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概述

船舶螺旋桨空泡及其诱导的作用于船体表面脉动压力模型试验时,应遵循的相似参数、伴流分布的模拟与测量、空泡观测和脉动压力测量的程序,以及对试验设施与测试仪表的要求。

适用于各类水面船舶螺旋桨在可变压力循环水槽或空泡水简中的空泡脉动压力模型试验；也可作为螺旋桨模型在减压拖曳水池中进行空泡脉动压力试验时的参考。

试验设备及关键指标  

 可变压循环水槽(空泡水筒) 

螺旋桨空泡脉动压力模型试验需在来流速度可控、压力可变,并具有立式循环流道的循环水槽或空泡水筒中进行。

 动力仪 

螺旋桨模型试验用动力仪的最大转速、推力量程、扭矩量程应满足试验要求。其中动力仪推力、扭矩测量的精度需根据模型尺度合理选取,驱动螺旋桨旋转的电机的转速控制精度应不大于0.2%。

 空泡观测摄像机 

用于空泡观测用的摄像机应可在频闪灯光下正常工作,且其水平线数不小于480线,记录画面不小于25帧/s。

 脉动压力传感器 

用于脉动压力测量的压力传感器,其膜片直径不大于6mm,水中的频率响应不小于5kHz,量程不大于200 kPa,非线度不大于0.5%。

 直流放大器 

放大器激励桥压精度不大于0.1%,具有低通滤波功能,频率响应不小于20 kHz,放大倍数不小于1 000。

 差压变送器 

水速、压力测量用的差压变送器,量程不小于150 kPa,不大于250 kPa。精度不大于0.5%,分辨率不大于0.2 kPa。

 转速编码器 

用于转速信号控制的光栅增量式转速编码器,线数不小于100线。

 梳状毕托耙 

用于伴流分布测量的梳状毕托粑,量程0.1 m/s-6.0m/s,精度不大于1.0%、分辨率不大于

0.05m/s.

 频闪灯控制系统 

频闪灯控制系统具有内触发及外触发功能,并可实现对相位角的调节与控制,频闪灯闪烁频率范围为0.5 Hz-200 Hz,功半不小于500 W.

 空气含量仪 

测量试脸用水中的总空气含量,測量精度不大于3.0%。

 数据采集仪 

脉动压力信号数据采集卡须具有外触发同步采样和内触发同步采样功能,分辩率不小于12 bit，采样频率不小于20kHz,通道数不少于脉动压力测量点数。

模型试验相似参数

 全附体船模的几何相似 

试验用船模和附体(设计水线以下部分,特殊要求可取结构水线以下部分)与实船几何相似,可按照试验设备能力,选样合适的缩尺比,为防止波浪对试验结果的影响,船模上沿口与试验段顶部需有平板抑浪,为消除平板的附面层的影响,船模沿口需在设计水线处加高50mm。螺旋桨、舵及其附体与船模具有相同的缩尺比、桨与舵的安装位置与实船几何相似。船模船长加工误差不大于5.0mm,船模横剖面尺寸与给定尺寸误差不大于0.5 mm;螺旋桨模型加工精度要求加工直径与给定直径误差不大于

0.1 mm、螺旋桨模型横剖面尺寸与给定尺寸坐标误差不大于0.05 mm。

假船尾船模或纯网格几何相似 

采用假船尾模拟伴流场进行空泡脉动压力测试时,在旋桨模型桨盘面前后一倍螺旋桨直径区域内的几何尺寸和形状需保持与实船几何相似,叶梢与船尾表面的距离与实船几何相似,桨盘面与舵之间的距离和实船几何相似,需在桨前方大于两倍螺旋桨直径的位置安装金属网格,通过改变网格疏密的方法来模扣轴向伴流。采用纯网格板扣伴流场进行空泡、脉动压力测试时,用平板模拟船底,叶梢与平板间隙和实桨叶梢与船底同几何相似。在桨前方大于两倍螺旋桨直径的位置安装金属网格,通过改变网格疏密的方法来模拟轴向伴流。

 螺旋桨模型安装误差 

螺旋桨模型安装于船模时,桨盘面位置与给定位置尺寸误差不大于2.0mm,桨与舵之间距离安装误差不大于2.0mm,摞旋桨相隙比(t/D)安装误差不大于2.0%。

 其它参数 

螺旋桨负荷系数相等：蜾旋桨型和实桨应满足推力系数或扭矩系数相等。

空泡数相等：应满足螺旋桨桨叶位于桨轴线上方12点仲位置时,桨叶0.8R处的转速空泡数与实桨相等。

雷诺数大于临界雷诺数：桨叶0.7R处的雷诺数应大于临界雷诺数,临界雷诺数取5x10^5。

空气含量：空泡、脉动压力测试时,试验用水中的相对空气含量不宜过低。不同实验设施需选择合适的空气含量、在确保试验用水中有足够气核的同时,能清晰观测螺旋桨表面空泡形态。

伴流场测量

 毕托耙的安裝 

毕托耙固定在板型螺旋桨桨轴上,使其总压测量孔在桨盘面的位置上,位置偏差不大于2.0mm。

 轴向伴流场测量需具备的条件 

桨盘面处伴流场测量时对试验用水质有一定的要求,需满足以下条件:

a)除气,降低水简中试验用水的相对空气含量,防止气泡堵塞毕托耙的测压孔或堆积测压管路中;

b)确保水简水质洁净,所含固体颗粒杂质较少,防止杂质堵塞毕托杷测压孔;

c)排除毕托耙测压管路中的气泡;

d)试验要选择合适的水速,水速太低雷诺数偏低,水速太高,毕托耙尾部会有局部振动、均影响测试精度.

