船用螺旋桨敞水性能数值分析
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
第4章 螺旋桨模型的敞水试验汇总
第四章螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。
它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。
螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。
螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是：①进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。
现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。
②根据系列试验的结果，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各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向。
③校核和验证理论方法必不可少的手段。
④为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。
为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。
§4-1 敞水试验的相似条件从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。
研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。
下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。
可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速VA、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g有关。
换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即T = f1(D，n，V A，ρ，ν，g)，为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作：T = k D a n b cAVρd νe g f(4-1)式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。
船舶螺旋桨的设计与计算过程.解析
某沿海单桨散货船螺旋桨设计计算说明书刘磊磊20081013202011年7月某沿海单桨散货船螺旋桨设计计算说明书1.已知船体的主要参数船长 L = 118.00 米 型宽 B = 9.70 米 设计吃水 T = 7.20 米 排水量 △ = 5558.2 吨 方型系数 C B = 0.658 桨轴中心距基线高度 Zp = 3.00 米由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：航速V （kn ） 13 14 15 16 有效马力PE （hp ） 2160 2420 3005 40452.主机参数型号 6ESDZ58/100 柴油机 额定功率 Ps = 5400 hp 额定转速 N = 165 rpm 转向 右旋 传递效率 ηs=0.983.相关推进因子伴流分数 w = 0.279 推力减额分数 t = 0.223 相对旋转效率 ηR = 1.0船身效率 0777.111=--=wtH η4.可以达到最大航速的计算采用MAU 四叶桨图谱进行计算。
取功率储备10%，轴系效率ηs = 0.98 螺旋桨敞水收到马力： P D = 4762.8 hp根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的Bp --δ图谱列表计算：项 目 单位 数 值 假定航速V kn 1314 1516V A =(1-w)V kn 9.373 10.09410.81511.536Bp=NP D 0.5/V A 2.569.013042 69.01304 69.0130422569.01304225Bp268.96548323.7116 384.6505072451.9996707MAU 4-40δ75.6 72.10878 64.87977369 60.744 P/D 0.64 0.667321 0.685420561 0.720498 ηO 0.5583333 0.582781 0.6057068060.62606P TE =P D ·ηH ·ηOhp 2863.9907 2989.395 3106.994626 3211.4377 MAU 4-55δ74.629121 68.63576 63.56589147 59.341025 P/D 0.6860064 0.713099 0.740958466 0.7702236 ηO 0.5414217 0.567138 0.590941438 0.6111996 P TE =P D ·ηH ·ηOhp 2777.2419 2909.156 3031.255144 3135.1705 MAU 4-70δ73.772563 67.77185 63.0305555658.68503P/D 0.69254 0.723162 0.754280639 0.7861101 ηO 0.5210725 0.54571 0.565792779 0.5828644 P TE =P D ·ηH ·ηOhp2672.86012799.2382902.2542 2989.8239据上表的计算结果可绘制PT E 、δ、P/D 及ηO 对V 的曲线，如下图所示。
使用Fluent软件的螺旋桨敞水性能计算分析
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CFD敞水螺旋桨性能计算分析
