对转螺旋桨敞水试验技术
Fluent螺旋桨敞水试验模拟简要教程
CFD螺旋桨敞水试验模拟教程
（特点：适用于普通电脑，4G内存电脑计算收敛仅需5分钟，精确度高，推力误差通常小于5%，力矩误差更低。
）
1、建立螺旋桨三维模型（注意模型质量）
2、制作旋转域（用小圆柱除去螺旋桨）
剖视图
3、制作静域（不旋转域）
非旋转域剖视图4、装配，保存成STP文件。
5、打开ansys导入stp文件
6、进入mesh模块，命名好各个面，划分网格
7、Update至fluent求解器
网格优化、设置材料、设置湍流模型、设置MRF、设置边界条件、求解方法设置、收敛监测、初始化、迭代计算。
8、计算收敛，查看结果。
如果有细节之类的不懂，可以私信我，看到我会解答。
~。
船舶与海洋工程实验技术-螺旋桨敞水试验指导书
0、前言1、敞水箱安装2、仪器安装及操作2.1 动力仪3、敞水试验数据处理图1 敞水箱图1 动力仪图2 电机图3 3KW稀土直流电动机调速装置图4 转速数字显示仪图5 WD990 微机电源图6 操作台整体视图图7 放大器背面接口图8 放大器正面图9 8HZ采集程序图标图10 敞水自航双桨图11 敞水系统设定图12 敞水数据采集图13 8HZ数据处理图14螺旋桨敞水性征曲线表目录表1 自航仪规格表型号参考如下表格。
类别量程系数电压（V）德国自航仪10kg25kg.cm推力：34.2扭矩：82.5推力：6.0扭矩：10.0德国自航仪（坏头）10kg25kg.cm推力：35扭矩：82推力：6.0扭矩：10.0自航仪5# （702所）10kg30kg.cm推力：33.75扭矩：69推力：6.0扭矩：10.0自航仪9# （702所）10kg30kg.cm推力：33.2扭矩：67.6推力：6.0扭矩：10.0自航仪（702所）25kg50kg.cm推力：40扭矩：167推力：12.0扭矩：12.0德国自航仪桨径( m)水密度零扭矩转速进速推力扭矩扣零扭矩进速系数推力系数扭矩系数效率系数D ρM0n(rpm) V（m/s）T（kg）M（kg.cm）Q=M-M0J=V/DnKt=T/ρn2D410Kq=Q/ρn2D5η=K1/K2*J/2π。
螺旋桨敞水性能预报讲解
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
计算域的确定
•进口在前桨中心线上游 4 倍前桨直径处，出口在前桨中心 线下游 4 倍前桨直 径处，外边界直径为 5 倍前桨直径
•计算域分为前桨、后桨两个域，各自独立划分网格
•采用结构化-非结构化多块混合网格划分方法
湍流模式选择
标准 k- ε 模型
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
• 怎样划分网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
通常的求解器选取（张志荣，2004）
a. 直接求解三维不可压RANS方程
b. 微分方程离散：有限体积法
c. 对流项离散：二阶迎风格式 d. 扩散项离散：中心差分格式
e. 压力耦合方程求解：SIMPLE方法
桨摩擦力的预报精度会影响螺旋桨敞水性能的预报精度
？
加密桨叶表面及附近网格能提高摩擦力预报精度 , 从而提高 推力和扭矩的预报精度（胡芳琳、张志荣）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 吊舱推进器 •
吊舱推进器CFD计算特点：
•螺旋桨与吊舱存在相互作用 •需研究斜航时系统受力情况 •吊舱推进器分为推式和拉式两种 •需使用滑移网格技术来求解螺旋物吊舱相互影响的非定常 问题 , 滑移网格技术是用来处理 存在定子麟子相对运动问 题的较理想的方法
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式 a.SA模型 b.标准k-ε模型 c.RNG k-ε模型 d.Realizable k-ε模型 e.标准k-w模型 f. SST k-w模型
二、影响计算的主要因素及其选取
敞水实验报告
