船用螺旋桨理论及其应用研究进展

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1、船用螺旋桨理论及其应用研究进展船用螺旋桨理论是随着流体力学理论的发展及其应用而不断发展的，并有着相应的联系。基于系列螺旋桨模型敞水试验传统图谱的螺旋桨桨型已不能适应由此带来的空泡与振动问题，理论的发展推动了应用螺旋桨设计计算方法的进步，适应了现代船舶大型化及航速增加的要求。螺旋桨理论研究的目的是螺旋桨设计。因此，基于理论方法的设计分析并与试验结合的现代船用螺旋桨设计方法得到了极大地重视和广发的应用。近年来，流体力学学科的发展，特别是计算流体动力学的快速发展推动了传统流体力学的发展，在船舶螺旋桨理论研究方法的拥有也在桌布采用计算流体动力学方法。1船用螺旋桨理论的研究内容船舶螺

2、旋桨是现代船舶应用最为广泛的推进器，除单独工作的普通螺旋桨外，还有一些以螺旋桨为主体的组合式船舶推进器，如导管螺旋桨、对转螺旋桨、串列螺旋桨等，它们占据了现代船用推进器的绝大多数。它们就是船舶螺旋桨理论的主要研究对象。研究船舶螺旋桨的目的是要解决下述两类问题：1.根据给定的螺旋桨的几何形状和运转条件，预报螺旋桨的水动力系数、桨叶面上的压力分布及桨周围的诱导速度场等，即所谓螺旋桨性能预报问题或正问题。2.根据给定的螺旋桨的运转条件，以及对螺旋桨的水动力性能的设计要求，设计出符合设计条件的效率最佳的螺旋桨的几何形状，即所谓螺旋桨设计问题或逆问题。从研究方法来看，对船舶螺旋桨的研

3、究可分为两个方面，即实验研究与理论研究。实验研究通过螺旋桨的模型试验对螺旋桨的性能进行研究，为螺旋桨设计提供参考，并为理论研究提供实验验证。如通过螺旋桨的敞水试验研究其水动力性能；通过螺旋桨的自航实验及其与敞水试验的比较研究螺旋桨与船体间的相互干扰；通过螺旋桨的空泡试验研究其空泡性能、脉动压力、辐射噪声等。另一方面，利用大量的螺旋桨系列模型试验结果，绘制成螺旋桨设计图谱，形成以模型试验结果为基础的螺旋桨设计方法。这样螺旋桨的性能预报问题和设计问题都通过实验研究得到了解决。理论研究是用流体力学的理论方法来解决螺旋桨的性能预报问题和设计问题。与一般的机翼相比，螺旋桨的叶片的展弦

4、比很小，平面形状不规则，并且是扭曲的，螺旋桨边旋转边前进，桨叶之间相互影响，桨叶与桨毂之间、螺旋桨与船体、螺旋桨与舵间也存在干扰，可见螺旋桨的几何形状及运转条件非常复杂，运用流体力学的理论方法解螺旋桨问题具有相当的难度，求解中必须针对螺旋桨的特点，对某些问题进行特殊处理。随着对螺旋桨的理论研究的不断发展和深入，先后出现了一些专用于船舶螺旋桨的研究方法和理论，如螺旋桨动量理论、螺旋桨叶元体理论、升力线理论、升力面理论、面元法等，由这些理论方法可以解决螺旋桨的性能预报问题和设计问题，但它们的计算和设计结果的精度及应用范围各不相同，正是由这些理论方法组成了船舶螺旋桨理论。螺旋桨在

5、水中工作时，在其周围引起扰动速度，习惯地称其为螺旋桨的诱导速度。在螺旋桨理论中，根据螺旋桨的诱导速度的大小，有不同的处理方法，一种是完全不计诱导速度，这显然只适用于诱导速度很小的螺旋桨，即所谓轻载螺旋桨；另一种是考虑了轴向和周向诱导速度的影响，它适用于诱导速度不可忽略的所谓中载荷螺旋桨，采用这种处理方法的理论曾得到广泛应用，被称为中载螺旋桨理论；还有一种处理方法，就是考虑到诱导速度的各种影响，对于诱导速度很大的所谓重载荷螺旋桨，如应用中载荷螺旋桨理论将会引起较大误差时，就必须采用这种方法。但这样处理将使问题及其复杂，通常需要引入某些局部的近似处理，使问题得到简化。2船用螺旋

6、桨理论研究的方法与发展历程由螺旋桨的旋转获得轴向推力的原理很早以前就被发现了，我国古代的人们发明了“竹蜻蜓”，后传入欧洲。东晋时期的《抱朴子》中，就有人们设想用这种竹蜻蜓的原理做成飞车的有关记载。1483年意大利杰出的艺术家、科学家达·芬奇提出了直升旋翼的设想，并绘制了草图。早期人们只是试图将这一原理应用于飞行器，即直升飞机。渐渐地人们也开始试图将其应用于船舶的推进，特别是蒸汽机发明之后，发明家们为蒸汽动力船舶设计了各种推进器，并纷纷进行实船实验，1752年俄国彼得堡科学院院士伯努利(Bernoulli)设计的双螺纹涡杆形螺旋推进器就是具有代表性的设计之一，然而限于当时的工

7、业水平和蒸汽机性能，推进效率并不理想，螺旋推进器还不能取代明轮。1836年，“史密斯”号船用木制单螺纹涡杆形螺旋推进器，以8节的航速航行了400海里。该船在试验中，推进器由于碰撞而损伤，而航速却出人意料地增加了。这次试航对螺旋桨推进器的形成起到了极大地推进作用。此后，螺旋推进器的形状不断改善，桨叶螺旋面逐渐缩短，桨叶形状日趋完善，逐渐形成了结构简单，高效率的螺旋桨推进器，并在19世纪中叶以后得到广泛的应用。螺旋桨的广泛应用和不断发展，要求人们从理论上对其作用原理做出解释，并寻求设计效率更高的螺旋桨的途径。如果从18