船舶阻力與推進(jìn) 第五章 螺旋槳與船體間的相互作用

1、第五章 螺旋槳與船體間的相互作用 在上面各章中，我們只討論了孤立螺旋槳在敞水中或稱在均勻流場中的水動力性能，而在“船舶阻力”課程中也只研究了孤立船體即不帶螺旋槳在靜水中航行時所遭受的阻力。實(shí)際螺旋槳是在船后工作的，螺旋槳和船體成為一個系統(tǒng)，兩者之間必然存在相互作用。這種相互作用表現(xiàn)為船體所形成的速度場和螺旋槳所形成的速度場之間的相互影響。在船后工作的螺旋槳因受到船體的影響，故進(jìn)入槳盤處的水流速度及其分布情況與敞水者不同，而船體周圍的水流速度分布及壓力分布受螺旋槳的影響也與孤立的船體不同。因此，船后螺旋槳與水流的相對速度不等于船速，螺旋槳發(fā)出的推力也不等于孤立船體所遭受的阻力。 如何把孤立螺旋槳

2、和孤立船體聯(lián)系起來，正是研究螺旋槳和船體相互影響的目的。嚴(yán)格說來，應(yīng)把船體與螺旋槳作為統(tǒng)一的整體來考慮。近年來也確有一些學(xué)者從事這方面的研究，但由于問題相當(dāng)復(fù)雜，未能付諸實(shí)用。所以，目前仍采用近似方法來解決，即分別研究船體和螺旋槳的單獨(dú)性能，然后再近似地考慮兩者之間的相互影響。這種近似方法的實(shí)質(zhì)是：把船體和螺旋槳仍然看作是孤立的，即認(rèn)為螺旋槳是在船后流場中單獨(dú)工作，而船體位于螺旋槳所影響的水流中運(yùn)動。這樣就可以把孤立螺旋槳和孤立船體相聯(lián)系起來，亦即考慮到上述情況以后，可以把螺旋槳敞水試驗(yàn)的結(jié)果和船模阻力試驗(yàn)的結(jié)果用之于船體-螺旋槳的整個系統(tǒng)。 5-1 船體對螺旋槳的影響-伴流 一、伴流的成因和

3、分類 船在水中以某一速度 v 向前航行時，附近的水受到船體的影響而產(chǎn)生運(yùn)動，其表現(xiàn)為船體周圍伴隨著一股水流，這股水流稱為伴流或跡流。由于伴流的存在，使螺旋槳與其附近水流的相對速度和船速不同，在船舶推進(jìn)中，所感興趣的問題是船體對螺旋槳的影響，故通常所指的伴流即為船尾裝螺旋槳處即漿盤處的伴流。 船后伴流的速度場是很復(fù)雜的，它在螺旋槳盤面各點(diǎn)處的大小和方向是不同的。一般來說，伴流速度場可以用相對于螺旋槳的軸向速度，周向或切向速度和徑向速度三個分量來表示。測量結(jié)果表明，與軸向伴流速度相比較，周向和徑向兩種分量為二階小量，在螺旋槳設(shè)計(jì)問題中，?？刹挥杩紤]。因此，在本書中如無特別說明，所謂伴流均系指軸向伴

4、流。伴流的速度與船速同方向者稱為正伴流，反之則為負(fù)伴流。產(chǎn)生伴流的原固有下列三種： 1船身周圍的流線運(yùn)動：船在水中以速度 v 向前航行時， 船體周圍水流的流線分布情況大致如圖 5-l 所示。首尾處的水流具有向前速度，即產(chǎn)生正伴流，而在舷側(cè)處水流具有向后速度，故為負(fù)伴流。由此而形成的伴流稱為形勢伴流或勢伴流。因流線離船身不遠(yuǎn)處即迅速分散，故在船體略遠(yuǎn)處其作用即不甚顯著，亦即離船體愈遠(yuǎn)，形勢伴流之?dāng)?shù)值愈小。 2水之粘性作用：因水具有粘性，故當(dāng)船在運(yùn)動時沿船體表面形成界層，界層內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)具有向前速度，形成正伴流，通常稱為摩擦伴流。摩擦伴流在緊靠船身處最大，由船身向外急劇減小，離船體不遠(yuǎn)處即迅速消失，但

