[科普中國]-空化螺旋槳

空泡現(xiàn)象

水翼船的一個優(yōu)勢是具有較高的航速，但是在過高的速度下，水翼將產(chǎn)生空泡，空泡會使水翼的流體動力性能惡化，所以在設(shè)計中必須考慮空泡對水翼船性能的影響，對空泡進(jìn)行校驗(yàn)，避免空泡的產(chǎn)生。

空泡的影響水翼在水中運(yùn)動時，其表面壓力發(fā)生變化，當(dāng)水翼低壓區(qū)的壓力降低到臨界值以下時，水開始汽化，產(chǎn)生空泡。一般認(rèn)為，壓力的l臨界值即為該溫度時水的汽化壓力(或稱飽和蒸汽壓力)。

空泡發(fā)展過程分為三個階段。在空泡的第一階段，空泡區(qū)域是局部的，空泡在低壓區(qū)形成，進(jìn)入高壓區(qū)以后，在水翼隨邊前面的表面處潰滅，對水翼的升力和阻力沒有明顯影響，但對水翼表面產(chǎn)生剝蝕。在空泡第二階段，水翼上表面形成為一個很大的空泡腔，空泡在水翼的后方潰滅，對水翼表面不產(chǎn)生剝蝕作用，但使水翼的升力和阻力都下降。在空泡第三階段，空泡腔覆蓋了整個水翼，這時水翼的上表面全部被氣泡覆蓋，這種狀態(tài)也稱為全空泡狀態(tài)。此狀態(tài)下，由于濕面積減少，水翼升力和阻力均大幅下降。1

水翼空泡的校驗(yàn)檢驗(yàn)空泡是否發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)就是翼背壓力最低點(diǎn)是否達(dá)到該溫度時的飽和蒸汽壓，即pmin≤pd。

用無因次表示壓降系數(shù)為

令產(chǎn)生空泡時的壓力為pd，則定義空泡數(shù)

這時空泡產(chǎn)生的條件為

只要最大壓降系數(shù)大于等于空泡數(shù)，則水翼翼背就會產(chǎn)生空泡。

在設(shè)計水翼船時，可以通過空泡斗曲線得到不產(chǎn)生空泡的水翼工作區(qū)域?？张荻非€可以通過理論計算或試驗(yàn)得到，根據(jù)不同的設(shè)計需求其形式多樣。有的顯示水翼在 時所對應(yīng)的水翼攻角和空泡數(shù)之間的關(guān)系曲線(圖1(a))，有的通過水翼升力系數(shù)與航速之間的關(guān)系曲線來顯示空泡界線(圖1(b))。水翼船在空泡斗曲線邊界線以內(nèi)航行才能避免空化，在設(shè)計水翼時，需要加上一定的安全裕量。1

空泡螺旋槳計算的理論基礎(chǔ)B．M．拉符倫基耶夫曾假設(shè)人們都知道，理想推進(jìn)器理論使我們可以根據(jù)流體力學(xué)的一般定理確立誘導(dǎo)速度、推進(jìn)器效率和推進(jìn)器負(fù)荷系數(shù)之間的關(guān)系。如果作一假設(shè)，該假設(shè)反映了有空泡現(xiàn)象時推進(jìn)器工作區(qū)域中的水流特點(diǎn)，就可以得到空泡推進(jìn)器的類似的關(guān)系式。這些特點(diǎn)中的基本點(diǎn)是產(chǎn)生了空泡，它破壞了水流的連續(xù)性，并且增加了水流在葉片區(qū)域中的軸向速度。為了近似地反映這個特點(diǎn)，曾經(jīng)設(shè)定了幾個在空泡推進(jìn)器區(qū)域中的簡化了的水流流動圖形。比如說B．M．拉符倫基耶夫曾假設(shè)，在空泡螺旋槳區(qū)有一與無窮遠(yuǎn)處水流垂直的平面，該平面上的壓力是飽和水蒸汽的壓力。這時利用伯努利方程可以得到空泡推進(jìn)器近前方的臨界流速

現(xiàn)在我們來研究兩個等推力推進(jìn)器，其中一個是有空泡現(xiàn)象發(fā)生的，而另一個是沒有空泡現(xiàn)象發(fā)生。由下式確定上述推進(jìn)器中每一個的推力值

式中：m——流經(jīng)推進(jìn)器流管的任意截面的液體質(zhì)量。

可以按下式確定m的數(shù)值

對于無空泡現(xiàn)象的螺旋槳，v由下列二項(xiàng)式表示

如果螺旋槳產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，這個數(shù)值不應(yīng)該大于按公式(1)所確定的v值?？赡苡羞@樣的情況，即

