螺旋桨敞水性能预报讲解
基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报_王超
基于CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报王 超,黄 胜,解学参(哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001)摘 要:运用计算流体力学软件对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了某型螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场情况等。
在数学建模的过程中,利用F O RT RA N 语言编制了计算螺旋桨型值点的程序,然后把计算值导入Fluent 的前处理器Gam -bit 进行建模,并采用样条曲线去拟合各个型值点,从而建立了光滑的三维螺旋桨表面外形。
介绍了利用Fluent 软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某一标准螺旋桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与试验测量值作了比较。
由对结果的比较分析可知,基于CF D 方法可以形象、真实地获知螺旋桨表面的压力以及尾部流场的分布情况,并且数值仿真结果可以满足工程应用。
关键词:螺旋桨;水动力性能;Fluent ;粘性流场;数值模拟中图分类号:U 664.3 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2008)04-0107-06Hydrodynamic performance prediction of some propeller based on CFDWANG Chao ,H UANG Sheng ,XIE Xue -shen(Co lleg e of Shipbuilding Engineering ,H arbin Engineering Univ .,H arbin 150001,China )A bstract :CFD so ftw are w as used to calculate the performance of propeller in the viscous flow regio ns and sim ulate the th rust and to rque coefficients ,the pressure and velocity distributions o f propeller ′s w ake flow at diffe rent advance coefficients .The points of propelle r w ere calculated by FO RT RAN pro gram ,w hich w ere used to set up geo metry in Gambit .Also the m ethod of NU RBS w as used to create the configuration of propelle r .The pro cess o f using Fluent to calculate the open w ater perfor -mance of propeller w as introduced .The computed results w ere co mpared with the expe rimental data .At the same time ,som e numerical survey of propelle r ′s perform ance condition w as also introduced .Key words :propeller ;hy dro dy namic perform ance ;Fluent ;viscous flo w ;numerical simulation近年来,随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展,计算流体力学(CFD )技术取得了蓬勃的发展。
船舶螺旋桨敞水性能预报方法研究现状
第19卷 第12期 中 国 水 运 Vol.19 No.12 2019年 12月 China Water Transport December 2019收稿日期：2019-05-12作者简介：骆 雨（1997-），男，武警海警学院机电管理系。
郑 高（1977-），男，博士，武警海警学院机电管理系副教授。
船舶螺旋桨敞水性能预报方法研究现状骆 雨，郑 高（武警海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801）摘 要：本文总结了当今针对螺旋桨敞水性能研究预报的四种方法：理论法、试验法、基于势流理论的预报方法、基于粘流理论的CFD 方法，并介绍各自特点，对比四种方法的优缺点。
