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(chǎng)中的水動(dòng)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(shí)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(gè)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(chǎng)和螺旋槳所形成的速度場(chǎng)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(pán)處的水流速度及其分布情況與敞水者不同，而船體周?chē)乃魉俣确植技皦毫Ψ植际苈菪龢挠绊懸才c孤立的船體不同。因此，船后螺旋槳與水流的相對(duì)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(lái)，正是研究螺旋槳和船體相互影響的目的。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，應(yīng)把船體與螺旋槳作為統(tǒng)一的整體來(lái)考慮。近年來(lái)也確有一些學(xué)者從事這方面的研究，但由于問(wèn)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(lái)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(chǎng)中單獨(dú)工作，而船體位于螺旋槳所影響的水流中運(yùn)動(dòng)。這樣就可以把孤立螺旋槳和孤立船體相聯(lián)系起來(lái)，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(gè)系統(tǒng)。 5-1 船體對(duì)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(shí)，附近的水受到船體的影響而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其表現(xiàn)為船體周?chē)殡S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(duì)速度和船速不同，在船舶推進(jìn)中，所感興趣的問(wèn)題是船體對(duì)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(pán)處的伴流。 船后伴流的速度場(chǎng)是很復(fù)雜的，它在螺旋槳盤(pán)面各點(diǎn)處的大小和方向是不同的。一般來(lái)說(shuō)，伴流速度場(chǎng)可以用相對(duì)于螺旋槳的軸向速度，周向或切向速度和徑向速度三個(gè)分量來(lái)表示。測(cè)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(wèn)題中，?？刹挥杩紤]。因此，在本書(shū)中如無(wú)特別說(shuō)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?chē)牧骶€運(yùn)動(dòng)：船在水中以速度 v 向前航行時(shí)， 船體周?chē)鞯牧骶€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(shì)伴流或勢(shì)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(shì)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(dòng)時(shí)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)暮穸龋c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(shí)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(duì)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(shì)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(pán)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(shí)，常取盤(pán)面處伴流的平均軸向速度近似地估計(jì)槳盤(pán)處的速度場(chǎng)。若船速為 v，槳盤(pán)處伴流的平均軸向速度為 u，則螺旋槳與該處水流的相對(duì)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(xiě)成 u up uf uw 5-2式中 up 槳盤(pán)處形勢(shì)伴流的軸向平均速度； uf 槳盤(pán)處摩擦伴流的軸向平均速度； uw 槳盤(pán)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(duì)船速 v 的比值 來(lái)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(xiě)作： pfw 5-5式中 p 形勢(shì)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(yú)類快艇 0.000.04 三、伴流的測(cè)定 伴流的大小一般系用試驗(yàn)方法求得，因測(cè)量的方法不同可分為標(biāo)稱伴流和實(shí)效伴流兩種。在未裝螺旋槳之船模或?qū)嵈竺?，用各種流速儀測(cè)定螺旋槳盤(pán)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(cè)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(shí)，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(lái)計(jì)算螺旋槳進(jìn)速比較合理，故通常說(shuō)的伴流 分?jǐn)?shù)均指實(shí)

9、效伴流分?jǐn)?shù)。 1測(cè)量標(biāo)稱伴流的方法 現(xiàn)時(shí)測(cè)量船?；?qū)嵈瑯?biāo)稱伴流場(chǎng)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(cè)量伴流時(shí)畢托耙安裝在船模尾部的情況。 為了測(cè)得整個(gè)槳盤(pán)面處的速度場(chǎng)，畢托耙需在 360范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試角度的間隔一般為 10。 由此我們可以測(cè)得槳盤(pán)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?；?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(pán)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(pán)面上伴流的等值曲線， 圖該圖完整地表示了槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)，其變化的大小表示整個(gè)槳盤(pán)處伴流的不均勻程度。 根據(jù)測(cè)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(gè)盤(pán)面上除去槳轂部分的平均伴流，在計(jì)算時(shí)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(gè)盤(pán)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(guò)去曾有人用葉輪伴流儀或環(huán)形伴流儀量取槳盤(pán)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(lái)已有用激光測(cè)速儀量取船模的伴流場(chǎng)，由于儀器本身比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用尚不普遍。 2測(cè)量實(shí)效伴流的方法 當(dāng)船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，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(cè)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(shí)，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(cè)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(shí)發(fā)生相同的推力，故稱為等推力法，但此時(shí) q0 qb。 若螺旋槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)時(shí)，保持轉(zhuǎn)速 n 不變，調(diào)節(jié)進(jìn)速直至 q0qb 時(shí)，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(shí) 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(lái)測(cè)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(cè)得的伴流分?jǐn)?shù)有一定的差異。一般說(shuō)來(lái)，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(shí)，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(pán)處伴流的不均勻。船后槳盤(pán)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(pán)面上的分布也是不均勻的。因而以平均伴流

14、來(lái)估計(jì)船后螺旋槳的速度場(chǎng)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(duì)船后情況說(shuō)來(lái)，進(jìn)速為船速與平均伴流速度之差相同時(shí)，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(dòng)狀態(tài)不同。螺旋槳在敞水中工作時(shí)，盤(pán)面上各處的進(jìn)速都相同，而在船后工作時(shí)，?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(cè)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(duì)推力的影響系數(shù)；i2 b 為伴流不均勻性對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響系數(shù)； t0 q0 i1i 為伴流不均勻性對(duì)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(lái)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(duì)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(duì)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(lái)表示，則 vav1-。2伴流不均勻性的影響，即相對(duì)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(duì)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(shí)，由于它的抽吸作用，使槳盤(pán)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(gè)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?chē)膲毫Ψ植记?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(shí)槳盤(pán)前后的壓力分布曲線。螺旋槳在船后工作時(shí)船體周?chē)膲毫Ψ植紶顩r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(shí)壓力沿船體周?chē)姆植记闆r，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(shí)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(shí)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(jiàn)，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