5、在船后相當(dāng)距離處摩擦伴流依然存在。圖 5-2 表示船身附近的界層或稱摩擦伴流帶，界層（實(shí)際上是尾流）在尾部后具有相當(dāng)?shù)暮穸?，與螺旋槳直徑相差不多，故摩擦伴流常為總伴流中的主要部分。摩擦伴流的大小與船型、表面粗糙度、雷諾數(shù)及螺旋槳的位置等有關(guān)。 摩擦伴流帶 v v 圖 5-1 圖 5-2 3船舶的興波作用：船在航行時水面形成波浪，若螺旋槳附近恰為波峰，則水質(zhì)點(diǎn)具有向前速度，如恰為波谷，則具有向后速度。由于船舶本身興波作用而形成的伴流稱為波浪伴流，其數(shù)值常較前兩者為小。但對于高速雙槳船例如驅(qū)逐艦因其尾部常為波谷，且螺旋槳的位置處于船后兩側(cè)，摩擦伴流和勢伴流較小，故其總伴流可能為負(fù)值。 由伴流之成因

6、可知，伴流是一股很復(fù)雜的水流，在螺旋槳盤面各處伴流速度的大小和方向各不相同。因而，在利用螺旋槳系列敞水圖譜設(shè)計(jì)螺旋槳時，常取盤面處伴流的平均軸向速度近似地估計(jì)槳盤處的速度場。若船速為 v，槳盤處伴流的平均軸向速度為 u，則螺旋槳與該處水流的相對速度即進(jìn)速va 為 va v - u 5-1根據(jù)伴流的成因，可將伴流速度 u 寫成 u up uf uw 5-2式中 up 槳盤處形勢伴流的軸向平均速度； uf 槳盤處摩擦伴流的軸向平均速度； uw 槳盤處波浪伴流的軸向平均速度。 二、伴流分?jǐn)?shù) 伴流的大小通常用伴流速度 u 對船速 v 的比值 來表示， 稱為伴流分?jǐn)?shù)或泰洛伴流分?jǐn)?shù)，即 u v va v

7、1- a 5-3 v v v 若已知伴流分?jǐn)?shù)，則可由下式?jīng)Q定螺旋槳的進(jìn)速： va1-v 5-4根據(jù)伴流的成因，伴流數(shù) 也叫寫作： pfw 5-5式中 p 形勢伴流分?jǐn)?shù)； f 摩擦伴流分?jǐn)?shù)； w 波浪伴流分?jǐn)?shù)。 各類船舶的伴流分?jǐn)?shù)數(shù)值大致如表 5-1 所示。 表 5-1 船 舶 類 型 伴 流 分 數(shù) 船 舶 類 型 伴 流 分 數(shù) 快速船和郵船 0.100.18 輕巡洋艦 0.0350.10 單槳商船（cb0.50.7） 0.200.30 大型驅(qū)巡艦 0.000.10 雙槳商船（cb0.50.7） 0.080.20 驅(qū)逐艦和護(hù)航艦 0.000.03 肥大船（cb 為 0.8 左右） 0.300

8、.40 潛水艇 0.100.25 主力艦及重巡洋艦 0.150.20 魚類快艇 0.000.04 三、伴流的測定 伴流的大小一般系用試驗(yàn)方法求得，因測量的方法不同可分為標(biāo)稱伴流和實(shí)效伴流兩種。在未裝螺旋槳之船?；?qū)嵈竺?，用各種流速儀測定螺旋槳盤面處水流速度，可得標(biāo)稱伴流；根據(jù)船后螺旋槳試驗(yàn)或自航試驗(yàn)結(jié)果與螺旋槳敞水試驗(yàn)結(jié)果比較分析可得實(shí)效伴流。 經(jīng)驗(yàn)證明，上述兩種測量結(jié)果是不同的。其差別在于是否考慮了螺旋槳工作的影響，因?yàn)楫?dāng)船尾有螺旋槳工作時，螺旋槳產(chǎn)生抽吸作用，從而改變了船尾的流線、界層厚度、波形 等。由于螺旋槳在船后工作，以實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)來計(jì)算螺旋槳進(jìn)速比較合理，故通常說的伴流 分?jǐn)?shù)均指實(shí)