船模与渔具水动力实验室桨模敞水试验报告姓名：专业：班级：所属课程：试验日期：同组者：年月日船模与渔具水动力实验室螺旋桨模型基本信息模型浆编号：形式：直径D(mm)：螺距比P/D：盘面比Ae/Ao：叶数Z：叶厚比：毂径比：后倾角：最大叶宽比：旋向：一、螺旋桨敞水性特征计算表模型编号__________________________模型直径D__________________________叶厚分数t0/D__________________________水温__________________________ 试验编号__________________________盘面比A e/A o ________________________毂径比d b/D ___________________________ 密度ρ________________________ 比例尺λ__________________________ 螺距比P/D _________________________叶数Z____________________________日期___________________________螺旋桨雷诺数计算公式：1、曾用公式：Re=nD2/v或者V p D/v 2、1978年ITTC规定公式：Re＝{b0.75R[V p2+(0.75πnD)2]1/2}/v螺旋桨敞水性能无因次系数：1、进速系数：J p＝V p/nD 2、推力系数：K T=T/ρn2D43、扭矩系数：K Q=Q/ρn2D54、敞水效率：η0＝K T J P/K Q2π二、螺旋桨敞水性特征曲线0.10.30.20.50.60.4 1.00.80.90.70.10.20.30.60.50.40.70.80.91.0KT10K Qη三、试验结果的分析、讨论四、教师评阅成绩: 签名:。
船舶实验
船舶与海洋工程实验技术实验报告班级：姓名：学号：指导老师：华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室2016年6月1日螺旋桨敞水试验一、实验目的(1)对于某一具体的螺旋桨，通过模型试验可以确定实际螺旋桨的水动力性能。
(2)通过多方案的试验研究，可以分析螺旋桨的各种几何要素对水动力性能的影响。
(3)检验理论设计的正确性，不断完善理论设计的方法。
(4)通过对螺旋桨模型的系列试验，可以绘制成专用图谱，供设计螺旋桨使用。
现时广泛使用的楚思德B 系列图谱和MAU 系列图谱等都是螺旋桨模型系列敞水试验的结果。
二、实验原理满足以下条件：几何相似； 螺旋桨模型有足够的深度； 试验时雷诺数应大于临界雷诺数。
进度系数相等。
22412252(,)(,)A A V nD T n D f nD V nD Q n D f nD ρνρν==螺旋桨雷诺数采用ITTC 推荐表达式：νπ2275.0)75.0(Re nD v c a +=临界雷诺数一般大于3×105为消除自由液面影响，桨模的沉深深度：m s D h )0.1-625.0(≥三、实验设备主要设备是螺旋桨动力仪 。
四、实验内容敞水试验通常是保持螺旋桨转速不变，改变拖车前进速度。
速度范围应从Va ＝0至推力小于零的进速之间，在该范围内测点取15个左右。
1、敞水箱安装敞水箱为流线型，螺旋桨的轴从敞水箱的前端伸出箱外，外伸长度必须使桨模位于箱前的距离大于螺旋桨直径的3倍，以避免箱体的影响。
敞水箱样式如下图所示。
动力仪和电机安装在敞水箱内。
2、仪器安装及操作进入数据采集界面，如图所示。
在拖车开动之前，要对采集系统进行调零。
即在水池水面平稳状态下，点击系统设定里面的“调零保存”，使该通道的工程值基本在0附近飘动。
在拖车开动之前，我们要给螺旋桨一定的转速。
具体转速的确定，要根据具体情况确定。
由进速系数公式 可知，螺旋桨直径D已定，如果螺旋桨转速n太低，我们需要提高进速V，才能是J达到足够到。
螺旋桨敞水曲线与流场的CFD不确定度分析
螺旋桨敞水曲线与流场的CFD不确定度分析螺旋桨是船舶设备中最重要的部件之一，具有强大的推进力和扭矩，可以让船舶顺利航行。
对于螺旋桨的设计和优化，越来越多地依赖于计算流体力学（CFD）分析。
螺旋桨的设计目标是最大限度地提高其效率和推力。
在螺旋桨运动中，液体将随着螺旋桨的旋转而形成流动。
在这个过程中，螺旋桨的性能受到液体流动的影响。
因此，在设计螺旋桨时，必须考虑流场的影响。
CFD技术可以用来模拟螺旋桨周围的流场。
能够解决一些难以实验研究的问题，为螺旋桨的设计和优化提供宝贵的信息。
