螺旋桨敞水试验
1.试验目的
(1)对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定实际螺旋桨的水动力性能。 (2)通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种几何要素对水动力性能的影 响。 (3)检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方法。 (4)通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。 现时广泛使用的楚思德 B 系列图谱和 MAU 系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水试 验的结果。
Ctm/Cfm=(1+k)+yFrn/Cfm (1+k)、A 及 n 等数值均由最小二乘法确定，指数 n 的范围为 2.0～6.0。 船的总阻力可以写为： Rt R f Re Rw
3. 试验设备和仪器 水池及控制系统、电机及调速仪、压力传感器、拉压传感器、多分力 天平、自航仪(推扭传感器)等。
图 2.1 六分力天平实物图
图 2.2 数据采集窗口
3. 试验船模
试验船模如图 3.1 所示，采用较为简单的箱型船体，其总长为 1350mm， 型宽为 240mm，型深为 240mm，最大吃水为 120mm，排水量为 10kg。
图 3.1 试验船模实物图
4. 试验过程与结果
为保证试验结果的可信性，选取多组位移 A 和频率 f 进行试验，如表 4.1 所示，试验如图 4.1 所示。数据采集软件测得的数据如表 4.2～4.7 所示。将 每组实验结果与相应的加速度绘制成如图 1.1 所示图像，即可求出相应的附 连水质量。
拖曳水池拖车
7. 试验步骤及数据记录
实验准备 • 制作船模，缩尺比依据水池长度、拖车 高速度以及实船尺度和航速确定 • 安装人工激流装置 • 称重，准确称量船模重量和压载重量，达到按船模缩尺比要求的实船相应排
水量；实验完毕后，船模质量要复秤，两次秤重之差额不应大于 0.5% • 画吃水标志：船艏、船艉、船舯，左右舷 • 调整压载使船模没有橫倾，首尾吃水满足规定要求
x
F
t
图 1.1 船模运动参数曲线图
2. 试验仪器
六分力天平品牌为德国 FC-K6D68，具体型号为 K6D68 2kN/50Nm，如图 2.1 所示，三个力的量程分别为 2kN，2kN，4kN，精度为±1N,三个力矩的量 程为 20Nm,精度为±0.1Nm；六自由度平台带动试验船模做正弦运动的最大幅
为消除自由液面影响，桨模的沉深深度： hs (0.625 - 1.0)D m
3.试验设备
主要设备是螺旋桨动力仪
4.试验内容及数据记录
敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度，以不同的进速进
行试验。速度范围应从 Va＝0 至推力小于零的进速之间，在该范围内测点取 15 个左右。 1、敞水箱安装
在拖车开动之前，我们要给螺旋桨一定的转速。具体转速的确定，要根据具 体情况确定。由进速系数公式 可知，螺旋桨直径 D 已定，如果螺旋桨转速 n 太低，我们需要提高进速 V，才能是 J 达到足够到。但是进速 V 的改变，受限于 拖车速度。此时，我们需要根据经验，给予适当大的转速 n。
转动螺旋桨，当转速达到我们的要求后，我们先采集一段时间（相当于做系 泊试验），然后开动拖车，此时，就不要再人为改变桨模转速。当拖车速度稳定 后，再次采集。数据稳定一段时间后，再次改变拖车速度，等速度稳定后，再次 采集。每一段速度下，我们要收集桨模转速 n、桨模推力 T 和扭矩 Q。
的函数。将摩擦阻力和粘压阻力合并计算，即粘性阻力，可以写为：
c t (1 k ) c f c w
式中，1+k 为形状因子，k 称形状系数。它只与船形有关，且认为几何相似的船 的形状因子 1+k 是相同的。形状因子根据船模在傅汝德数 Fr = 0.1-0.2 范围内 阻力试验结果，按下式确定：
2. 试验原理
几何相似，付如德数相等，即
，
；λ= 为缩尺比；
1）二因次法 傅汝德假定：
a.船的总阻力分为摩擦阻力和剩余阻力两部分组成。且认为摩擦阻力仅与雷诺 数有关，剩余阻力仅与弗劳德数有关，有：
R tm R fm R rm
根据傅汝德假定，实船的剩余阻力系数和模型的剩余阻力系数相等，而摩擦 阻力与雷诺数和船体形状有关。
x=0.1sinπt 根据公式(m + ∆m) + t
=0.1
当 t=1.5s 时, (m+∆m)*0.986=11.099,所以(m+∆m)=11.2566kg;又 m=10kg,
所以得到∆m=1.2566kg. 附：船模其它运动参数图
