船用螺旋槳理論及其應(yīng)用研究進(jìn)展

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1、船用螺旋槳理論及其應(yīng)用研究進(jìn)展船用螺旋槳理論是隨著流體力學(xué)理論的發(fā)展及其應(yīng)用而不斷發(fā)展的，并有著相應(yīng)的聯(lián)系?；谙盗新菪龢Ｐ统ㄋ囼?yàn)傳統(tǒng)圖譜的螺旋槳槳型已不能適應(yīng)由此帶來(lái)的空泡與振動(dòng)問(wèn)題，理論的發(fā)展推動(dòng)了應(yīng)用螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算方法的進(jìn)步，適應(yīng)了現(xiàn)代船舶大型化及航速增加的要求。螺旋槳理論研究的目的是螺旋槳設(shè)計(jì)。因此，基于理論方法的設(shè)計(jì)分析并與試驗(yàn)結(jié)合的現(xiàn)代船用螺旋槳設(shè)計(jì)方法得到了極大地重視和廣發(fā)的應(yīng)用。近年來(lái)，流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，特別是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展推動(dòng)了傳統(tǒng)流體力學(xué)的發(fā)展，在船舶螺旋槳理論研究方法的擁有也在桌布采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法。1船用螺旋槳理論的研究?jī)?nèi)容船舶螺

2、旋槳是現(xiàn)代船舶應(yīng)用最為廣泛的推進(jìn)器，除單獨(dú)工作的普通螺旋槳外，還有一些以螺旋槳為主體的組合式船舶推進(jìn)器，如導(dǎo)管螺旋槳、對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、串列螺旋槳等，它們占據(jù)了現(xiàn)代船用推進(jìn)器的絕大多數(shù)。它們就是船舶螺旋槳理論的主要研究對(duì)象。研究船舶螺旋槳的目的是要解決下述兩類(lèi)問(wèn)題：1.根據(jù)給定的螺旋槳的幾何形狀和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，預(yù)報(bào)螺旋槳的水動(dòng)力系數(shù)、槳葉面上的壓力分布及槳周?chē)恼T導(dǎo)速度場(chǎng)等，即所謂螺旋槳性能預(yù)報(bào)問(wèn)題或正問(wèn)題。2.根據(jù)給定的螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，以及對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)條件的效率最佳的螺旋槳的幾何形狀，即所謂螺旋槳設(shè)計(jì)問(wèn)題或逆問(wèn)題。從研究方法來(lái)看，對(duì)船舶螺旋槳的研

3、究可分為兩個(gè)方面，即實(shí)驗(yàn)研究與理論研究。實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)螺旋槳的模型試驗(yàn)對(duì)螺旋槳的性能進(jìn)行研究，為螺旋槳設(shè)計(jì)提供參考，并為理論研究提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如通過(guò)螺旋槳的敞水試驗(yàn)研究其水動(dòng)力性能；通過(guò)螺旋槳的自航實(shí)驗(yàn)及其與敞水試驗(yàn)的比較研究螺旋槳與船體間的相互干擾；通過(guò)螺旋槳的空泡試驗(yàn)研究其空泡性能、脈動(dòng)壓力、輻射噪聲等。另一方面，利用大量的螺旋槳系列模型試驗(yàn)結(jié)果，繪制成螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜，形成以模型試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的螺旋槳設(shè)計(jì)方法。這樣螺旋槳的性能預(yù)報(bào)問(wèn)題和設(shè)計(jì)問(wèn)題都通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了解決。理論研究是用流體力學(xué)的理論方法來(lái)解決螺旋槳的性能預(yù)報(bào)問(wèn)題和設(shè)計(jì)問(wèn)題。與一般的機(jī)翼相比，螺旋槳的葉片的展弦

