船舶推进_螺旋桨的空泡现象

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1、船舶推进华中科技大学船海学院Ship Propulsion1课程安排第 1章 概述（ 2学时）第 2章 螺旋桨几何特征（ 2学时）第 3章 螺旋桨基础理论（ 3学时）第 4章 螺旋桨模型的敞水试验（ 4学时）第 5章 螺旋桨与船体相互作用（ 4学时）第 6章 螺旋桨的空泡现象（ 4学时）第 7章 螺旋桨的强度校核（ 4学时）第 8章 螺旋桨图谱设计（ 7学时）第 9章 实船推进性能（ 2学时）2第 6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容6.1 空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及

2、谐鸣现象3第 6章 螺旋桨的空泡现象1. 了解空泡的成因、空泡的种类及其特点。这是本次课的 一个教学难点 。2. 理解螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响。这是本次课的 一个教学重点和难点 。3. 了解螺旋桨空泡校核方法。4. 掌握螺旋桨强度的规范校核法的基本思想。这是本次课的 另一个教学重点 。本章主要教学要求4第 6章 螺旋桨的空泡现象概述 螺旋桨的空泡 (cavity)现象，从 19世纪末就引起了造船界的注意。1894年 ， “ 勇敢 ” 号小型驱逐舰：转速比额定低 1.54%；主机总功率比额定低 7.5%；航速只有 24节 （ 设计 27节 ）盘面比增加45%最后修改方案？原因：空泡5第

3、6章 螺旋桨的空泡现象船舶发展存在着二种趋势 高转速和大功率： 军用船舶 (如高速艇等 )主机，并将高速主机与螺旋桨直接相连。这类船的螺旋桨上空泡往往在所难免，因而促进了所谓空泡螺旋桨或 全空泡螺旋桨的研究和发展。 船舶大型化和高功率： 由于螺旋桨负荷不断增加， 尾部流场的不均匀性 使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致桨叶 剥蚀 损伤，而且往往伴有强烈的 尾部振动 。6第 6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容6.1 空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及谐鸣现象76.1 空泡的成因

4、需要研究的课题1. 空泡的机理是什么？2. 空泡到底有没有尺度效应？3. 空泡为什么会产生剥蚀及其防止的对策？4. 叶切面的空泡程度和性能究竟如何预测？86.1 空泡的成因 螺旋桨在水中工作时 ， 桨叶的 叶背压力降低 形成吸力面 ， 若某处的压力降至临界值以下时 ， 导致爆发式的汽化 ， 水汽通过界面 ， 进入气核并使之膨胀 ， 形成 气泡 ， 称为 空泡 。 一般认为 ， 压力的临界值即为该温度时水的 汽化压力 pv(或称 饱和蒸汽压力 )。 空泡现象 ：流场中由于液体流动导致局部压力发生变化 ，其局部压力 低于 液体的饱和蒸汽压 时 ， 引起液体介质爆发式的汽化形成气泡 。当空气中所含水

5、蒸气的量达到最大时 就称这种空气为 “ 饱和湿空气 ” ,与饱和湿空气对应的压力称为 “ 饱和蒸气压力 ” 。96.1 空泡的成因表 6-1汽化压力随温度的变化水温 t（ oC） 5 10 15 20 30 40 50 60 100汽化压力 pv（ kgf/m2） 89 125 174 238 433 725 1258 2081 10330 气压越大沸点越高 ， 气压越小沸点越低 。 同样 ， 深压在海底的水 ， 其沸点也会随着其周围的压强变化而变化 。 不同温度下 ， 水沸腾的压强是不同的 ， 这个压强称为 饱和蒸气压 ， 也称蒸气压 。106.1 空泡的成因A点 : p0,V0 B点 :

6、pb,Vb116.1 空泡的成因用伯努利方程确定 A、 B两点处压力及速度之间的关系 ， 即A点 : p0,V0 B点 : pb,Vb22120210 bb VpVp )( 202210 VVpp bb 126.1 空泡的成因1)(2120200 VVVpp bb : 减压系数 (reduced pressure coefficient)22001 ()2bbp p V V 减压系数 只与该处流速 Vb对来流速度 V0的比值 (Vb V0)有关 。故在绕流条件下减压系数 随切面形状 、入射角 K及 B点的位置而变 ， 与来流速度V0的大小无关 。136.1 空泡的成因 若切面上某处 （ B点

7、） 之 0， 则为 压力降低 。 通常认为 ，当 B点的压力降至该水温下的汽化压力 (饱和蒸汽压力 ) pv时 ， B点处即开始出现空泡 。1)(2120200 VVVpp bb故 B点产生空泡的条件： pb pv146.1 空泡的成因02012vppV令 若切面上 B点处的减压系数 ， 则 pbpv， B处即产生空泡 。 反之 ， 当 B点处的 ， 则 pb pv， 即不产生空泡 。因此 ， B点 产生空泡的条件 也可写成：02012bppV空泡数 (cavitation number)156.1 空泡的成因 综上所述 ， 根据桨叶上某处的 减压系数与 空泡数 的比较 ， 可以判断该处是否发