在這種情況下，流經(jīng)無空泡現(xiàn)象的推進(jìn)器盤面的液體質(zhì)量將是

與此同時，流經(jīng)有空泡影響之推進(jìn)器盤面的液體質(zhì)量將由下式表示

顯然，如果

則

這樣一來，就可以得出結(jié)論，等推力空泡推進(jìn)器的誘導(dǎo)速度應(yīng)該大于無空泡現(xiàn)象的推進(jìn)器的誘導(dǎo)速度。因此空泡推進(jìn)器的效率降低了。

B．M．拉符倫基耶夫曾經(jīng)給出確定理想空泡推進(jìn)器效率上界的關(guān)系式2

巴甫米爾方法巴甫米爾首先擬定了空泡螺旋槳計算的實(shí)用方法。按照這個方法，以下列方式驗(yàn)算處于空泡現(xiàn)象第二階段的螺旋槳。首先假定螺旋槳上無空泡現(xiàn)象發(fā)生，并完成無空泡螺旋槳的驗(yàn)算。這種計算的結(jié)果確定了無空泡現(xiàn)象螺旋槳的推力系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系。繼而引進(jìn)關(guān)于在固定的進(jìn)速系數(shù)下，葉元體中的每一攻角不依賴空泡現(xiàn)象的發(fā)展，而保持常量的假設(shè)。此時螺旋槳的誘導(dǎo)速度也不依賴于螺旋槳是否發(fā)生空泡現(xiàn)象。上述假設(shè)使我們可以認(rèn)為，葉元體的升力系數(shù)與單位推力系數(shù)之比是一個常量。

這個條件使巴甫米爾確立了在任意空泡數(shù)時的推力降低系數(shù)與對應(yīng)于空泡現(xiàn)象極端發(fā)展時的推力降低系數(shù)間的關(guān)系。用下式表示這種關(guān)系

式中： ——空泡螺旋槳的推力降低系數(shù)；

——對應(yīng)于空泡極端發(fā)展時的推力降低系數(shù)；

——臨界空泡數(shù)。

巴甫米爾建議用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來確定計算所必須的數(shù)值 ，該公式是在分析整理空泡翼型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的。

實(shí)踐表明，對螺旋槳的工況有 >0，因而，所研究的計算方法使得甚至當(dāng)空泡數(shù)等于零時，螺旋槳的推力也是正的。

巴甫米爾認(rèn)為葉元體的攻角不依賴空泡現(xiàn)象的發(fā)展，而是常量的假設(shè)，使得他所建議的這個計算方法不夠嚴(yán)密。2

空泡螺旋槳驗(yàn)算程序下面給出了按巴甫米爾方法進(jìn)行空泡螺旋槳驗(yàn)算的程序。

假設(shè)已知無空泡螺旋槳的關(guān)系式 和 。給螺旋槳等值半徑Re(假設(shè)在這個半徑上的螺旋槳特性與整個螺旋槳的特性相同)確定升力系數(shù)的概略數(shù)值

確定 、 的近似值

為了繼續(xù)計算，必須給出空泡數(shù)x，然后按下式計算臨界空泡數(shù)

式中

確定表征升力系數(shù)降低的系數(shù)

然后再確定推力系數(shù)

巴甫米爾建議采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定表征在發(fā)生空泡現(xiàn)象時’的力矩系數(shù)降低的系數(shù)2

H．H．波良霍夫研究后來，H．H．波良霍夫依據(jù)空泡區(qū)在離空泡螺旋槳葉片有限距離上就閉合的條件，研究了應(yīng)用于空泡螺旋槳力學(xué)的一般理論。在這里利用了動量守恒原理和動能定理，他得到了螺旋槳理論的普通公式

研究這些公式，我們可以得出結(jié)論，不管是對于空泡螺旋槳，還是對于無空泡螺旋槳，總可以給它找到那樣一個直線形渦線的支承系統(tǒng)，這個系統(tǒng)所形成的自由渦系與螺旋槳形成的自由渦系一樣，并且給出與螺旋槳一樣的拉力和功率數(shù)值。

然后，H．H．波良霍夫在公式(12)和(13)的基礎(chǔ)上作出結(jié)論，既然空泡螺旋槳和無空泡螺旋槳在相同的幾何攻角下，其葉元體的升力系數(shù)不同，那么這些螺旋槳的誘導(dǎo)速度也將是互不相同的。

實(shí)際上，H．H．波良霍夫建議在設(shè)計空泡螺旋槳時，使用無空泡螺旋槳的一般關(guān)系式，只是應(yīng)該注意到，在計算里必須引進(jìn)空泡翼型的Cx和Cy的數(shù)值。2