螺旋桨四象限水动力性能数值计算
第３９卷第１期 上海船舶运输科学研究所学报 Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．１ ２０１６年３月 Ｊ０ｕＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＳＨＩＰ ＡＮＤ ＳＨＩＰＰＩＮＧ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ Ｍａｒ．２０１６
文章编号：１６７４—５９４９（２０１６）０１—００１—０７
螺旋桨四象限水动力性能数值计算
张文璨， 董国祥， 陈伟民， 杜云龙， 任海奎
（上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海２００１３５）
摘要：采用求解ＲＡＮＳ方程的方法并运用计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）软件Ｆｌｕｅｎｔ，对荷 兰ＭＡＲＩＮ船模水池Ｂ系列螺旋桨的敞水四象限水动力性能进行ＣＦＤ数值模拟；同时，将数值模拟结果与Ｂ系列 螺旋桨敞水四象限试验图谱进行比较。结果表明，计算误差较小，验证了计算策略的正确性，也为后续进行螺旋桨 四象限水动力性能研究打下了基础。 关键词：Ｂ系列螺旋桨；四象限；水动力性能；数值模拟 中图分类号：Ｕ６６１．３１ ３；Ｕ６６４．３３ 文献标志码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｕｒ－Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ
ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｃａｎ，ＤＯＮＧ Ｇｕｏｘｉａｎｇ， ＣＨＥＮ Ｗｅｉｍｉｎ， ＤＵ Ｙｕｎｌｏｎｇ， ＲＥＮ Ｈａｉｋｕｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｈｉｐ＆
Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｅｎ－ｗａｔｅｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｉｓ ａ ｈｏｔｓｐｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｍｕｃｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｔｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｌｖｉｎｇ ＲＡＮＳ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ，ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＲＩＮ ｓｅｒｉｅｓ Ｂ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｉｔｓ ｏｐｅｎ－ｗａｔｅｒ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ—ｇｒａｐｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｙ ｉｎｓｐｉｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＡＲＩＮ ｓｅｒｉｅｓ Ｂ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引 言
敞水桨四象限（前进中正车、前进中倒车、后退中正车、后退中倒车）水动力性能数值模拟是当前螺旋桨
计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）研究热点，但目前相关研究较少。由于螺旋桨四象限 动态模型领域在表达上有困难，因此迄今为止船舶运动仿真一般仅限于前向，即第一象限内的航行。螺旋桨
在反转和反向制动时将进入推力和扭矩的第二象限，而在船舶倒航时将进入第三象限，这超出了一般螺旋桨
图谱的表达范围，为螺旋桨逆转工况下的运动仿真带来了一定的困难。进行敞水桨四象限水动力性能研究 不仅具有诸多理论意义，而且是解决诸多舰船操纵性和速航性课题（离靠泊、舰船避碰、各种特殊机动）的关
键所在Ｌ１ ］。在该背景下，选取ＭＡＲＩＮ Ｂ系列螺旋桨中有代表性的螺距比Ｐ／Ｄ＝１．０、盘面比Ａ ／Ａｏ一０．７