9、效伴流分?jǐn)?shù)。 1測量標(biāo)稱伴流的方法 現(xiàn)時測量船?；?qū)嵈瑯?biāo)稱伴流場最常用的儀器是畢托耙。圖 5-3 所示之照片為上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室在測量伴流時畢托耙安裝在船模尾部的情況。 為了測得整個槳盤面處的速度場，畢托耙需在 360范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，測試角度的間隔一般為 10。 由此我們可以測得槳盤面處若干同心圓周上等距離點(diǎn)的水流軸向速度圖 5-4a，此速度即為螺旋槳在該點(diǎn)的 “局部進(jìn)速”var，由船模或?qū)嵈俣葴p去 var，便可得到伴流速度 ur，。圖 5-4b為某單螺旋槳船槳盤面上不同半徑處伴流分?jǐn)?shù)在圓周方向的分布曲線，在某一半徑處伴流分?jǐn)?shù)分布曲線變化的大小表示該半徑處伴流沿周向的不均勻程度。 5

10、-4c為盤面上伴流的等值曲線， 圖該圖完整地表示了槳盤面處的伴流場，其變化的大小表示整個槳盤處伴流的不均勻程度。 根據(jù)測量結(jié)果，即可求得各半徑處圓周上的平均伴 圖 5-3流及整個盤面上除去槳轂部分的平均伴流，在計(jì)算時一般可用體積積分法。例如半徑為 r 圓周上的平均伴流分?jǐn)?shù)為： 2 r r d 1 2 r 0 2 r r d 5-6 2 0 r d 0整個盤面上的平均伴流分?jǐn)?shù)為： 2 r 0 rh r r d r d 5-7 2 r 0 rh r dr d式中，r 為螺旋槳半徑， rh 為槳轂半徑。 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 cm 0.5 0.8 r 2 0.4 0.3 3 0.2

11、 0.6 3 5 7 9 11cm / 2 4 1 8 0.1 5 9 0.4 10 6 11cm 7 0.2 0 0 /4 /2 3 / 4 a b c 圖 5-4 過去曾有人用葉輪伴流儀或環(huán)形伴流儀量取槳盤面上各半徑處伴流在圓周方向的平均值，但此類儀器目前已極少使用。近年來已有用激光測速儀量取船模的伴流場，由于儀器本身比較復(fù)雜，價格昂貴，使用尚不普遍。 2測量實(shí)效伴流的方法 當(dāng)船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速一定時，伴流的大小直接決定螺旋槳的進(jìn)速，因而決定螺旋槳所發(fā)生之推力及吸收之轉(zhuǎn)矩，故根據(jù)螺旋槳的推力或轉(zhuǎn)矩亦可測定伴流。 參閱圖 5-5，首先在船模后試驗(yàn)螺旋槳，量出船模速度 v 及螺旋槳的轉(zhuǎn)速 n、

12、推力 tb、轉(zhuǎn)矩 qb。然后，將螺旋槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)，保持轉(zhuǎn)速 n 不變，調(diào)節(jié)進(jìn)速直到發(fā)出之推力等于上述tb 值時，量取其進(jìn)速 va 及轉(zhuǎn)矩 q0，則 uv-va 即為實(shí)效伴流速度。 tb qb v tb q0 va n n a b 圖 5-5 上述測定實(shí)效伴流的方法系使螺旋槳在船后與敞水中于同一轉(zhuǎn)速時發(fā)生相同的推力，故稱為等推力法，但此時 q0 qb。 若螺旋槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)時，保持轉(zhuǎn)速 n 不變，調(diào)節(jié)進(jìn)速直至 q0qb 時，量取其進(jìn)速 va及推力 t0，則得 u1v-va，也為實(shí)效伴流速度。這種方法稱為等轉(zhuǎn)矩方法，但此時 t0 tb。用等推力法得到的實(shí)效伴流 u 與等轉(zhuǎn)矩法得到的實(shí)效伴流 u1