4、比很小，平面形狀不規(guī)則，并且是扭曲的，螺旋槳邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)，槳葉之間相互影響，槳葉與槳轂之間、螺旋槳與船體、螺旋槳與舵間也存在干擾，可見(jiàn)螺旋槳的幾何形狀及運(yùn)轉(zhuǎn)條件非常復(fù)雜，運(yùn)用流體力學(xué)的理論方法解螺旋槳問(wèn)題具有相當(dāng)?shù)碾y度，求解中必須針對(duì)螺旋槳的特點(diǎn)，對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行特殊處理。隨著對(duì)螺旋槳的理論研究的不斷發(fā)展和深入，先后出現(xiàn)了一些專(zhuān)用于船舶螺旋槳的研究方法和理論，如螺旋槳?jiǎng)恿坷碚?、螺旋槳葉元體理論、升力線理論、升力面理論、面元法等，由這些理論方法可以解決螺旋槳的性能預(yù)報(bào)問(wèn)題和設(shè)計(jì)問(wèn)題，但它們的計(jì)算和設(shè)計(jì)結(jié)果的精度及應(yīng)用范圍各不相同，正是由這些理論方法組成了船舶螺旋槳理論。螺旋槳在

5、水中工作時(shí)，在其周?chē)饠_動(dòng)速度，習(xí)慣地稱(chēng)其為螺旋槳的誘導(dǎo)速度。在螺旋槳理論中，根據(jù)螺旋槳的誘導(dǎo)速度的大小，有不同的處理方法，一種是完全不計(jì)誘導(dǎo)速度，這顯然只適用于誘導(dǎo)速度很小的螺旋槳，即所謂輕載螺旋槳；另一種是考慮了軸向和周向誘導(dǎo)速度的影響，它適用于誘導(dǎo)速度不可忽略的所謂中載荷螺旋槳，采用這種處理方法的理論曾得到廣泛應(yīng)用，被稱(chēng)為中載螺旋槳理論；還有一種處理方法，就是考慮到誘導(dǎo)速度的各種影響，對(duì)于誘導(dǎo)速度很大的所謂重載荷螺旋槳，如應(yīng)用中載荷螺旋槳理論將會(huì)引起較大誤差時(shí)，就必須采用這種方法。但這樣處理將使問(wèn)題及其復(fù)雜，通常需要引入某些局部的近似處理，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。2船用螺旋

6、槳理論研究的方法與發(fā)展歷程由螺旋槳的旋轉(zhuǎn)獲得軸向推力的原理很早以前就被發(fā)現(xiàn)了，我國(guó)古代的人們發(fā)明了“竹蜻蜓”，后傳入歐洲。東晉時(shí)期的《抱樸子》中，就有人們?cè)O(shè)想用這種竹蜻蜓的原理做成飛車(chē)的有關(guān)記載。1483年意大利杰出的藝術(shù)家、科學(xué)家達(dá)·芬奇提出了直升旋翼的設(shè)想，并繪制了草圖。早期人們只是試圖將這一原理應(yīng)用于飛行器，即直升飛機(jī)。漸漸地人們也開(kāi)始試圖將其應(yīng)用于船舶的推進(jìn)，特別是蒸汽機(jī)發(fā)明之后，發(fā)明家們?yōu)檎羝麆?dòng)力船舶設(shè)計(jì)了各種推進(jìn)器，并紛紛進(jìn)行實(shí)船實(shí)驗(yàn)，1752年俄國(guó)彼得堡科學(xué)院院士伯努利(Bernoulli)設(shè)計(jì)的雙螺紋渦桿形螺旋推進(jìn)器就是具有代表性的設(shè)計(jì)之一，然而限于當(dāng)時(shí)的工

7、業(yè)水平和蒸汽機(jī)性能，推進(jìn)效率并不理想，螺旋推進(jìn)器還不能取代明輪。1836年，“史密斯”號(hào)船用木制單螺紋渦桿形螺旋推進(jìn)器，以8節(jié)的航速航行了400海里。該船在試驗(yàn)中，推進(jìn)器由于碰撞而損傷，而航速卻出人意料地增加了。這次試航對(duì)螺旋槳推進(jìn)器的形成起到了極大地推進(jìn)作用。此后，螺旋推進(jìn)器的形狀不斷改善，槳葉螺旋面逐漸縮短，槳葉形狀日趨完善，逐漸形成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效率的螺旋槳推進(jìn)器，并在19世紀(jì)中葉以后得到廣泛的應(yīng)用。螺旋槳的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，要求人們從理論上對(duì)其作用原理做出解釋?zhuān)で笤O(shè)計(jì)效率更高的螺旋槳的途徑。如果從18