的四叶桨Ｂ４—７０１０，对其敞水四象限水动力性能进行数值模拟，并将分析后的结果与Ｂ系列螺旋桨敞水四象
收稿日期：２０１５—０７—３１ 作者简介：张文璨（１９９Ｏ一），男，辽宁沈阳人，硕士生，主要从事船舶推进器水动力性能研究。
２ 上海船舶运输科学研究所学报 ２０１６年第１期
限试验图谱进行对比。结果表明：计算值与图谱值有较高的贴合性，采取的计算策略是成功的。
１ ＣＦＤ计算模型与计算策略
１．１计算模型
以选取ＭＡＲＩＮ Ｂ系列螺旋桨中有代表性的螺距比Ｐ／Ｄ＝１．０、盘面比Ａ ／Ａｏ一０．７的四叶桨Ｂ４—７０１０ 为研究对象，计算采用模型尺度，桨模直径Ｄ一０．２ ｍ。Ｂ４—７０１０模型的几何要素见表１。 裹１ Ｂ４－７０１０模型几何要素
ｒ Ｒ 半径／ｒａｍ 导边到参考线距离／ｒａｍ 螺距／ｒａｍ 纵倾／ｒａｍ
０．２ ２０ ３５．８９４ ６ １６４．４ ５．３５９
０．３ ３Ｏ ４０．２８７ ８ １７７．４ ８．０３８
０．４ ４０ ４３．１０４ ２ １９０．０ １０．７１８
０．５ ５０ ４４．０８３ ９ １８４．４ １３．３９８
０．６ ６Ｏ ４２．９２Ｏ ５ ２００．０ １６．０７７ ０．７ ７０ ３９．３３８ ７ ２００．０ １８．７５７
０．８ ８０ ３１．８７６ ６ ２００．０ ２１．４３６
０．９ ９０ １９．４０１ ５ ２００．０ ２４．１１６
利用Ｆｌｕｅｎｔ前处理软件Ｇａｍｂｉｔ建立Ｂ４—７０１０螺旋
桨的几何模型（见图１），具体步骤为： （１）螺旋桨二维几何数值进行坐标转化，得到螺旋
桨三维空间坐标点，并将三维空间坐标点文件导人到 Ｇａｍｂｉｔ中； （２）遵循“由点生线、由线生面、由面生体”的原则生 成螺旋桨实体。
１．２计算策略 １．２．１ 计算域及网格划分 计算域为与螺旋桨同轴的圆柱体（圆柱体的高度和 图１ Ｂ４－７０１０螺旋桨几何模型
直径分别）为螺旋桨直径的３０倍及１Ｏ倍），其中：速度人口距离螺旋桨约７倍螺旋桨直径；压力出口距离螺 旋桨约２０倍螺旋桨直径。
网格划分是指计算区域的离散化，即将空间上连续的计算区域划分为多个子区域，并确定每个区域中的
节点。网格划分的本质是用有限个离散的点代替原来的连续空间。数学上，生成网格后（离散化后）连续的 控制方程将被离散化，描写流动和传热的偏微分方程将转化为各个节点上的代数方程组。网格划分是ＣＦＤ
数值计算过程中最重要的环节，直接影响模拟的精度和效率。若网格过疏，则会导致模拟精度不高；若网格
过密，则又会导致计算量增大及计算难以收敛 引。
为便于进行网格划分，需要将无限流域流场空间划分为多个小空间。计算空间域被分为外部计算域、过 渡区和螺旋桨旋转域等３个部分。
（１）最外层为外部计算域，该区域中压力和速度分布变化并不剧烈，主要反映导管螺旋桨的来流和尾流 情况，因此可划分较粗的结构化网格；
（２）在外部计算域和螺旋桨旋转域的过渡区中，速度压力分布变化较为剧烈，需要加入较为细化的非结
构网格；
（３）在螺旋桨旋转域中，速度压力分布变化非常剧烈，应采用比过渡区更加细致的非结构化网格进行计 算。
在这３个区域中，外部计算域和过渡区均为静态域，而螺旋桨旋转域采用多重旋转坐标系（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｏ—
ｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｒａｍｅ，ＭＲＦ）模型，设置为绕Ｘ轴正方向旋转，角速度为２０ ｒ／ｓ。
在进口边界处设置为Ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ条件；出口边界定义为Ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｏｕｔｌ
ｅｔ边界；外部计算域圆柱体表 张文璨，等：螺旋桨四象限水动力性能数值计算 ５
Ｃｔ和扭矩系数ＣＱ，见表２～表５。
表２一象限计算数据分析结果
Ｖａ （。） ＣＴ ＣＱ
０．０ ０．０００ ０．２０８ ８ —０．３２６ ７ ０．７ ４．５４８ ０．２０１ ３ —０．２９３ ９
１．４ ９．０３９ ０．１６６ ４ —０．２４７７
２．１ １３．４２２ ０．１２６ ９ —０．１９８ ９
２．８ １７．６５０ ０．０８５ １ —０．１４３ ５
３．５ ２１．６８９ ０．０４１ ９ —０．０８３ ７
４．２ ２５．５１４ ０．０００ ０ —０．０２３ ４
４．９ ２９．１０９ —０．０４５ ５ ０．０４６ ７ ５．６ ３２．４７１ —０．０９４ ５ ０．１２３ ５
６．３ ３５．５９７ —０．１４５ ５ ０．２０３ ４
７ ３８．５０１ —０．１９６ ７ ０．２８３ ６