5. 试验误差
（1）系统误差：可通过改良仪器精度来减小误差。以及实验物体本身模型精度 是否符合要求，六自由度平台的安装尽可能精确。
船模沿某一水平方向作周期性往复运动时，其水平运动二阶微分方程为：
(m + ∆m) + t
（1.1）
其中， m 为船模质量； m 为附连水质量； 为船模运动加速度； 为船模运
动速度；c 为船模运动阻尼系数；F 为船模所受到的外力；(m + ∆m) 为船模惯
性力；t 为船模阻尼力。其运动位移为 x Asin t ，其中 2 f ，通过测试装
表 4.1 附连水质量试验分组
编号 1 2 3 4 5 6
运动位移A(m) 0.05 0.05 0.05 0.1 0.1 0.1
运动频率f(Hz) 0.1 0.2 0.5 0.1 0.2 0.5
图 4.1 试验过程图
表 4.7 第 6 组试验数据
t（s）
（m/s2）
F(N)
0
0
6.390
0.1
-0.304
9.501
0.2
-0.579
11.683
0.3
-0.7971
12.722
0.4
-0.938
12.518
0.5
-0.986
11.089
0.6
-0.938
8.576
0.7
-0.798
5.224
0.8
-0.580
1.361
0.9
-0.306
-2.634
1
-0.002
-6.373
1.1
0.303
-9.488
敞水箱为流线型，螺旋桨的轴从敞水箱的前端伸出箱外，外伸长度必须使桨 模位于箱前的距离大于螺旋桨直径的 3 倍，以避免箱体的影响。敞水箱样式如下 图所示。动力仪和电机安装在敞水箱内。 2、仪器安装及操作
进入数据采集界面，如图所示。在拖车开动之前，要对采集系统进行调零。 即在水池水面平稳状态下，点击系统设定里面的“调零保存”，使该通道的工程 值基本在 0 附近飘动。
置的控制系统设置位移 A 和频率 f 能使船模实现该运动。对位移函数依次求导即 可得到船模速度 =0.1πcosπt，船模加速度 =-0.1 sinπt。另外，通过六分力天平 能够测得船模所受外力 F。将这四组量置于横坐标均为时间轴的直角坐标系中。 如图 1.1 所示为船模作往复运动下，最终整理得到的船模位移、速度、加速度与 所受外力与时间的关系曲线。根据 cos 和 sin 的正交特性，采用半周期和全周期 积分的方法，按公式 1.1 即可求得船模在该加速度下的附连水质量。
R ts
c ts
1 2
sS
v
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 s
PE
Rtsvs , kW 1000
（2）三因次法
三因次换算方法是 1978 年第 15 届 ITTC 推荐的方法，将船的总阻力分为三
个部分，即摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。粘压阻力包括摩擦阻力的形状效应
和因边界层分离而产生的旋涡作用。两者均因水的粘性而产生，所以应为雷诺数
（2）数据处理误差：可以使采集的数据点更密，这样会得到更精确的结果。 当然，如果根据 cos 和 sin 的正交特性，采用半周期和全周期积分的方法， 运用牛顿-柯斯特积分法会更精确些，按公式 1.1 即可求得船模在该加速度下 的附连水质量（未使用此方法）。
6. 总结
关于试验误差分析的几点思考见 5.。之前大一刚入学时曾见过六自由度平台，印象中当时的
1.2
0.578
-11.675
1.3
0.796
-12.720
1.4
0.937
-12.522
1.5
0.986
-11.099
1.6
0.938
-8.591
1.7
0.799
-5.242
1.8
0.582
-1.381
1.9
0.308
2.615
2
0.003
6.355
ω=2π/T=2π/2=π, A=0.986/ =-0.1 sinπt =0.1πcosπt
然后进行数据处理，点击自航双桨里面的数据处理，输入你所命名的文件名， 然后数据会有如下的显示，如图所示。用鼠标框出平稳的一段，记录数据即可。
2.试验原理
满足以下条件：
1、几何相似
2、螺旋桨模型有足够的深度，可以不考虑傅汝德数
3、雷诺数大于临界雷诺数
4、进度系数相等
T
n2D4
f1
(
VA nD
,
nD2
)
Q
n2D5
f2
(
VA nD
,
nD2
)
螺旋桨雷诺数采用 ITTC 推荐表达式：
Re
c0.75
v
2 a
(0.75nD )2
临界雷诺数一般大于 3×105
b.假定船体摩擦阻力与同速度、同长度、同湿表面积的平板摩擦阻力相同。
1957 年的第八届 ITTC 建议计算方法：
cf
0 . 075 (log Re 2 ) 2
考虑到粗糙度对剩余阻力的影响，引入粗糙度附加值：
cf 0.4103