船舶阻力与推进 第五章 螺旋桨与船体间的相互作用

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1、第五章螺旋桨与船体间的相互作用在上面各章中，我们只讨论了孤立螺旋桨在敞水中或称在均匀流场中的水动力性能，而在“船舶阻力”课程中也只研究了孤立船体即不带螺旋桨在静水中航行时所遭受的阻力。实际螺旋桨是在船后工作的，螺旋桨和船体成为一个系统，两者之间必然存在相互作用。这种相互作用表现为船体所形成的速度场和螺旋桨所形成的速度场之间的相互影响。在船后工作的螺旋桨因受到船体的影响，故进入桨盘处的水流速度及其分布情况与敞水者不同，而船体周围的水流速度分布及压力分布受螺旋桨的影响也与孤立的船体不同。因此，船后螺旋桨与水流的相对速度不

2、等于船速，螺旋桨发出的推力也不等于孤立船体所遭受的阻力。如何把孤立螺旋桨和孤立船体联系起来，正是研究螺旋桨和船体相互影响的目的。严格说来，应把船体与螺旋桨作为统一的整体来考虑。近年来也确有一些学者从事这方面的研究，但由于问题相当复杂，未能付诸实用。所以，目前仍采用近似方法来解决，即分别研究船体和螺旋桨的单独性能，然后再近似地考虑两者之间的相互影响。这种近似方法的实质是：把船体和螺旋桨仍然看作是孤立的，即认为螺旋桨是在船后流场中单独工作，而船体位于螺旋桨所影响的水流中运动。这样就可以把孤立螺旋桨和孤立船体相联系起来，亦

3、即考虑到上述情况以后，可以把螺旋桨敞水试验的结果和船模阻力试验的结果用之于船体-螺旋桨的整个系统。§5-1船体对螺旋桨的影响-伴流一、伴流的成因和分类船在水中以某一速度V向前航行时，附近的水受到船体的影响而产生运动，其表现为船体周围伴随着一股水流，这股水流称为伴流或迹流。由于伴流的存在，使螺旋桨与其附近水流的相对速度和船速不同，在船舶推进中，所感兴趣的问题是船体对螺旋桨的影响，故通常所指的伴流即为船尾装螺旋桨处即浆盘处的伴流。船后伴流的速度场是很复杂的，它在螺旋桨盘面各点处的大小和方向是不同的。一般来说，伴流速度场可

4、以用相对于螺旋桨的轴向速度，周向或切向速度和径向速度三个分量来表示。测量结果表明，与轴向伴流速度相比较，周向和径向两种分量为二阶小量，在螺旋桨设计问题中，常可不予考虑。因此，在本书中如无特别说明，所谓伴流均系指轴向伴流。伴流的速度与船速同方向者称为正伴流，反之则为负伴流。产生伴流的原固有下列三种：1船身周围的流线运动：船在水中以速度V向前航行时，船体周围水流的流线分布情况大致如图5-l所示。首尾处的水流具有向前速度，即产生正伴流，而在舷侧处水流具有向后速度，故为负伴流。由此而形成的伴流称为形势伴流或势伴流。因流线离船

5、身不远处即迅速分散，故在船体略远处其作用即不甚显著，亦即离船体愈远，形势伴流之数值愈小。2水之粘性作用：因水具有粘性，故当船在运动时沿船体表面形成界层，界层内水质点具有向前速度，形成正伴流，通常称为摩擦伴流。摩擦伴流在紧靠船身处最大，由船身向外急剧减小，离船体不远处即迅速消失，但在船后相当距离处摩擦伴流依然存在。图5-2表示船身附近的界层或称摩擦伴流带，界层（实际上是尾流）在尾部后具有相当的厚度，与螺旋桨直径相差不多，故摩擦伴流常为总伴流中的主要部分。摩擦伴流的大小与船型、表面粗糙度、雷诺数及螺旋桨的位置等有关。摩擦

6、伴流带VV图5-1图5-23船舶的兴波作用：船在航行时水面形成波浪，若螺旋桨附近恰为波峰，则水质点具有向前速度，如恰为波谷，则具有向后速度。由于船舶本身兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流，其数值常较前两者为小。但对于高速双桨船例如驱逐舰因其尾部常为波谷，且螺旋桨的位置处于船后两侧，摩擦伴流和势伴流较小，故其总伴流可能为负值。由伴流之成因可知，伴流是一股很复杂的水流，在螺旋桨盘面各处伴流速度的大小和方向各不相同。因而，在利用螺旋桨系列敞水图谱设计螺旋桨时，常取盘面处伴流的平均轴向速度近似地估计桨盘处的速度场。若船速为V，

7、桨盘处伴流的平均轴向速度为u，则螺旋桨与该处水流的相对速度即进速VA为VAV-u5-1根据伴流的成因，可将伴流速度u写成u＝upufuw5-2式中up——桨盘处形势伴流的轴向平均速度；uf——桨盘处摩擦伴流的轴向平均速度；uw——桨盘处波浪伴流的轴向平均速度。二、伴流分数伴流的大小通常用伴流速度u对船速V的比值ω来表示，ω称为伴流分数或泰洛伴流分数，即uVVAVω1-A5-3VVV若已知伴流分数，则可由下式决定螺旋桨的进速：VA＝1-ωV5-4根据伴流的成因，伴流数ω也叫写作：ω＝ωpωfωw5-5式中ωp——形势伴

8、流分数；ωf——摩擦伴流分数；ωw——波浪伴流分数。各类船舶的伴流分数数值大致如表5-1所示。表5-1船舶类型伴流分数船舶类型伴流分数快速船和邮船0.10～0.18轻巡洋舰0.035～0.10单桨商船（CB＝0.5～0.7）0.20～0.30大型驱巡舰0.00～0.10双桨商船（CB＝0.5～0.7）0.08～0.20驱逐舰和护航舰0.00～0