一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法

本发明涉及船舶模型试验领域，更具体地说，本发明涉及一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法。

背景技术：

1、在船舶模型试验中，船模自航试验和动力定位模型试验等一类试验需要在船模上安装与船模等缩尺的推进系统，通过开展相应模型试验，模拟实际的工作状态，以评估螺旋桨在船后的推力、效率等特性，以确保螺旋桨能够在实际运行中产生恰当的推力有效地推进船舶，协助船桨配合设计。

2、然而，在开展船舶模型试验尤其是自航模型试验时，为了在受到试验场地尺寸的限制的情况下保证采集到自航过程中足够长的稳定段数据，需要采用较大的缩尺比。这样的缩尺比对于船后的螺旋桨可能过大，导致缩尺后的螺旋桨无法满足临界雷诺数的要求，造成大缩尺比小尺度的模型桨桨叶切面上的流动状态与实桨不同，从而引起尺度效应，造成小尺度螺旋桨的推进性能和效率与实桨的差异，从而增加自航试验结果的系统误差。

3、鉴于此，使用小尺度螺旋桨得到的试验结果用于实尺度预报，需要一定的方法对小尺度螺旋桨的尺度效应进行修正，本发明提供种一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法。

技术实现思路

1、为了解决大缩尺比小尺度螺旋桨在自航试验、动力定位试验或其他船舶模型试验中，由于尺度效应引起推力性能变化，而无法将试验结果用于实尺度预报的问题，本发明提出一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，包括以下步骤：

3、s1、根据试验需求和实尺度螺旋桨实际尺寸参数确定试验对应的螺旋桨缩尺比，并根据螺旋桨缩尺比制作符合螺旋桨几何形状需求的小尺度螺旋桨；

4、s2、通过敞水试验获得小尺度螺旋桨在不同进速下的推力系数，绘制不同进速下的推力系数曲线；

5、s3、通过比较小尺度螺旋桨的推进系数曲线和实尺度螺旋桨的目标推力系数曲线，判断小尺度螺旋桨的是否存在尺度效应；若存在尺度效应，根据推力等效的方法，将小尺度螺旋桨的试验结果与实尺度螺旋桨的目标推力进行尺度等效数据修正；

6、s4、根据尺度等效数据修正后的试验数据点开展后续实船性能预报，协助船型、船桨匹配的设计和优化。

7、在一个优选的实施方式中，比较小尺度螺旋桨的推进系数曲线和实尺度螺旋桨的目标推力系数曲线通过公式进行比对分析，其中公式为：

8、

9、其中，为j进速系数；kt为该进速下的小尺度螺旋桨的推力系数；ktm(ji)为进速系数ji下模型小尺度螺旋桨的目标推力系数；kts(ji)为进速系数ji下实尺度螺旋桨的目标推力系数；p所为允许的最大推力系数误差比例。

10、在一个优选的实施方式中，所述小尺度螺旋桨是否存在尺度效应的具体逻辑为：

11、若小尺度螺旋桨的推进系数不满足公式(1)时，则小尺度螺旋桨存在尺度效应，需要对使用该小尺度桨开展试验后得到的数据进行修正；

12、若小尺度螺旋桨的推进系数满足公式(1)时，则小尺度螺旋桨不存在尺度效应，不需要进行修正。

13、在一个优选的实施方式中，所述推力等效的方法具体包括以下逻辑：

14、s31、对小尺度螺旋桨的推力系数曲线进行多项式拟合，具体采用三次或二次多项式进行拟合，得到推力系数关于进速系数的拟合多项式曲线；

15、s32、针对船舶模型试验中提取的小尺度螺旋桨对应的进速、转速试验数据点，计算所述进速、转速试验数据点对应的第一进速系数，将计算得到的第一进速系数代入s31中拟合多项式曲线中，计算所述进速、转速试验数据点的第一推力系数，根据第一推力系数进一步计算所述进速、转速试验数据点的第一推力值。

16、s33、根据实尺度螺旋桨的额定推力系数曲线，以试验数据点的第一推力值等效为实尺度螺旋桨的第二推力值，基于推力、推力系数、进速系数的关系，求解以实尺度螺旋桨的转速为未知量的方程组，得到与小尺度螺旋桨等推力的等进速下的符合实尺度螺旋桨的第二推力系数，所述第二推力系数对应的进速、转速数据点作为尺度等效数据修正后的试验数据点；

17、s34、重复s32-s33，将其余使用小尺度螺旋桨开展试验获得的数据点代入求解得到尺度效应修正后试验数据点。

18、在一个优选的实施方式中，进速系数j与进速v、转速n的关系，可以表示为:j＝v/nd，d为试验小尺度桨的直径。

19、在一个优选的实施方式中，推力值t与推力系数kt的关系可表示为t＝ktρn2d4，ρ为试验时水的密度。

20、本发明一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法的技术效果和优点：

21、1.本发明能够解决大缩尺比小尺度螺旋桨在自航试验或其他船舶模型试验中，由于尺度效应引起推力性能变化，通过拟合小尺度螺旋桨的推力系数曲线，并基于等推力条件，构建推力等效方程组，从而计算出实尺度螺旋桨的旋转速度。通过这种方法，可以修正试验数据，以减小由尺度效应引起的系统误差，从而提高试验结果的可用性，减小使用大缩尺比小尺度螺旋桨进行试验所产生的系统误差。

22、2.本发明基于等推力的条件，构建推力等效方程组，求解得到与小尺度螺旋桨等推力的实尺度螺旋桨转速，可以更有效地计算实尺度螺旋桨的旋转速度，从而节省计算时间，方便地对采用小尺度螺旋桨的试验的尺度效应进行修正。

技术特征：

1.一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，比较小尺度螺旋桨的推进系数曲线和实尺度螺旋桨的目标推力系数曲线通过公式进行比对分析，其中公式为：

3.根据权利要求2所述的一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，所述小尺度螺旋桨是否存在尺度效应的具体逻辑为：

4.根据权利要求3所述的一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，所述推力等效的方法具体包括以下逻辑：

5.根据权利要求4所述的一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，进速系数j与进速v、转速n的具体计算公式为：

6.根据权利要求5所述的一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，其特征在于，推力值t与推力系数kt的具体计算公式为：

技术总结
本发明属于船舶模型试验领域，本发明公开了一种基于推力等效的中小尺度螺旋桨尺度效应修正方法，根据试验需求和实尺度螺旋桨实际尺寸参数确定试验对应的螺旋桨缩尺比，并根据螺旋桨缩尺比制作符合螺旋桨几何形状需求的小尺度螺旋桨；通过敞水试验获得小尺度螺旋桨在不同进速下的推力系数，绘制不同进速下的推力系数曲线；通过比较小尺度螺旋桨的推进系数曲线和实尺度螺旋桨的目标推力系数曲线，判断小尺度螺旋桨的是否存在尺度效应；若存在尺度效应，根据推力等效的方法，将小尺度螺旋桨的试验结果与实尺度螺旋桨的目标推力进行尺度等效数据修正；根据尺度等效数据修正后的试验数据点开展后续实船性能预报，协助船型、船桨匹配的设计和优化。

技术研发人员：杨建民,吕海宁,兰一雄,徐胜文,彭涛,寇雨丰,代燚
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22