13、 是不相等的。等推力法是目前為大家廣泛采用的方法。 除上述方法外，還可以用船模自航試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)來測定實(shí)效伴流，這將在第六章中再討論。 大量試驗(yàn)資料表明，用各種方法測得的伴流分?jǐn)?shù)有一定的差異。一般說來，以等推力法所得到的實(shí)效伴流較等轉(zhuǎn)矩法所得者約大 4。至于標(biāo)稱伴流與實(shí)效伴流之間的大小視方形系數(shù) cb 之大小有所不同。 四、伴流不均勻性的影響 在上面的討論中，已經(jīng)提到用等推力法決定實(shí)效伴流時，q0 qb，用等轉(zhuǎn)矩法決定實(shí)效伴流，則 t0 tb。引起這種差別的原因是由于船后槳盤處伴流的不均勻。船后槳盤處各點(diǎn)的伴流速度包括大小和方向是不同的，伴流的軸向速度在盤面上的分布也是不均勻的。因而以平均伴流

14、來估計(jì)船后螺旋槳的速度場是近似的。如果把同一螺旋槳分別在敞水中和船后進(jìn)行試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速和進(jìn)速對船后情況說來，進(jìn)速為船速與平均伴流速度之差相同時，兩者的推力和轉(zhuǎn)矩是不同的，引起這種差別的原因在于兩者之流動狀態(tài)不同。螺旋槳在敞水中工作時，盤面上各處的進(jìn)速都相同，而在船后工作時，?堂嬪細(xì)鞔木植拷儼煌試諭喚儐凳保秸叩耐屏妥夭煌繅源鹵輟?”者表示敞水中測得的數(shù)值，帶下標(biāo)“b”表示船后相應(yīng)的數(shù)值，則： t q i1 b 為伴流不均勻性對推力的影響系數(shù)；i2 b 為伴流不均勻性對轉(zhuǎn)矩的影響系數(shù)； t0 q0 i1i 為伴流不均勻性對效率的影響系數(shù)，表示在同一進(jìn)速系數(shù)下敞水螺旋槳效率 0 和船后螺 i2旋槳效率

15、 b 之間的關(guān)系。即 b tbva 2 nqb tb q0 i1 0 t0va 2 nq0 t0 qb i2 或 i1 b 0 5-8 i2 如前所述，目前廣為采用的是以等推力法來確定實(shí)效伴流，故 t0tb，而 q0 qb，亦即 qi11.0，而 i2 b 或 q0 1 b 0 r 0 5-9 i2 1式中， r 稱為相對旋轉(zhuǎn)效率。 i2 綜上所述，在用等推力法確定實(shí)效伴流的情況下，船體對螺旋槳的影響可歸結(jié)為：1平均實(shí)效伴流速度 u，據(jù)此可以建立螺旋槳進(jìn)速 va 與船速 v 之間的關(guān)系，即 vav- u，如以伴流分?jǐn)?shù) 來表示，則 vav1-。2伴流不均勻性的影響，即相對旋轉(zhuǎn)效率 r ，據(jù)此可以

16、建立敞水螺旋槳和船后螺旋槳轉(zhuǎn)矩或效率之間的關(guān)系。 5-2 螺旋槳對船體的影響-推力減額 一、推力減額的成因 螺旋槳在船后工作時，由于它的抽吸作用，使槳盤前方的水流速度增大。根據(jù)伯努利定理，水流速度增大壓力必然下降，故在螺旋槳吸水作用所及的整個區(qū)域內(nèi)壓力都要降低，其結(jié)果改變了船尾部分的壓力分布狀況。參閱圖 5-6，曲線 a 表示孤立船體周圍的壓力分布曲 p -p 0 1v 2 2 a c a 0 b - 圖 5-6線，曲線 b 為螺旋槳在敞水中工作時槳盤前后的壓力分布曲線。螺旋槳在船后工作時船體周圍的壓力分布狀況可近似地認(rèn)為是上述兩種壓力的迭加，故圖中曲線 c 即表示螺旋槳在船后工作時壓力沿船體周圍的分布情況，其陰影部分即為壓力減小的數(shù)值，導(dǎo)致船體壓阻力增加。此外，船尾部水流速度的增大，使摩擦阻力也有所增加，但其數(shù)值遠(yuǎn)較壓阻力的增加為小。 由于螺旋槳在船后工作時引起的船體附加阻力稱為阻力增額。若螺旋槳發(fā)出的推力為 t，則其中一部分用于克服船的阻力 r不帶螺旋槳時的阻力，而另一部分則為克服阻力增額 r ，即 tr r 5-10 由5-10式可見，螺旋槳發(fā)出的推力中只有t- r 這一部分是用于克服阻力 r 并推船