７．７ ４１．１８６ —０．２４７ ３ ０．３６２ ５
８．４ ４３．６６８ —０．２９６ ５ ０．４３８ ９ ９．１ ４５．９６３ —０．３４３ １ ０．５１２ ６
９．８ ４８．０７７ —０．３８６ ９ ０．５８１ １
１Ｏ．５ ５０．０３４ —０．４０２ ３ ０．６３２ １
表４三象限计算数据分析结果
（。） ＣＴ ＣＱ ０．０ １８Ｏ．０００ —０．１７３ ６ ０．３０８ ６
０．７ １８４．５４８ —０．１５７ ７ ０．２８２ ２
１．４ １８９．０３９ —０．１３Ｏ ８ ０．２１６ ７
２．１ １９３．４２２ —０．１０４ ５ ０．１４６ ８
２．８ １９７．６５０ —０．Ｏ６７ ８ ０．０８３ １
３．５ ２０１．６８９ ０．０００ ０ ０．Ｏ１６ ２ ４．２ ２０５．５１４ ０．０５３ ６ —０．Ｏ７１ ４
４．９ ２０９．１０９ ０．１０３ ２ —０．１４５ ６
５．６ ２１２．４７１ ０．１６４ ７ —０．２２０ ５
６．３ ２ｌ５．５９７ ０．２０２ ６ —０．２８７ ５ ７．０ ２１８．５Ｏ１ Ｏ．２６３ ７ ——０．３４２ １
７．７ ２２１．１８６ ０．３０６ ８ —０．４１２ ３
８．４ ２２３．６６８ ０．３４２ ７ —０．４９６ ５
９．１ ２２５．９６３ ０．３７４ ２ —０．５６１ ９ ９．８ ２２８．０７７ ０．４０２ ３ —０．６２６ ９
１Ｏ．５ ２３０．０３４ ０．４２２ ８ —０．６８８ ７ 表３二象限计算数据分析结果
Ｖａ ｐ／（。） Ｃｒ ＣＱ
０ １８Ｏ．０００ —０．１７３ ６ ｏ．３０８ ６
ｏ．７ １７５．４５２ —０．１６６ ４ ｏ．２９４ ５
ｌ＿４ １７０．９６１ —０．１５７ ７ ０．２５９ ４ ２．１ １６６．５７８ 一Ｏ．１８Ｏ ２ ０．２８４ １
２．８ １６２．３５Ｏ 一０．２０３ ４ ０．３３４ ３
３．５ １５８．３１１ —０．２６８ ３ ０．３９６ ５
４．２ １５４．４８６ 一ｏ．３２２ ４ ｏ．４８６ ７
４．９ １５Ｏ．８９１ —０．３８７ ７ ０．５５１ ２ ５．６ １４７．５２９ 一ｏ．４２８ ７ ｏ．６０３ ２
基于FLUENT的螺旋桨水动力性能研究
第６期
２０１１年６月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ２０１
文章编号：１００１—３９９７（２０１１）０６—０２０１—０２
基于ＦＬＵＥＮＴ的螺旋桨水动力性能研究 ：ｌ：
王翔刘正林张圣东王如意
（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉４３００６３）
Ｓｔｕｄｙ ０１３ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＵ ＥＮＴ
ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇ－ｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｒｕ－ｙｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） ｔ ，卜十 ＂十ｄｌ， 十ｄ 十 十ｄ 十、．一１ ｅ一十 ／卜十 ／ 十 ｔｄ ’ ＂ １、ｔ— ｑ、｛ ｑ、§ 十 一 １＼．一ｔ ｝ 十Ｊ 、ｔ ｑ、￡一十 ｌ １、§ 、●斤 ｄ 十ｄ 毫 ｑ、ｔ ， 十ｄ ｑ＼ｅ ， 【摘要】船舶性能ＣＦＤ计算领域有必要尽快形成螺旋桨敞抽胜能ＣＦＤ计算的快速预报能力，应
用ＦＬＵＥＮＴ软件对螺旋桨在粘性流场中的敞水性能进行计算研究。采用ＲＮＧｋ一８模型，对敞水螺旋桨
在不同进速系数下的推力系数、转矩系数进行模拟，对桨叶的叶背和叶面的表面压力分布进行了分析，
给出了敞水性能曲线的计算结果，并与经典巴布米尔图谱的相关曲线进行对比，对此桨的性能情况进
行了一些数值计算的考察，结果表明螺旋桨尾流场的模拟值与经验值基本符合，满足工程应用的精度
要求；对螺旋桨的设计有一定的参考价值。
关键词：螺旋桨；水动力性能；ＦＬＵＥＮＴ；数值模拟
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｑｕｉｃｋ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ＣＦＤ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｆｏｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｏｐｅｎ ｗａｔｅｒ
螺旋桨推力计算模型根据船舶原理知通过资料