但是，这种技术也有一定的局限性和不确定性。
对于螺旋桨的CFD分析，最大的不确定性源于流场模拟。
因为液体流动过程非常复杂，需要考虑诸多因素，比如流速、液体特性、涡旋扭转等。
CFD技术采用了数学方法来模拟流体的流动，需要处理大量的方程组。
因此，CFD技术的可靠性取决于三个方面：数值算法、离散化方法和模拟条件。
首先，数值算法影响CFD的精度。
数值算法决定了求解流动方程组的方法。
如果数值算法本身不准确，计算出来的结果也会有某种程度的误差。
因此，为了减小不确定性，需要在CFD模拟中选择合适的数值算法。
其次，离散化方法是影响CFD精度的另一大因素。
离散化方法决定了流场被划分为小单元（有限元）的方法。
由于流场并非是连续的，若流场被分割的越小，精度越高。
但同时，由于计算量的增加，计算时间也会相应的增加。
因此，在CFD模拟中需要在准确性和计算速度间寻找平衡点，以确定合适的离散化尺度。
最后，模拟条件如何影响模拟结果是CFD模拟中的另一个重要方面。
模拟条件包括模拟几何、边界条件、流体特性等。
在CFD模拟中，正确的模拟条件对于结果的准确性具有重要意义。
例如，如果流体的粘度参数不准确，结果将会偏差很大。
综上所述，CFD技术在螺旋桨的设计和优化中具有不可替代的作用。
但是，对于螺旋桨的CFD分析，不确定度常常存在，主要源于流场模拟的误差。
在CFD模拟中，数值算法、离散化方法和模拟条件都会影响模拟结果的准确性，因此一个完全可靠的模拟需要在这些方面进行充分考虑。
船舶推进第4章螺旋桨模型的敞水试验
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
应用因次分析法可得推力系数、转矩系 数和效率函数：
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
二、函数内各项的物理意义
6
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
结论：当螺旋桨在敞水中运转时，如浆 轴沉没较深，则其水动力性能只与进速 系数和雷诺数有关，即：
螺旋桨模型试验时的雷诺数无法保持与实桨相 同，若雷诺数过低，则由于桨叶切面上流动状 态与实桨不同，将使试验结果无实用价值，因 此必须确立一个模型桨试验的最低雷诺数值称为临界雷诺数。决定粘性流体流动状态的基 本参数之一为雷诺数，当雷诺数足够大时，界 层中的流动才能达到紊流状态，故临界雷诺数 乃为保证模型界层中达到紊流状态的最低雷诺 数。
15
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
临界雷诺数：是保证模型界层中达到紊流状态 的最低雷诺数。有两种结论： 1、肯夫试验结论：
2、1978年ITTC推荐值（采用上海交大的根据试 验研究提出的意见）：
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
上海交大的浆模试验研究结果之一：
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船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
船舶原理
2019年11月18日
1
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
第四章 螺旋桨模型的敞水试验
螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称 为敞水试验。
试验目的
1、根据系列试验结果，整理后绘制成专门图 谱，供设计使用。
2、是校核和验证理论方法必不可少的手段。
2
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
3、根据系列试验结果，可以系统地 分析螺旋桨各种几何要素对性能的影 响，以供设计时正确选择螺旋桨参数， 并为改善螺旋桨性能提供方向。
螺旋桨敞水试验
43
4.2 敞水试验过程
桨模制作:敞水桨模直径为0.2-0.3ｍ 通常用巴氏合金、铜合金、不锈钢或铝等 金属 桨模 精度在0.05ｍｍ
44
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47