CFD敞水螺旋桨性能计算分析缪宁跃;孙江龙【摘要】根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型.基于计算流体动力学(CFD)理论和CFD商业软件进行研究,采用分区混合网格力案和动网格技术及旋转坐标(MRF)方法,结合RANS方程和RNG湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟,得到该螺旋桨的推力及其转矩.经与试验结果比较分析,证实该方法能实现对螺旋桨的敞水粘性流场模拟,预报其敞水性能.%According to projection theory and curved-surface offsets, a 3D geometry model of propeller was built. Based on computational fluid dynamics (CFD) method, the sub-domains hybrid meshes method,the dynamic meshes method and the moving reference frame(MRF) method were adopted to simulate the hydrodynamic performance of propeller in open-water by using the Reynolds-Averaged NavierStokes (RANS) equation and RNG turbulence models. Thrust and torque of the propeller in open water were obtained and compared with experimental results. The results show the proposed method can achieve the numerical prediction of hydrodynamic performance for propeller in open water.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2011(006)005【总页数】6页(P63-68)【关键词】三维模型;CFD;动网格;MRF;敞水件能【作者】缪宁跃;孙江龙【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】U664.331 引言由于数值模拟相对于实验研究具有独特的优点，如成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态，因而目前计算流体动力学（CFD）技术被广泛应用于工程领域。
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。
螺旋桨敞水试验实验报告
螺旋桨敞水实验
一、试验过程
1、按照临界雷诺数的要求，螺旋桨模型的试验转速应当尽可能高一些。
但是还应考虑到动力仪量程的限制和水槽流速可能达到的最大进速，最后选定试验转速。
2、试验时进速A V 的变化范围应从0A V =开始至推力T 为负值止。
在此区间内选择10个速度点进行试验。
3、保持螺旋桨转速不变，使水流稳定在某一个速度，同步测量下列数据： 螺旋桨转速n （r s ）、前进速度A V （m s ）、推力0T （N ）、扭矩Q （N m ⋅）。
4、 改变水流速度和转速，重复下一组参数试验。
二、实验数据记录及处理
1．螺旋桨敞水实验相关参数： 桨模直径： D=0.1175m 桨叶数： Z=4 螺距比： P/D=0.8 模型缩尺： λ=40
实验水温： t=淡水20℃
2.敞水实验记录数据及螺旋桨敞水性征系数
3.敞水性征曲线图（J—K T、10K0、η0）。
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船用螺旋桨敞水性能数值分析作者：顾铖璋郑百林来源：《计算机辅助工程》2011年第04期摘要：为预测某船用螺旋桨在不同螺距下的敞水性能，对标准螺旋桨DTMB 4119的敞水性能进行数值模拟，得到的推力因数和扭矩因数计算值与试验值的对比表明通过求解RANS方程模拟螺旋桨黏性流场是可行的.用该方法预测某船用螺旋桨的敞水性能：模拟得到不同螺距下螺旋桨推力因数、扭矩因数和表面压力因数的变化以及尾流情况.通过RANS方法可以较准确地分析船用螺旋桨敞水性能.关键词：船用螺旋桨；敞水性能；螺距；表面压力；尾流中图分类号： U664.33； TB115.1文献标志码： BNumerical analysis on open water performance ofship propellerGU Chengzhang, ZHENG Bailin(Institute of Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract： To predict the open water performance of a ship propeller under different pitches, the numerical simulation on open water performance of the standard propeller DTMB 4119 is performed. The comparison of computation results and test results of thrust coefficient and torque coefficient indicates that it is feasible to simulate viscous flow field of the propeller by solving RANS equations. The method is applied to predict the open water performance of a ship propeller, and the thrust factor, torque factor, surface pressure factor, and wake flow are simulated under different pitches. The open water performance of a ship propeller can be well analyzed by RANS method.Key words： ship propeller; open water performance; pitch; surface pressure; wake flow0引言随着现代计算机硬件以及数值算法的快速发展，RANS方法在目前流场分析及工程设计优化中的应用越来越广，解决了很多通过经典算法以及传统试验难以解决的问题.