螺旋桨推力计算模型根据船舶原理知通过资料
螺旋桨是船舶的主要推进器件，它的淌水特性对船舶的推力性能具有重要影响。螺旋桨推力计算模型可以根据船舶原理和相关资料提供有效的推力计算方法。本文将从螺旋桨的基本原理、淌水特性以及推力计算模型等方面进行详细介绍。
一、螺旋桨的基本原理
螺旋桨是船舶的主要推进器件，它由一系列螺旋线形成。当螺旋桨旋转时，水流会被螺旋桨叶片推动并产生一定的反作用力，从而推进船舶前进。
螺旋桨的推力主要来自两个方面：剪切推力和反作用推力。剪切推力是由于螺旋桨叶片在水中剪切水流所产生的，它与螺旋桨叶片弯曲及鼓波等因素有关；反作用推力是由于螺旋桨旋转所产生的反作用力，它与螺旋桨推进转速、直径和旋转方向等因素有关。
二、螺旋桨的淌水特性
1.淌水流场
螺旋桨在淌水过程中，会形成一定的淌水流场。这个流场受到螺旋桨叶片形状、转速和船舶运动速度等因素的影响，它对螺旋桨推力的大小和方向有重要影响。
2.淌水损失
由于螺旋桨叶片与水之间存在一定的摩擦和阻力，螺旋桨在淌水过程中会产生一定的淌水损失。淌水损失会降低螺旋桨的效率，因此需要通过推力计算模型来准确估计淌水损失。 3.淌水性能参数
为了描述螺旋桨的推力性能，可以引入一些淌水性能参数，如推力系数、功率系数和效率等。这些参数可以通过实验和理论模型来确定，从而有效评估螺旋桨的推力性能。
三、螺旋桨推力计算模型
为了准确计算螺旋桨的推力，研究者们提出了不同的推力计算模型。这些模型主要基于流体动力学原理和大量实验资料，可以较为准确地估计螺旋桨的淌水特性和推力性能。
推力计算模型可以通过以下几个步骤进行：
1.确定船舶参数
首先，需要确定船舶的一些参数，如船舶的船体形状、质量、速度和运动状态等。这些参数将用于计算螺旋桨的推力。
2.建立淌水流场模型
根据螺旋桨叶片形状和转速等参数，可以建立螺旋桨的淌水流场模型。这个模型可以通过数值计算方法或实验测试来确定。
实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟
实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟
作者：陈天福，王永生，庞之洋
来源：《机电信息》 2015年第27期
陈天福 王永生 庞之洋
（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）
摘要：为了避免尺度效应带来的影响，借助于计算流体力学软件，采用结构化网格和非结构化网格相结合的计算方法，进行了实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟，计算结果能够满足实尺度导管螺旋桨敞水性能预报的工程精度要求，与试验结果进行对比，最大误差在7%以内。通过对5组不同交界面的位置进行比较，得出了交界面位置对导管螺旋桨的水动力计算具有较大影响的结论。
关键词：导管螺旋桨；CFD；敞水性能；实尺度；交界面
0引言
至今，人们己经对螺旋桨做了很多深入的研究，致力于设计出具有更高效率、较小振动及更为安静的螺旋桨。随着研究的深入，开发出了一些在不同方面具有优势的特种推进器，导管螺旋桨就是其中一个。目前人们对导管螺旋桨水动力性能的研究方法主要有3种：一种是基于势流理论的理论研究，一种是试验研究，另一种是随着计算机迅速发展而新兴的计算流体力学方法［1-2］。
崔立新使用诱导速度来考虑螺旋桨与导管的相互干扰，基于势流理论对Ka4系列导管桨进行敞水性能计算，分析了进速系数对导管上的压力分布情况及其本身产生的附加推力的影响趋势［3］。吕晓军对导管螺旋桨的敞水性能进行了数值模拟，得到了在不同网格模型和湍流模型下导管螺旋桨的正车敞水性能曲线［4］。但他们都是对导管螺旋桨的模型进行建模分析，对实尺度进行预报时会产生尺度效应，司朝善等人通过对不同尺度模型敞水性能进行计算，研究了导管螺旋桨敞水特征随雷诺数的变化规律，结果表明尺度效应带来的误差可高达15.8%［5］。本文直接对导管螺旋桨进行实尺度建模，避免了尺度效应的影响。
文中用商业软件UG对某导管螺旋桨进行实尺度几何建模，然后用ANSYS软件的ICEM模块进行网格划分，采用结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格划分方法，将划分好的网格导入CFX模块进行计算。
螺旋桨数值模拟方法
- 1 - 螺旋桨数值模拟方法
螺旋桨数值模拟方法是一种基于计算流体力学理论的数值模拟方法，用于模拟螺旋桨在流体中的运动和受力情况。该方法可以帮助研究者了解螺旋桨在不同工况下的性能表现，优化螺旋桨设计，提高螺旋桨的效率和可靠性。
具体来说，螺旋桨数值模拟方法主要包括以下步骤：