最后得出结论：基于粘流理论的CFD 方法考虑了水流自身存在的粘性作用，同时依托于计算机技术，计算简洁，精度和效率高，大大减少了人力、物力、财力的消耗，因此逐渐成为研究螺旋桨敞水性能的主要方法。
关键词：敞水性能：预报方法；螺旋桨中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）12-0006-03一、引言船舶在各种工况下航行时一定会受到复杂的阻力作用，为满足舰艇在航行时可以根据实际情况调节航行速度，就必须有提供足够动力的装置，即船舶推进器[1]。
螺旋桨是当今为大部分船舶提供动力的核心装置，这是由于它不仅仅能够在多种航行工况下稳定工作，而且在性能和效率上对船舶的速度也有很大的提升。
船舶螺旋桨工作时，尾流场及舵流场会对螺旋桨流场造成扰动，导致螺旋桨周围流场复杂多变。
如何将螺旋桨流场变化情况准确、及时的预报就具有非常重要的研究意义。
螺旋桨工作造成的空泡及船体振动都会对船舶造成不良影响，而这些因素的研究基于对螺旋桨流场的深入研究。
目前，主要采用以下三种方法进行螺旋桨敞水特性的研究：（1）在某一特定水域中进行模型试验，虽然方法较为原始，但结果准确可靠，因此使用依旧较广泛。
（2）基于构造简洁的流动模型作出假设，针对势流理论进行研究，并对研究结果作出科学分析。
螺旋桨敞水实验报告
螺旋桨敞水实验报告螺旋桨敞水试验报告螺旋桨敞水实验一、实验目的和意义螺旋桨模型的敞水实验是在循环水槽中测试螺旋桨模型单独在水流条件下进行的性能试验，是《船舶推进》课程在整个教学过程中的一个重要环节，其目的：1、配合自航试验分析船舶推进的各种效率成分，并预估实船推进性能2、分析比较各种螺旋桨设计方案的优劣，选择性能最佳的螺旋桨3、进行螺旋桨系列试验，将其结果综合绘制成图谱，供设计螺旋桨使用。
4、根据螺旋桨试验结果，进行螺旋桨理论的验证，分析几何参数对螺旋桨性能的影响规律。
二、模型试验要求和准备工作图2.1 螺旋桨敞水试验布置图1、桨模敞水试验的相似定理：桨模和实桨满足几何相似、运动相似、动力相似才能将模型试验数据应用在实桨上。
为避免缩尺影响过大，桨模试验的雷诺数Re必须超过临界值，螺旋桨的雷诺数根据1957年ITTC会议推荐采用的下列定义式Re?-- -- -- -- --其中C0.750.75R（半径）处叶剖面的弦长（m）螺旋桨的直径（m）螺旋桨的进速（ms）螺旋桨的转速（rounds）水的运动粘性系数（ms） 52DVAn根据1978年ITTC会议建议，临界雷诺数为Re临?3.0?10。
2、为避免自由面兴波和吸入空气对桨性能产生不利影响，在桨模进行敞水试验时，其浸没与水中的深度应满足h?1.0D，其中h 为桨轴中心线距水面的距离（m）。
3、敞水动力仪的流线罩与桨模安装位置应有足够大的距离，以避免因流线罩干扰的水流影响试验结果。
一般要求桨轴伸出在罩外的长度大于三倍桨模直径。
4、螺旋桨轴端身在前面，其轴端平面对水流的干扰将影响进入桨面的水流，因此在试验时应加装导流罩帽。
桨模后方也应装有光顺的过渡导流罩，以使将毂到桨轴的阶梯处不致产生涡流。
5、螺旋桨动力仪在试验前应作静校验，并应测量轴承摩擦损耗和桨轴在水中旋转时的摩擦损耗?Qs和?Ts，以便对试验结果进行修正。
校验时，将动力仪按照试验要求装载拖车上，在装桨模的位置处安装个假毂，其外形与桨毂相同，重量与桨模相近，可用铜或铅制成，桨轴埋水深度按试验要求放置。
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
渡船螺旋桨水动力性能的数值预报
数值模型和方法的准确性与可信性， 数值计算其推力系数、 力矩系数和敞水效率。整个计算域网格划分均采用
全六面体形式， 分别采用三种湍流模型进行计算。计算结果与实验的比较表明， SST 模型和雷诺应力模型有近
乎相同的计算精度， 但 SST 模型的计算速度更快； 推力系数误差最大 5.8% ， 力矩系数误差最大为 1.7% ， 敞水效率 误差最大为 4.3% 。然后， 将此方法运用到渡船螺旋桨， 通过对渡船螺旋桨的网格灵敏度、 尺度作用以及相关的 流场分析， 证明该方法能实现对螺旋桨敞水粘性流场的模拟， 以及其敞水性能的预报。 中图分类号： U661.31+3
lence model is lower，and its error in the thrust coefficient，torque coefficient，and efficiency are 5.8% ，
0
引
言
旋桨水动力性能研究就是其中的一个方面。 Morgut 和 Nobile［1］运用结构化网格和非结构化混 合网格分别对 DTMB P5168 桨进行了敞水数值计 在 运 用 CFD 方 法 研 究 螺 旋 桨 水 动 力 方 面 ，
doi： 10.3969/j.issn.1673-3185.2014.01.008 网络出版地址： /kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.01.008.html