4.2 敞水试验过程
将敞水动力仪固定在水池拖车上，预先应 进行校验和标定 将桨模安装在敞水动力仪上，叶背向前 , 浸没深度大于桨径 试验前应先根据桨模的几何尺寸，如直径 Dm 和 0.75R 处 切 面 的 弦 长 及 临 界 雷 诺 数 3.0×105 ,确定桨模要求的最小转速，估算 J ＝ 0 时桨模可能发出的最大推力及吸收的 转矩，保证在动力仪量程范围内 48
14
n D gD
2 2
2 相似条件及要求
综述：螺旋桨在敞水中运转时，如桨 轴沉没较深，则其水动力性能只与进速系 数J和雷诺数Re有关。 由进速系数相等的条件可得
V Am V AS n m Dm n s Ds V Am nm 1 V AS ns
15
2 相似条件及要求
由雷诺数相等的条件可得
21
2 相似条件及要求
进速系数相等
VAm VAS nm Dm ns Ds
22
03
PART THREE
试验设备
23
3.1 敞水动力仪（H29-1）
敞水试验的专用设备
它包括自航动力仪、光栅编码器(测速发电 机)、驱动电机及传动机构 敞水动仪功能是测量安装在轴上的桨模的 。 转速、推力和扭矩
24
12
2 相似条件及要求
T f 1 ( D, n, V A , , , g )
2 2 2 V nD n D T n 2 D 4 f 1 ( A , , ) nD gD
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8.4.1 对转螺旋桨敞水试验技术
敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。
敞水试验的目的是：
（1）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱；
（2）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为改进设计和优化设计提供试验数据；
（3）提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。
一、试验方法和试验设备
螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J。
雷诺数、弗氏数、相对潜深都属于
限制参数。
为了消除自由液面的影响(兴波和吸气)，螺旋桨的轴线潜深应大于或等于一个桨径。
为了避免严重的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作专门讨论。
试验方法有二种：
(1)固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速度法；
(2)固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转速法。
目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。
螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱体之间的轴向距离要求大于2—3倍桨直径。
另一种是炮弹式敞水试验装置。
其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。
动力仪及驱动螺旋桨的传动轴系安装在圆柱体内。
圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一直伸到水面上，安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转动。
这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许增大潜深，提高车速。
敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。
中国船舶科学研究中心水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。
螺旋桨转速由光电式或磁电式速度仪测量。
图8-8是鱼雷对转桨试验装置的示意图。
图8-8 鱼雷对转桨试验装置示意图