1. 建立螺旋桨数学模型：根据螺旋桨的几何形状和物理特性，建立相应的数学模型，包括几何模型、流场模型和运动学模型等。
2. 离散化：将螺旋桨数学模型划分成有限个小元素，形成离散的数学模型。
3. 网格生成：将离散化后的数学模型转化成网格模型，用于计算流场的物理量。
4. 数值求解：使用计算流体力学方法对螺旋桨在流体中的运动和受力情况进行数值模拟求解，得到流场、压力场和速度场等物理量。
5. 结果分析：对模拟结果进行后处理和分析，评估螺旋桨的性能和优化设计。
螺旋桨数值模拟方法的优点在于可以有效地预测螺旋桨在不同流体中的性能表现，避免了传统试验方法的高成本和时间消耗。同时，该方法可以帮助优化螺旋桨的设计，提高其效率和可靠性，具有广泛的应用前景。
螺旋桨流体力学特性的数值模拟研究
螺旋桨流体力学特性的数值模拟研究
近年来，螺旋桨流体力学特性的数值模拟研究成为了流体力学领域的热点之一。螺旋桨可以说是现代航空、航海、轮船、汽车等领域不可或缺的重要元件，其对流体的作用和流体对其的作用会影响整个系统的性能。因此，准确地预测和优化螺旋桨的流体动力学特性对于提高其综合性能具有重要的意义。
数值模拟技术已经成为研究螺旋桨流体力学特性的一种重要方法。将有限体积法等数值方法应用于计算完全三维流动场，结合螺旋桨的结构特征和作用机理，模拟螺旋桨流体动力学特性，可以有效地研究螺旋桨的流体动力学特性，并指导螺旋桨的设计和改进。
首先，从数值模拟的角度出发，数值模拟方法的选择是关键。在螺旋桨数值模拟中，最常见的方法是有限体积法。
有限体积法是一种基于控制体积的数值方法，通过离散化计算区域内的控制体积，利用物理定律和数学方程式，求解时间和空间动态过程的一种方法。这种方法与有限元法、有限差分法等数值方法相比，具有精度高、计算速度快、适应性强和易于并行计算等优点。
其次，螺旋桨的流体动力学特性与其几何形状、工作状态、物理特性等因素有关。因此，在进行螺旋桨流体力学特性数值模拟时，需要考虑设计参数、流体流动状态、边界条件等因素。
设计参数包括螺旋桨的几何形状、叶片倾斜角、叶片数等参数。流体流动状态包括流速、流动方向、压力等。边界条件包括螺旋桨与周围环境的交界面流场状态。
最后，进行螺旋桨流体力学特性数值模拟时，需要注意诸如模型精度、计算步长、数值稳定性等细节问题。 模型精度包括计算网格、数值格式、求解器等方面的精度。计算步长与收敛性密切相关，过大或过小都会影响计算的准确性。数值稳定性是指计算过程中误差积累的情况，一般使用稳定化的数值格式来保证正确解的得到。这些细节问题的正确处理对于保证数值模拟的精确性具有重要意义。
总之，螺旋桨的流体动力学特性的数值模拟研究是一项十分重要的研究内容。通过合理地选择数值模拟方法、考虑螺旋桨几何形状、工作状态、物理特性等影响因素、并注意模型精度、计算步长、数值稳定性等诸多细节问题，可以更好地预测和优化螺旋桨的流体动力学特性，提高螺旋桨的综合性能。
(完整word版)船用螺旋桨的功率计算
(完整word版)船用螺旋桨的功率计算
船用螺旋桨的功率计算
功率（W） 直径(D） 螺距(P） 转/分(N）
功率（W）=(D/10）的4次方*（P/10）*（N/1000）的3次方*0。45
速度(SP）km/h=（P/10)＊(N/1000）*15.24
静止推力（Th）g=(D/10）的3次方*（P/10）＊（N/1000）的2次方*22
船用螺旋桨的工作原理
可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气 流由沿旋
转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1〈r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况.V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ-气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角.显而易见β=α+φ。
空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，合成后 总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角,J=V/nD。式中D-螺旋桨直径。理论和 试验证明:螺旋桨的拉力（T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η）可用下列公式 计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5
第七章螺旋桨的强度计算
