3. 螺旋桨敞水特性曲线
螺旋桨在船后工作时，桨盘前方的水流会受到船体伴流的影响，桨盘后方的水流又会被船体尾部的流场干扰，因此桨的推力和转矩并不能直接反映桨本身的性能。为了把螺旋桨作为一个独立的流体动力部件来研究，工程上采用敞水试验：把螺旋桨单独安装在敞水试验台的尾轴上，在均匀来流中运转，测量不同进速与转速组合下的推力 T 和转矩 Q，再换算成无量纲系数，绘制成敞水特性曲线。这条曲线是螺旋桨设计、船机桨匹配和推进轴系选型的基础数据。
一、敞水试验的物理条件与测量量
敞水试验的核心是保证“均匀来流、无船体干扰、桨轴浸没足够深”。试验在拖曳水池或空泡水筒中进行：拖车带动桨轴以进速 VA 前进，电机驱动螺旋桨以转速 n 旋转，测力天平测出推力 T，扭矩仪测出转矩 Q。改变 VA 或 n，就得到一系列工况点。试验中需要控制的量包括：桨轴浸深（避免吸入空气）、来流湍流度、水温（影响水的密度与黏性）、桨模与实桨的雷诺数相似性。工程上常用等转速变进速或等进速变转速两种方式扫描工况。
需要特别说明参照约定：本文中进速 VA 取螺旋桨相对水的轴向前进速度，单位 m/s；转速 n 取每秒转数，单位 r/s（注意不是 rpm）；推力 T 沿桨轴向前为正，单位 N；转矩 Q 为使桨顺时针（从船尾向船首看）旋转所需的力矩，单位 N·m；水的密度 ρ 单位 kg/m³。全文与图示均采用这一约定。
二、三个无量纲系数
敞水试验的直接测量值随尺寸、转速、进速变化，无法直接比较，因此要无量纲化。定义直径 D（m），则：
- 推力系数 KT = T / (ρ n² D⁴)，表征螺旋桨产生推力的能力；
- 转矩系数 KQ = Q / (ρ n² D⁵)，表征吸收转矩的大小；
- 进速比 J = VA / (nD)，表征来流速度与桨叶圆周速度的相对关系，是敞水曲线的横坐标。
KT 与 KQ 都是 J 的函数。J 增大意味着来流更快或转速更低，桨叶各剖面的攻角减小，推力与转矩随之下降。当 J 增大到某一值时 KT = 0，此时螺旋桨不产生推力，对应的进速比称为零推力进速比 J0；若 J 继续增大，KT 变为负值，螺旋桨进入风车状态（水轮机工况），这在船舶顺流滑行或主机停车拖桨时会出现。
三、敞水效率曲线
敞水效率定义为有用功率与吸收功率之比：
η_0 = (T · V_A) / (2π n · Q)
= (K_T · ρ n² D⁴ · J n D) / (2π n · K_Q · ρ n² D⁵)
= (J / 2π) · (K_T / K_Q)可见 η0 完全由 J、KT、KQ 决定。η0 随 J 的变化呈先升后降的拱形：J = 0（系柱工况）时 VA = 0，效率为零；J 接近 J0 时 KT 趋零，效率也回到零；中间存在一个最佳进速比 Jopt，对应最高敞水效率 η0,max。设计良好的船用螺旋桨 η0,max 通常在 0.55～0.70 之间，高速桨偏低，低速大直径桨偏高。
四、从曲线读出工程信息
敞水曲线不只是三条线，它把螺旋桨的工作状态分区表达得很清楚。J 接近 0 的区域是系柱工况：船速为零、桨仍在转，KT 与 KQ 都最大，主机负荷最重，常见于拖轮起拖、船舶离泊。J 在 Jopt 附近是设计工况区，效率最高，是螺旋桨设计时追求的目标。J 接近 J0 的区域是轻载区，推力趋零，若主机继续供油，转速会迅速上升，形成“飞车”风险，这是轴系与主机匹配中必须校核的边界。
实际使用中，常把敞水曲线与船体阻力曲线、主机外特性曲线画在同一张图上做船—机—桨匹配。例如某船设计航速对应 VA = 4.2 m/s，桨直径 D = 1.8 m，设计转速 n = 4.0 r/s，则 J = 4.2/(4.0×1.8) ≈ 0.583。若该桨在 J = 0.58 处 KT ≈ 0.20、KQ ≈ 0.030，取 ρ = 1025 kg/m³，可算得 T ≈ 0.20×1025×16×10.5 ≈ 34.4 kN，Q ≈ 0.030×1025×16×18.9 ≈ 9.3 kN·m，η0 ≈ (0.583/6.283)×(0.20/0.030) ≈ 0.62。这组数值属于教学示例假设，用于说明计算路径，不代表任何实桨实测结果。
五、试验数据处理要点
从原始测量到敞水曲线，需要做几件事：一是把转速统一换算为 r/s，避免 rpm 与 r/s 混用导致系数差 60² 量级；二是对每个工况点计算 J、KT、KQ，剔除明显偏离趋势的坏点；三是用最小二乘拟合 KT(J)、KQ(J) 的多项式，工程上常用二次或三次多项式，便于后续插值和船机桨匹配计算；四是对模型桨与实桨做尺度效应修正，因为模型雷诺数低，摩擦阻力占比偏大，KQ 会偏高，需按 ITTC 推荐方法修正到实桨雷诺数。修正后的曲线才是实船推进计算的输入。