將螺旋槳葉看作是一扭曲的翼，套用流體力學的環流理論來分析螺旋槳水動力性能的理論。可分為升力線理論相升力面理論。升力線理論是一束渦流強度沿葉半徑變化的渦線代替螺旋槳葉以計算其水動力性能；升力面理論用分布於葉面上的渦面代替螺旋槳葉進行計算。升力線理論由於未計及槳葉寬度及厚度的影響，需要對計算結果進行外力面修正。隨著計算機的發展及套用，升力面理論在實際套用方面已得到很大進展。
基本介紹
- 中文名：螺旋槳環流理論
- 外文名：circulation theory of screw propeller
- 所屬領域：流體力學
- 分類：升力線理論相升力面理論
- 別稱：升力線理論
- 設計方法：近似法、精確法
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基本原理
對於推進器的理論，各國科學家與工程師提出過多種理論，其中多數關於螺旋推進器，並且主要分為三個流派。一是動量理論流派，其認為螺旋槳之推力乃因其工作時使水產生動量變化所致，所以可通過計算水的動量變化率來得到推力；二是葉原體理論流派，通過計算葉片每一葉元體的受力，並加以累加得到所有螺旋槳葉片的推力和轉矩；三是環流理論流派，其將流體力學中的機翼理論套用於螺旋槳，分析葉元體的受力及其與水流度相互影響的關係，並與前兩個理論聯繫起來，從而形成了螺旋槳的環流理論。
設計方法
在實際套用中，螺旋槳環流理論設計有2種方法：一種為近似法，即戈爾斯坦函式法；另一種為精確法。一般來說，與近似法相比，精確法使用誘導因子對切向和軸向誘導速度等參數進行求解，對螺旋槳設計問題能夠給出許多精確的解。而近似法設計計算簡單，能夠給出與精確法計算相比相當一致的結果。
近似法
在螺旋槳環流理論設計過程中，引入了一些假定：螺旋槳的尾流不收縮，忽略徑向誘導速度，總的誘導速度與入流速度垂直等。按照上述假定，軸向和切向誘導速度之間有簡單的三角關係表達式，而且與戈爾斯坦函式k相關。計算中利用Kramer曲線作為螺旋槳效率的第一次近似，以利於初步估算螺旋槳的水動螺距角。環流理論是建立在無粘流體基礎上的，粘性的作用使扭矩增大、推力減小，可進行必要螺距修正。
精確法
在精確法中，考慮由Z個等距的空間螺旋線所誘導的速度分量。這些螺旋渦線是從螺旋槳葉片發出的螺旋渦片元體。因此由渦片所誘導的速度分量可以由從渦線的各個單元分量的積分而得，同時在一根渦線也能以誘導因子來表達。
用途
螺旋槳環流理論是利用流體力學的理論方法來解決螺旋槳下列兩類問題：
①給定螺旋槳的幾何形狀和運轉條件(包括它所處的伴流場)，通過理論計算的方法求出螺旋槳的水動力，槳葉剖面的壓力分布等，實際上就是藉助於理論方法來確定螺旋槳性能的問題，通常人們稱之為(計算的)正問題，亦有人稱為(設計的)逆問題；
②給定螺旋槳的運轉條件(包括所處的伴流場)，並提出對螺旋槳水動力性能的某些設計要求，例如提高效率，推遲空泡發生或縮小空泡區域，降低激振力或推遲梢渦空泡噪音的發生等等，然後根據理論研究的成果去控制某些變數或參數，設計出儘可能符合這些要求的螺旋槳幾何形狀，這類問題有人稱為(計算的)逆問題，亦有人稱為(設計的)正問題。
螺旋槳的葉數實際上是有限的，並且槳葉有旋轉運動，因此在空間的固定坐標系中，對指定的場點來說，由於槳葉對場點的相對位置隨時間而變化，故流場是非定常的。但在與螺旋槳固定在一起的旋轉坐標系中看問題時，如果螺旋槳在敞水或一個軸對稱的伴流場中運轉，則在該運動坐標系中的場點(與運動坐標系固定在一起)與槳葉的相對位置不隨時間而變化，而槳葉所遇的來流條件亦不隨時間變化，因此運動坐標系所表現的流場也不隨時間而變化，在螺旋槳理論中，是用此運動坐標系中的流場來定義定常或非定常的。如在這種運動坐標系中，流場不隨時間變化，則定義為定常運動，反之為非定常運動。顯然，在周向不均勻的伴流場中，由於槳葉所遇的來流條件隨時間而變化，引起槳葉的擾動亦隨時間變化，因此即使在運動坐標系中，流場仍然是非定常的。實際上運轉於船後的螺旋槳都屬於這種情況，即非定常運動。為簡化起見，常將伴流場理想化，或視作均勻流場(敞水情況)，或視作軸對稱流場(所謂船後狀態)。
螺旋槳葉片是一個作螺旋運動的機翼，所以機翼中的環流理論(也稱旋渦理論)是螺旋槳理論的基礎。事實上，螺旋槳理論中不少基本概念及模型的建立是從機翼理論中引伸過來的，只是由於螺旋槳不但有前進運動並且還有旋轉運動，故在處理上要比機翼理論複雜。