 轴向伴流场的测量及实施 

轴向件流场的测量:轴向伴流场测量一般不少于五个半径,其中内半径应不大于0.4R,最外半径应不小于1.05R、且0.8R 以外应不少于两个量半径。

a)实验前,毕托杷排气,检查测速,涮压系统是否正常、根据试监要求,启动水速到达指定值,并保持稳定,

b)试验时,将毕托把在正上方12点钟位置,作为根拟伴流场的零度基准,按照缧旋桨旋向依次测量周向各指定角度位置的水速,周向角度问隔一般取10°,在高伴流区可适当加密,在低伴流区可适当放宽。

模型空泡观测

 视频观测系统的安装与调试 

模型螺旋桨空泡观测用视频控制系统的安装与调试步骤如下:

a)灯布置在试验段合适位置,频闪光可照亮整个螺旋桨模型所在区域。

b)对于大型空泡水精,在试验用螺旋桨模型前上方船底板上左右两侧和船模后方,安装小型摄像头:双浆或多桨船可在桨模前上方船底板上开一小型窗口,利用透明有机玻璃板代替船底线,并在有机玻璃板上方船模内安装小型摄像头观察螺旋桨桨叶背空泡,在船模后方安装摄像头观察螺旋桨桨叶面空泡;对于空泡水筒,可在木筒试验段观测窗外架设视频或图像记录设备,所有摄像头的布置以能清晰拍摄到螺旋桨桨叶典型位置上的空泡特征为准。

c)用螺旋桨模型转速输出信号控制频闪灯闪光频率,频因灯控制系统应能实现对螺旋桨桨叶准确定位与跟踪。

 螺旋桨空泡观测程序 

螺旋桨板型空泡观察试验程序如下:

a)试验前根据螺旋桨的旋向,确定最容易产生叶背空泡的第一象限(从后向前看)及叶面空泡的第三象限:

b)在空水简或水槽完全充满水的情况下,通过调节频闪灯光的位置及强弱,选择合适的摄像头距,确保桨前方摄像头能较好观测螺旋桨轴线以上范围内叶片可能产生空泡的区域及螺旋桨表面上的标记线,桨后方空泡观测的摄像头需避开舵的影响,能较好观测可能产生叶面空泡的区城:

.c)空泡试验前,需测量螺旋桨水动力性能,测量点应包含试验工况下推力系数或担矩系数,且在试验工况点对应的椎力系数或扭矩系数前后至少有三个测量点;

d)试验状态参数确定:根据螺旋桨水动力结果,按照实桨工况的负荷系数,确定等负荷系数条件下螺旋桨模型试验的进速系数,选取合适的螺旋桨模型试验转速及试验水速,确保试验雷诺数大于临界雷诺数,再根据空泡数相等条件,计算出试验时应满足的压力条件:

e)通过摄像头及存储设备记录指定工况下螺旋桨模型一周360°(一般间隔10°)桨叶叶背及叶面空孢形态变化影像资料，·对于摄像头拍不到的区域,需结合肉眼观测,记录空泡产生情况;

f)面空泡度测量;以消失面空泡作为面空泡的起始,首先确定桨叶叶面在实船对应工况时是否有面空泡,若无面空泡,需保持试验水速与压力不变、降低螺旋桨转速,使螺旋桨桨叶面的面空泡充分发展,再慢增加螺旋桨模型转速,当螺旋桨叶面空泡刚好消失时,记录面空泡消失时的试验转速及试验水速。

螺旋桨空泡诱导的脉动压力测量

 脉动压力传感器的安装 

脉动压力传感器安装需满足以下条件:

a)测量模型螺旋桨空泡诱导的脉动压力传感器安装在桨盘面上方的船底板上,脉动压力传感器数量应不少于5个,且在桨盘面正上方应有一个压力传感器。传感器布置区域一般在桨盘面上方船底板上1倍螺旋桨模型直径区域内,具体视船尾的实际情况而定,传感器之向距离为0.1D-0.3D之间。

b)压力传感器安装时、应保证传感器的感压膜片与船底板下表面齐平,且船底板传感器安装孔边缘无毛刺与明显凹凸点.

 脉动压力测量程序 

脉动压力测量程序如下:

a)试验前,需对测量用传感器、放大器、采集系统作压力标定,计算传感器的标定系数

b)螺旋桨模型空泡形态记录完毕后,测量并保存指定工况下每个通道空泡诱导的脉动压力原始电压时域信号及转速脉冲信号,采样频率需大于20 kHz,采集数据N>100r的脉动压力信号:

c)待所有指定试验工况测试结束后,以设计吃水状态的负荷系数为相似条件,选择合适的试验水速和螺旋桨转速,调节压力直至螺旋桨叶片表面无任何类型空泡生产时,测量无空泡状态下螺旋桨诱导的船体脉动压力电压时域信号及转速脉冲信号。

脉动压力传感器选型示例

5mm探针或M5/M6螺纹安装     

End

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