第9卷 第1期 2014 年 2 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
期刊网址：
Vol.9 No.1 Feb. 第20报
仝博， 王永生， 杨琼方， 苏永生， 易文彬
基于OpenFOAM的螺旋桨敞水性能预报方法-郑巢生张志荣(30)
第3期
郑巢生等： 基于 OpenFOAM 的螺旋桨敞水性能预报方法
船舶设计原理4-1性能预报讲解
GM值大于0.1
即可。一般而言，只是对小油
船才需进行这种核算；中型油船的初稳性易于保证； 对于大型油船，从横摇角度看，则常嫌初稳性值过大。
(4)拖船
从论述拖轮初稳性的许多文献中，列举几种衡 准方法于表4-2中，以供比较。 港作拖轮的 GM ／ B 值通常大些，国内这类船的
GM／B在0.12～0.13范围。
船身效率、相对旋转效率和齿轮箱Байду номын сангаас率、轴系效率。
(1) 敞水效率o
在初选了主机、螺旋桨直径、转速及叶数以后，
为求得较高的敞水效率，须选用合适的螺旋桨设计图
谱。对于中低速运输船舶，常用MAU系列(日本运输
省船舶技术研究所)；B系列(荷兰瓦根宁根船模试验
水池)等图谱。对于空泡要求较高的军用舰船和民用 船舶，可选用高恩阔叶螺旋桨设计图谱。
2．初稳性的上限值GMmax
初稳性上限值是从横摇缓和性上考虑的，若船在
波浪中的摇摆周期短、摆幅大，则不仅影响船舶的安 全性，船上作业也很困难，货物会移动受损，乘员会 晕船或感到不舒服。因此设计时，在保证初稳性下限 的前提下，应力求使船的横摇缓和些。
船在波浪中的横摇周期T ，与初稳性高GM直接有 关，从下面近似估算公式可以看出，它们之间的关系。
(4)NPL系列 英国国家物理研究所提供的高速圆舭
排水型艇的系列资料。
(5)长江客货船系列 上海船舶运输科研所提供的长
江客货船裸体有效功率估算资料，适用于我国内河船舶，
尤其是受航道限制、船宽大、吃水浅的双桨内河客货船。
以上资料，凡与船舶设计有关的单位，都可方便地
查阅。
2、推进系数估算
式中，o、H、R 、G、S－螺旋桨敞水效率、
式中，C－依船的具体特征而变的系数，在 0.75～0.85之间选取。 我国沿海常见的大的波浪，波长λ=60~70m， 波浪周期Tw =0.8 ，为避免谐摇，则希望
考虑诱导速度的螺旋桨敞水性能CFD模拟
考虑诱导速度的螺旋桨敞水性能CFD模拟
赵辰;杨晨俊
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2014(32)3
【摘要】螺旋桨工作时在其周围形成诱导速度场,诱导速度随到桨叶距离的增大而衰减。
采用CFD方法模拟螺旋桨敞水性能时,只能截取有限尺度的流域进行计算,此时计算域边界上诱导速度并不为零,将进口速度设为进速是近似的。
一般采用足够
大的计算域,使螺旋桨前方及侧面边界尽量远离桨叶。
为了在较小的计算域中实现
螺旋桨敞水性能的准确预报,提出在设定进口速度时计入螺旋桨诱导速度的CFD模拟方法。
应用升力面方法计算诱导速度,将进口速度设为进速与诱导速度之和。
逐
步减小计算域尺度,考察敞水性能及压力分布计算结果的变化情况及精度。
算例比
较表明:通过考虑诱导速度,可以大幅度减小进口与螺旋桨的距离而不降低计算精度。
【总页数】7页(P72-77)
【关键词】螺旋桨;敞水性能;诱导速度;CFD;UDF
【作者】赵辰;杨晨俊
【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U661.1
【相关文献】
1.CFD敞水螺旋桨性能计算分析 [J], 缪宁跃;孙江龙
2.大侧斜螺旋桨敞水与空化性能数值模拟 [J], 张光明; 章杰
3.大侧斜螺旋桨敞水与空化性能数值模拟 [J], 张光明;章杰
4.基于自研CFD求解器的螺旋桨敞水数值模拟方法研究 [J], 金奕星;吴乘胜;王建春;王星;郑巢生
5.CFD方法预报螺旋桨敞水性能及CFD方法不确定度分析 [J], 杨雨潇
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Rhee and Josh ，2003 ：k-w 湍流模型，对一5页桨计算，10%误差 唐登海，1997 ：B-L 代数湍流模型，对DTRC419桨计算，压力分布、 螺旋桨流场三维流动特性及尾流结果良好，边界层、某些地方的速度 分量偏差较大 张志荣，2004 ：SST k-w湍流模型，对许多螺旋桨模型取得成功， 部分工作点工况偏差较大
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
螺旋桨流场计算域
二、影响计算的主要因素及其选取
• 样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 螺旋桨敞水性能计算的一般步骤
• 数值方法（Numerical Method）的选取 离散格式 求解算法 湍流模式
• 几何建模与网格划分（Model Geometry and Grid Generation） • 计算结果考察分析（Result Analysis）