8、生空泡 ， 其判断的 准则 是： 当 ， 有 空泡当 ， 无 空泡166.1 空泡的成因 空泡数 (cavitation number)与来流速度 V0、 水的汽化压力 pv及静压力 p0有关 ， 而与桨叶切面的几何特征无关 。02012vppV 减压系数 只与该处流速 Vb对来流速度 V0的比值 (Vb V0)有关 。 在绕流条件下减压系数 随切面形状 、 入射角 K及 B点的位置而变 ， 与来流速度 V0的大小无关 。1)(2120200 VVVpp bb影响因素影响空泡数和减压系数的因素176.1 空泡的成因不同切面的最大减压系数 p V 0212 p V 021212 K - 2.5

9、K 3.5 K 11 - 1 .00+1 .0- 1 .00-1 .00+ 1 .0+2 .02 V 0 p+1 .0+ 2 .0186.1 空泡的成因不同切面的最大减压系数 导边叶面吸力静水压力压 力叶背吸力静水压力压 力叶面叶背导边结论 ：改变叶切面上减压系数只能从改变 叶切面形状 和 入射角 入手。196.1 空泡的成因空泡数与来流速度、水的汽化压力及静压力有关，而与浆叶切面几何特征无关。02012vppV影响空泡数的因素1. 当 p0-pv 为一定值时 ， 来流速度越大 ， 则空泡数越小 ;2. 当 V0与 p0 一定 ， 水温越高 ， 汽化压力 pv越大 ， 则空泡数越小 ;3. 当

10、 V0和 pa为一定时 , 浆叶的沉没深度越大 ， 则空泡数也越大 ;sa hpp 0206.1 空泡的成因220 ( 2 ) AV r n V来流速度 V0 (忽略诱导速度 ) 则可表示为 :4. 当转速 n和进速 VA较大 ，其合成速度 V0也大 ， 则空泡数较小 。0201 2vppV 对于叶切面来说 ， 最大减压系数越大者越易发生空泡；对空泡数来说 ， 空泡数愈小愈易发生空泡 。216.1 空泡的成因 不发生空泡的极限条件：max=0max21 2vkppVVk : 不发生空泡的极限速度0m a x12vkppV 物体做高速运动时 ， 若速度超过极限值 Vk， 则必然发生空泡现象 。2

11、26.1 空泡的成因 空泡的种类 气核 ：研究表明，在液体中产生空泡是因液体内本身存在某种 “ 缺陷 ” 或 “ 弱点 ” 所致，这种缺陷或弱点就是气核。1. 气化空泡 （ gasification cavity） ：是指原溶解于水中的气体 ， 由于 降压或过饱和 ， 以扩散的方式通过界面逸到存在于水里的 气核 中并成长到肉眼能见的程度；2. 汽化空泡 （ vaporization cavity） ：是指 液体分子 因 降压 到所谓 饱和蒸汽压力 导致爆发式的汽化 ， 水汽通过界面 ， 进入气核并使之膨胀；236.1 空泡的成因3. 似是空泡 ：指原来以各种方式存在于水中的 气核 ，虽然没有任

12、何水汽或气体逸入，但当 外界压力降低 时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度。 气化空泡 、 似是空泡 都可能在大于 、 等于或小于饱和蒸汽压力 pv 时出现 。 成长过程缓慢 。 汽化空泡 则总是在小于或至少等于 pv下才能出现 。 成长迅速 。 初生空泡数 i20021 Vpp vii20021iviiVpp 246.1 空泡的成因 初生空泡数 i20021Vpp vii气化空泡 、 似是空泡 都可能在 大于 、 等于或小于饱和蒸汽压力 pv 时出现 。 成长过程 缓慢 。汽化空泡 则总是在 小于或至少等于 pv下才能出现 。成长 迅速 。20021iviiVpp 256.1 空泡的成因气化空

13、泡 水中空气逸出到气核空泡 汽化空泡 水爆发式汽化似是空泡 水中气核膨胀空泡判别条件 只对汽化空泡近似正确 。26第 6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容6.1 空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及谐鸣现象276.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响 在研究空泡问题时 ， 常按空泡对翼型 水动力性能 影响的不同而分为两个阶段 ， 即空泡现象的第一阶段和 第二阶段 。286.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响空泡现象的第一阶段第一阶段空泡现象的特征是：空泡区域是 局部的 ， 对

14、叶切面的水动力性能不发生明显影响 ， 但可能在叶表面产生 剥蚀 。球状空泡；局部空泡D maxD- 1 .001 .02 .0BCAC296.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响空泡现象的第二阶段第二阶段空泡现象 的特征是：空泡区域已拖到随边之外，通常对叶表面 无剥蚀 作用；但影响叶切面的水动力性能 。片状空泡（全空泡）1 .0=01 .02 .00. 5 1. 0 1. 5 2. 0 C L - ,= 常数C D - ,= 常数C L10 C D空泡初生空泡初生306.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响水动力特性与空泡数的关系1 .0=01 .02 .00. 5 1. 0 1. 5 2.

15、0 C L - ,= 常数C D - ,= 常数C L10 C D空泡初生空泡初生316.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响 对任一切面来说 ， 空泡出现的部位 取决于空泡数 和攻角 的大小 。abc326.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响叶切面的空泡斗（ cavitation bucket）B( B min )A ( D D )- 6- 4- 20246() m a x , c r面片空泡泡状空泡背片空泡泡状空泡界限面空泡界限背空泡界限无空泡区C(C max) 1081.00.5 1.533第 6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容6.1 空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及谐鸣现象346.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响一 、 螺旋桨的空泡现象 按发生空泡 物体类型