(shù)σ著手

①在條件許可的情況下，盡量增加螺旋槳的浸沒深度，以增大空泡數(shù)σ。②減小螺旋槳轉(zhuǎn)速，即盡可能選用低轉(zhuǎn)速的主機(jī)。

此外，提高槳葉的加工精度，使表面光滑平整以避免水流的局部突變；改善船尾部分的形狀與正確安置槳軸位置可減小斜流及伴流不均勻性的影響等，上述措施對(duì)避免空泡都是有利。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展以及國防建設(shè)的需要，要求艦船的速度迅速提高，尤其是高速軍艦，往往螺旋槳的空泡在所難免，針對(duì)這種情況一般可作如下處理：①允許槳葉上有部分空泡存在，在使用過程中根據(jù)其剝蝕情況予以調(diào)換。②速度再高時(shí)，干脆設(shè)法促使其在第二階段空泡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，即所謂全空泡(或稱超空泡)螺旋槳的設(shè)計(jì)問題。四、螺旋槳模型的空泡試驗(yàn)

1、相似定理

螺旋槳及其模型滿足空泡相似的條件為：

在滿足空泡數(shù)相等時(shí)實(shí)槳及其槳模的進(jìn)速應(yīng)相同，即若同時(shí)滿足進(jìn)速系數(shù)及空泡數(shù)相等，則實(shí)槳及其槳模轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系應(yīng)為：

由上述分析可知，若在敞露的水池中進(jìn)行空泡試驗(yàn)，則必須拖車的速度與實(shí)槳的進(jìn)速相等，槳模的轉(zhuǎn)速應(yīng)為實(shí)槳的λ倍，此外，槳模的沉沒深度尚需與實(shí)槳相同。上述條件實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的。為此,就必須采取某種特殊的裝置來進(jìn)行螺旋槳模型的空泡試驗(yàn)，例如空泡試驗(yàn)筒或減壓水池。

P0m-PVm2、空泡試驗(yàn)筒概述

3、試驗(yàn)方法及測量數(shù)據(jù)的表達(dá)通常將模型分別在不同空泡數(shù)及大氣壓力情況下(相當(dāng)于敞水情況)進(jìn)行試驗(yàn)，以便分析空泡對(duì)于螺旋槳性能的影響。

§7-4空泡性能校驗(yàn)

在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)應(yīng)考慮其是否發(fā)生空泡或空泡的發(fā)展程度，故需進(jìn)行空泡現(xiàn)象的預(yù)測，以便確定所設(shè)計(jì)的螺旋槳是否合乎要求。避免槳葉上出現(xiàn)空泡乃是螺旋槳設(shè)計(jì)中所需考慮的重要環(huán)節(jié)之一：一旦槳葉上出現(xiàn)空泡，或?qū)е聵~表面材料剝蝕，或使螺旋槳性能惡化。目前常使用螺旋槳模型空泡試驗(yàn)或大量實(shí)船資料整理所得的圖譜，或由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)歸納而成的近似公式進(jìn)行空泡校核。

一、柏利爾限界線

柏利爾根據(jù)各類船舶螺旋槳的統(tǒng)計(jì)資料，提出校核空泡的限界線如下圖所示。圖中以0.7R處切面的空泡數(shù)σ0.7R為橫坐標(biāo)，單位投射面積上的平均推力系數(shù)τc為縱坐標(biāo)。

柏利爾限界線、瓦根寧根限界線

螺旋槳空泡校核建議①采用柏利爾的商船限界線；②對(duì)于大馬力船舶，一般據(jù)瓦根寧根水池限界線所得出的展開面積再加5～10%的裕度；③采用下圖所示空泡限界線(此圖由日本橫尾幸一和矢崎敦生在《中小型船舶螺旋槳設(shè)計(jì)方法及參考圖表集》中提供，實(shí)際上是據(jù)柏利爾的商船限界線整理而成，但較清晰，便于應(yīng)用。1AE/A0——

選定9σ0.7R=p0/(1/2ρV20.7R)2P0=pa+γhs10查圖7-223VA=0.515（１-ω）V11推力T4VA212需要投射面積Ap50.7πND/6013需要展開面積AE6(0.7πND/60)214A0=πD2/47VA2+(0.7πND/60)215需要盤面比AE/A081/2ρV20.7R校核步驟螺旋槳的噪聲和諧鳴現(xiàn)象螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)形成汽泡或氣泡，它們的形成和消失都使流體產(chǎn)生微振動(dòng)，因而發(fā)出噪聲。螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)出為人的聽覺所能接收之聲調(diào)稱為“諧鳴”。針對(duì)鳴音的發(fā)生原因，可采用下列方法予以防止：①加厚法；②減薄法；③特殊構(gòu)造法