从第22届国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）开始，RANS方法开始被应用到船用螺旋桨的水动力分析中［1］，而在此之前，螺旋桨的设计以及性能预测主要基于势流理论建立的升力面理论［2］和面元法［3］，与其相比，RANS方法能更快地模拟螺旋桨附近的黏性流场.1螺旋桨三维黏性流场的数值模拟为验证通过求解RANS方法预报螺旋桨三维黏性流场的准确性，以DTMB 4119桨为例，对其桨叶周围的黏性流场进行数值模拟.DTMB 4119桨被ITTC选为考证数值方法预报精度的标准螺旋桨,其桨叶直径为0.3048 m，叶剖面为NACA-66mod型，毂径比为0.2.［4］1.1理论基础RANS方程中的连续性方程［5］可用笛卡尔张量表示为（1）动量方程可表示为-（2）式中：ρ为流体密度；μ为流体动力黏性因数；μt为湍流动力黏性因数.若流体为不可压缩流，则（3）1.2CFD计算模型螺旋桨流场的计算域见图1，包括外部大圆柱形区域（直径1.60 m）和内部小圆柱形区域（直径0.36 m）.内区采用非结构化网格（见图2），并在螺旋桨表面划分5层棱柱体网格来更好地模拟边界层的流动；外区采用结构化网格，内外区的交界面定义为interface.采用动参考系模型计算，即内区定义为与螺旋桨同步转动，而外区则采用绝对坐标系.湍流模型采用RNG k-ε模型，定义残值收敛标准为5E-5.1.3边界条件设置设内流场的转速为600 r/min，而外流场则在绝对坐标系下静止，流场入口设置为速度入口，其速度vA根据螺旋桨的进速因数J换算得到，换算公式为J=vA/nD式中：n为螺旋桨的转速；D为桨叶直径；vA为入口速度.出口设为压力出口，大圆柱体表面设为对称边界条件，桨叶和桨毂表面设为无滑移壁面.1.4计算结果1.4.1敞水性能计算结果及验证进速因数分别取为0.500，0.600，0.700，0.833，0.900和1.100，计算得到不同进速因数下的螺旋桨桨叶的推力和扭矩值，换算得到推力因数KT和转矩因数KQ并与试验值［6］进行比较，其中，KT=F/ρn2D4KQ=M/ρn2D5式中：F和M分别为螺旋桨桨叶的推力和扭矩值.由图3可知，计算所得的推力因数与试验值在进速因数低于0.833时吻合较好，而转矩因数与试验值误差始终很小，可见虽然计算中采用的RANS方法未能考虑桨叶周围的流场从层流向湍流的过渡，但对本文的计算精度影响很小.2船用螺旋桨水动力性能计算及分析2.1螺旋桨三维模型螺旋桨桨模的几何尺度如下：叶片数Z=5，螺旋桨直径d=3 800 mm，旋转速度n=210r/min.将螺旋桨桨叶的切面型值坐标转换为三维空间坐标，随后在CATIA中建立桨叶各切面的样条曲线，最后由各切面的样条曲线生成桨叶叶面.采用前述的相同方法求解螺旋桨的黏性流场，计算过程中各个参数设置与标准桨一致.2.2不同螺距比下螺旋桨水动力性能在不同螺距比下的螺旋桨推力因数和转矩因数见图4，可知，螺旋桨在3种不同螺距比下的推力因数和扭矩因数随进速因数的变化趋势相同.(a)推力因数分布(b)扭矩因数分布螺旋桨的敞水效率η=KTJ/(2πKQ)不同螺距比下的敞水效率见图5，可知，当此螺旋桨的螺距比为1.473及1.600时，在进速因数J小于1.1的区间内未达到其最大敞水效率，而当螺距比为1.23时，此螺旋桨的最大敞水效率出现在进速因数0.95左右处.此外，该螺旋桨在螺距比为1.230的工况下，其在低进速因数下的敞水效率虽高于另两种螺距比工况，但当进速因数高于0.95后，其敞水效率随进速因数的增大急剧下降.2.3不同螺距比下螺旋桨表面压力因数当进速因数J=0.8时，不同螺距比下螺旋桨在其半径比为r/R=0.35处的表面压力因数Cp 分布见图6.（a）螺距比为1.230时的压力因数分布（b）螺距比为1.473时的压力因数分布（c）螺距比为1.600时的压力因数分布通过控制云图每一级的数值可知，随着螺距比的增大，吸力面上的负压因数逐渐增大，且负压区向导边方向靠近.2.4不同螺距下螺旋桨尾流J=0.8时螺旋桨尾流情况见图7.螺旋桨对流场的抽吸作用使螺旋桨尾流的外直径小于螺旋桨的直径，在同一螺距下，螺旋桨的尾流螺距随进速因数J的上升而增大，由图7可知，在不同螺距下螺旋桨的尾流螺距随螺旋桨螺距比的增大而增大.(a)螺距比为1.230(b)螺距比为1.473(c)螺距比为1.600图 7J=0.8时螺旋桨尾流情况Fig.7Propeller wake flow when J=0.83结论(1)对某标准桨叶的敞水性能进行数值模拟，结果与试验值吻合较好，验证通过求解RANS 方程模拟螺旋桨黏性流场方法的可行性.(2)通过求解RANS方程对某船用螺旋桨进行水动力分析，计算螺旋桨在3种不同螺距比工况下的敞水性能，可知螺旋桨在不同螺距工况下，其推力因数和扭矩因数随进速因数的变化规律相似，但敞水效率差异较明显.不同螺距下螺旋桨表面的压力因数分布以及螺旋桨的尾流情况也略有不同.(3)本文未考虑螺旋桨的空化现象，而在螺旋桨的某些工况下，空化现象的确存在，此点有待进一步研究.参考文献：［1］The 22nd ITTC Propulsion Committee Workshop. Propeller RANS/Panel methods［R］. Grenoble, France, 1998: 23.［2］YANG C J，WANG G Q，KOIZUKA H．Study on performance and spindle torque of CPP［J］. J Soc Naval Arch West-Jpn, 1994(87): 27-37.［3］董世汤, 唐登海, 周伟新. CSSRC的螺旋桨定常面元法［J］. 船舶力学, 2005, 9(5): 46-60.DONG Shitang, TANG Denghai, ZHOU Weixin. Panel method of CSSRC for propeller in steady flows［J］. J Ship Mech, , 2005, 9(5): 46-60.［4］李巍, 王国强, 汪蕾. 螺旋桨黏流水动力特性数值模拟［J］. 上海交通大学学报, 2007, 41(7): 1200-1204.LI Wei, WANG Guoqiang, WANG Lei. The numerical simulation of hydrodynamic characteristics in propeller［J］. J Shanghai Jiaotong Univ, 2007, 41(7): 1200-1204.［5］王福军. 计算流体动力学分析: CFD 软件原理与应用［M］. 北京: 清华大学出版社, 2004: 7-13.［6］KOYAMA Koichi. Comparative calculations of propellers by surface panel method［J］. Papers Ship Res Inst, 1993, 15(S1): 57-66.(编辑于杰)。