1- 内轴；2-外轴；3-空心万向轴节；
4-空心动力仪；5-换向齿轮箱；6，7-万向联轴节
8-减速齿轮箱；9-光电测速仪；10-电机。
二、敞水试验数据表达
敞水试验测量的数据有：前桨推力、前桨扭矩、后桨推力、后桨扭矩；螺旋桨
转速n、拖车速度。
为了便于比较分析，通常均以前桨直径无因次化。
前桨推力系数
前桨扭矩系数
后桨推力系数
后桨扭矩系数
总推力系数
总扭矩系数
螺旋桨进速系数
螺旋桨敞水推进效率
以进速系数为横坐标，以、、10、、、、为纵坐标绘制出螺旋桨敞水性征曲线。
图8-9表示鱼雷螺旋桨敞水性征曲线。
图8-9 鱼雷螺旋桨敞水性征曲线
三、尺度效应和临界雷诺数
桨模雷诺数有几种表达形式，常用的有
特征叶宽雷诺数
平均叶宽雷诺数
式中——0．75 桨叶处弦长；
——桨半径；
——桨叶数；
——盘面比。
下面以特征叶宽雷诺数来讨论螺旋桨敞水试验中的尺度效应影响。
桨模试验的尺度效应问题一直受到人们的注意，有关这方面的试验研究工作也很多。
上海交通大学船模试验水池对五个几何相似的桨模进行过详细的试验研究。
图8-10至图8-12表示其试验结果。
由图可
知，随雷诺数增加，将减小，略有增加，而也有所增加。
当雷诺数大于
以后，试验结果几乎与雷诺数无关。
所以在进行敞水试验时，桨模雷诺数应等于或大于此值，此值称临界雷诺数。
图8-10 推力系数与雷诺数的关系
瑞典人比杰姆(E.Bjam)研究过关于对转桨桨模的临界雷诺数问题。
他计算了几对对转桨，在雷诺数
～范围内，桨叶剖面最低阻力系数没有明显变化。
中国船舶科学研究中心水池对四对桨进行了雷诺数影响试验，其结果表示在图8-13上，试验表
明,以后，工作点附近的螺旋桨敞水效率基本稳定。
因此说，对转桨敞水试验应同单桨情况一样，。
8.4.2 对转螺旋桨自航模试验
自航试验的目的是研究雷体与螺旋桨之间的相互作用。
由试验得到两者之间的干扰因子，通常称为自航因子。
这些因子是：实效伴流分数、推力减额分数t和相对旋转效率。
本节首先谈谈这些自航因子的基本物理意义，然后再介绍取得这些自航因子的自航试验方法。
图8-11 扭转系数与雷诺数之间的关系
图8-12 螺旋桨敞水效率与雷诺数的关系
一、雷体与螺旋桨的相互作用
当螺旋桨以转速n工作时吸收的扭矩为，产生的推力为，克服雷体阻力，使鱼雷以速度
向前航行。
显然，螺旋桨的推进效率为
(8-51)
式中——有效功率；
——螺旋桨收到功率。
螺旋桨位于雷尾伴流中，实际进流速度是
螺旋桨实际产生的推力是
图8-13 对转桨敞水效率随雷诺数的变化
因此，螺旋桨推进效率又可以表示成
(8-52) 进而，又可以表示成
(8-53)
式中、——螺旋桨敞水状态的推力和扭矩；
、——螺旋桨在雷后工作时的推力和扭矩
——螺旋桨敞水状态的推进效率；
——螺旋桨在雷后和敞水状态的效率比，可称相对旋转效率；
——雷身效率。
下面分别讨论各自航因子的成因及其含义。
二、自航试验
(1) 相似准则和条件
自航试验是雷体与螺旋桨组合体的模型试验，因此在决定模型试验相似准则和条件时，必须考虑到雷体和螺旋桨这两方面，即雷模和桨模的弗劳德数、雷诺数、相对潜深，此外桨模还要求能满
足运动相似准则——进速系数J。
满足无明显粘性尺度影响的临界雷诺数要求是
雷模×
桨模×
由于是水下深潜试验，桨模的临界雷诺数相对要求较高。
美国D．T．NSRDC水池甚至建
议×。
雷模的临界雷诺数要求比较容易满足，因此自航试验的模型比尺和试验速度，通常根据桨模雷诺数的要求来决定。
(2) 自航试验设备和试验方法
雷模自航试验的主要设备是自航箱、螺旋桨动力仪、测速仪、齿轮箱、电机等。
自航箱是一个要求水密的金属箱体。
自航试验方法有纯粹自航和强迫自航二种。
纯粹自航试验方法是在拖车速度不变的情况下，由伺服系统自动跟踪调整螺旋桨的转速，使螺旋桨发出的推力正好克服雷体受到的阻力，雷模完全处在自由的自航状态。
强迫自航试验方法是借调整强制力以保持雷模和拖车速度相一致，即在固定拖车速度的情况下，将螺旋桨调到适当的转速并调整强制力，使螺旋桨发出的推力与雷模的阻力和强制力平衡。
每一拖车速度，变化4—5个螺旋桨的转速和相应的强制力，强制力的大小应有正、负变化。
强制力为零时就是相应该拖车速度下的雷模自航点。
自航试验步骤是先进行雷模的阻力拖曳试验。
然后在同一安装状态下进行雷模的自航试验。
常规的自航试验应有5—9个速度的自航点。