螺旋槳的強(qiáng)度校核

為了船舶的安全航行，必須保證螺旋槳具有足夠的強(qiáng)度，使其在正常航行狀態(tài)下不致破損或斷裂。

在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和確定槳葉的厚度分布。

螺旋槳受力情況螺旋槳工作時(shí)作用在槳葉上的流體動(dòng)力有軸向的推力及與轉(zhuǎn)向相反的阻力，兩者都使槳葉產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉本身的質(zhì)量產(chǎn)生徑向的離心力，使槳葉受到拉伸，若槳葉具有側(cè)斜或縱斜，則離心力還要使槳葉產(chǎn)生彎曲。槳葉上也可能受到意外的突然負(fù)荷，例如：碰擊冰塊或其他飄浮物體等。螺旋槳處于不均勻的尾流場中工作，使槳葉受力產(chǎn)生周期性變化，故較難精確地算出作用在槳葉上的外力。螺旋槳的強(qiáng)度計(jì)算近似方法把槳葉看作是扭曲的、變截面的懸臂梁，而且其橫截面是非對(duì)稱的，故計(jì)算較為復(fù)雜，即使能正確地求得槳葉上的作用力，要精確地進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算也是很困難的。對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)荷(即計(jì)及伴流不均勻性影響)下螺旋槳的強(qiáng)度計(jì)算方法雖然有所發(fā)展，但計(jì)算繁復(fù)，付之實(shí)用還為時(shí)尚早。《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》，中國船級(jí)社，2001年?！?-1

規(guī)范校核法《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》，中國船級(jí)社，2001年。為了船舶的安全航行，必須保證螺旋槳具有足夠的強(qiáng)度，使其在正常航行狀態(tài)下不致破損或斷裂。為此，在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和確定槳葉的厚度分布。

螺旋槳槳葉厚度t(定距螺旋槳為0.25R和0.6R切面處，可調(diào)螺距槳為0.35R和0.6R切面處)不得小于按下式計(jì)算所得之值：Y——

功率系數(shù)；K——

材料系數(shù)；X——

轉(zhuǎn)速系數(shù)。

Y——

功率系數(shù)：K——

材料系數(shù)：X——

轉(zhuǎn)速系數(shù)：

表8-1計(jì)算實(shí)例某35000t散裝貨船，船長LPP=185m，型寬B=28.4m，設(shè)計(jì)吃水d=11.0m，方形系數(shù)CB=0.821。主機(jī)額定功率Ne=11100hp，轉(zhuǎn)速n=124rpm，按MAU型四葉螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜求得：螺旋槳的直徑D=5.6m，螺距比P/D=0.7，敞水效率η0=0.521，盤面比AE/A0＝0.586，航速V=14.68kn。槳葉的縱斜角ε=10o，螺旋槳的材料為ZQALl2-8-3-2，其重量密度為G=7.4gf／cm3?，F(xiàn)要求按《規(guī)范》進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)已知條件可算出：

0.7R切面處的螺距P0.7=3.92m，0.25R及0.6R處切面的弦長為：

計(jì)算結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目單位0.25R0.6R1槳葉寬度bm1.3421.84220.7R處D/P0.71.42861.42863D/P1.42861.428642405.8860.6951392.861184.29640118.810451.270.30380.18818〈規(guī)范〉要求mm211.6101.69標(biāo)準(zhǔn)槳葉切面厚度mm214.2122.1結(jié)論由表8-3的計(jì)算結(jié)果可見，滿足《規(guī)范》要求的最小厚度為：t0.25R

＝211.6mmt0.6R

＝101.6mm而標(biāo)準(zhǔn)槳在相應(yīng)半徑處切面的厚度為:tn0.25R

=214.2mmtn0.6R

=122.1mm大于《規(guī)范》的要求。若采用標(biāo)準(zhǔn)槳的厚度及其分布，則可以滿足強(qiáng)度的要求，且略有裕度?！?-3槳葉厚度的徑向分布一、槳葉的葉梢厚度（1）一般螺旋槳葉梢厚度可由圖8-5據(jù)直徑D查得。（2）也可采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式來確定：當(dāng)螺旋槳直徑D＜3.0m時(shí)，取t′=0.0045D當(dāng)螺旋槳直徑D≥3.0m時(shí)，取t′=0.0035D

二、槳葉厚度的徑向分布

1．線性分布t′與0.25R(或0.35R)處槳葉厚度用同一比例畫在圖上并連成直線，即可量得不同半徑處的槳葉厚度2．非線性分布t′與0.25R(或0.35R)及0.6R處切面的厚度三個(gè)點(diǎn)在圖上按同樣比例標(biāo)出，通過三點(diǎn)連成光順曲線，即可得到各不同半徑處槳葉厚度。3．荷蘭船模試驗(yàn)池建議的厚度分布§8-4

螺距修正

螺旋槳設(shè)計(jì)中，有些參數(shù)往往與所用系列螺旋槳不同；必須對(duì)設(shè)計(jì)螺旋槳的螺距進(jìn)行修正，使二者性能相同。

1、轂徑比不同對(duì)螺距的修正

2、葉厚分?jǐn)?shù)不同對(duì)螺距的修正

1、轂徑比不同對(duì)螺距的修正2、葉厚比不同對(duì)螺距的修正3、經(jīng)過修正后螺旋槳的螺距

4、螺距修正實(shí)例某船螺旋槳設(shè)計(jì)結(jié)果如下：采用AU型四葉螺旋槳，可達(dá)船速V=11.08kn，伴流分?jǐn)?shù)ω=0.35，轉(zhuǎn)速N＝260rpm，螺旋槳直徑D=2.57