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 流场预报需考量的因素
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
龚吕，2007 ：标准k-ε模型，对六叶斜侧反扭桨计算， 高富东，2010 ：k-ε、k-w、RSM模型，对DTMB4119桨计算，敞水 性能最大误差k-ε（7.41%）、k-w（11.21%）、RSM（5.47%）
二、影响计算的主要因素及其选取
f. 离散的代数方程求解：Gauss-Seidel迭代法
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
选取的依据： a. 流场的流动特点 b. 计算精度要求 c. 计算硬件条件 d. 计算时间要求
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
Rhee and Josh ，2003 ：k-w 湍流模型，对一5页桨计算，10%误差 唐登海，1997 ：B-L 代数湍流模型，对DTRC419桨计算，压力分布、 螺旋桨流场三维流动特性及尾流结果良好，边界层、某些地方的速度 分量偏差较大 张志荣，2004 ：SST k-w湍流模型，对许多螺旋桨模型取得成功， 部分工作点工况偏差较大 刘志华，2007 ：改进的RNG k-w模型，对六只代表性螺旋桨计算， 结果表明对敞水性能预报精度高，流场特性方面，压力系数和诱导速 度基本吻合，但在桨叶尾涡诱导速度峰值处误差大
• 网格划分
• 流场预报需分析的结果
• 网格敏感性 • 雷诺数影响 • 敞水特征曲线 • 倒车性能 • 尾流考察
• 离散格式
• 求解算法
• 湍流模式
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算的特点
桨叶前、后缘相对于其弦中部位，压力分布的计算值与测量值偏差很大
与升力相比，阻力计算值与测量值偏差较大
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
从阻力结果来看，SST k-w模型最接近实验结果，SA模型小很多， 其他几种湍流模型预报值比较符合
从桨盘面轴向速度看，没有一种湍流模型能完全模拟试验结果
综合阻力和轴向速度，RNG k-ε模型和SST k-w比较适合，后者更好
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
螺旋桨敞水性能预报
报告人：孙文愈
一些铺垫
• 螺旋桨敞水试验（Open Water Test）
螺旋桨模型单独地在均匀水流中进行试验
• 敞水试验的目的
推力系数KT（Thrust Coefficient） 扭矩系数KQ（Torque Coefficient） 敞水效率eta（Open Water Efficiency） 随进速系数J（Advance Ceofficient）的变化规律
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
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
三种网格形式计算结果比较
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式
5.087
3.909
1.187
二、影响计算的主要因素及其选取
SA模型
标准k-ε模型
RNG k-ε模型
Realizable k-ε模型
标准k-w模型
SST k-w模型
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式
二、影响计算的主要因素及其选取
一些铺垫
• 左图为SSPA Da-Qing Li 对某桨的敞水性能计算结 果
螺旋桨敞水特性（Open Water Character）曲线
目录
一、螺旋桨敞水性能计算概述
二、影响计算的主要因素及其选取
三、不同螺旋桨方法选择与研究情况
四、总结
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算
与螺旋桨敞水试验相对应传播的船舶计算流体力学CFD计算工作
• 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
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
阻力对推力贡献越小的桨叶，计算结果偏差越小
桨叶推力系数与船体阻力系数之比易于得到准确的结果
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算的特点
1、桨叶推力系数与船体阻力系数之比易于得到准确的结果 2、在相对坐标系中，敞水条件下的螺旋桨扰流呈定常流动状态 3、由于周期性，只需计算1/z部分流场——计算量小 4、不存在标称伴流值严重受制于紊流模型发展情况的现象 5、不存在自由面效应问题