342
第八章 螺旋桨的强度校核
为了船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸，若桨叶具有侧斜或纵斜，则离心力还要使桨叶产生弯曲。此外，桨叶上也可能受到意外的突然负荷，例如：碰击冰块或其他飘浮物体等。同时螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使桨叶受力产生周期性变化，故较难精确地算出作用在桨叶上的外力。
在计算桨叶的强度时，我们可以把桨叶看作是扭曲的、变截面的悬臂梁，而且其横截面是非对称的，故计算较为复杂，即使能正确地求得桨叶上的作用力，要精确地进行强度计算也是很困难的。目前，对于动态负荷(即计及伴流不均匀性影响)下螺旋桨的强度计算方法虽然有所发展，但计算繁复，付之实用还为时尚早。故在螺旋桨设计的实践中，一般都用理论和实验相结合的近似方法来进行螺旋桨的强度计算。
计算螺旋桨强度的近似方法很多，中国船级社于2001年颁发的《钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）中对螺旋桨的强度也有了规定，因为比较偏于安全，用近似方法计算的厚度未必一定能满足规范的要求，因此对“入级”海船应采用规范规定的方法计算。本章中主要介绍我国2001年《规范》的规定，由此确定桨叶厚度。为了使读者了解桨叶上的受力情况，对于分析计算方法也作必要的介绍。
§ 8-1 《规范》校核法
一、螺旋桨桨叶厚度的确定
为了保证螺旋桨的安全，中国船级社2001年《钢质海船入级与建造规范》第三分册第三篇第十一章中，对螺旋桨的强度要求作了明确具体的规定。
螺旋桨桨叶厚度t(固定螺距螺旋桨为0.25R和0.6R切面处，可调螺距螺旋桨为0.35R和0.6R切面处)不得小于按下式计算所得之值：
导管螺旋桨敞水性能数值计算方法研究
导管螺旋桨敞水性能数值计算方法研究
吴湘荣;王永生;蒋超
【摘 要】为实现快速预报导管螺旋桨敞水性能曲线，利用 CFD流体计算软件对导管螺旋桨敞水试验进行数值模拟。将计算结果绘制成的敞水性能曲线与实验结果进行比较，并对导管螺旋桨的敞水性能进行分析，验证数值模拟计算方法的可行性与准确性。分析螺旋桨敞水工作时的推力、力矩及敞水效率的变化特点发现，随着进速的增大，导管产生的推力不断减小并在高航速下转化为阻力。研究该导管桨在系泊工况下的敞水性能指标，对系泊工况边界条件的设置进行改进。%In order to
predict the open-water performance of ducted propeller quickly the CFD
software was used to simulate the open-water experiment of ducted
propeller. According to the results of calculation, the open-water
performance curves were drawn and compared with the results of
experiment. The open-water performance according to the results was
analyzedand it's feasibility and accuracy were verified. The parameters of
propeller in open-water is analyzed which including thrusttorque and
open-water efficiency. The thrust of the duct decreased with the increase
of the propeller’s velocity. And the performance index of the ducted
基于滑移网格技术计算螺旋桨水动力性能研究
第４２卷第５期 ２０１３年１０月 船海工程 ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ＿４２ Ｎｏ．５ Ｏｅｔ．２０１３ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７９５３．２０１３．０５．００６ 基于滑移网格技术计算螺旋桨水动力性能研究 张漫 ，黎胜 （大连理工大学ａ．工业装备结构分析国家重点实验室Ｉｂ．船舶工程学院，辽宁大连１１６０２４） 摘要：基于ＲＡＮＳ方程的ＣＦＤ软件数值模拟螺旋桨定常和非定常的水动力性能。定常计算采用多重 参考系ＭＲＦ模型，分别采用标准 一 的湍流模型，ＲＮＧ后一 湍流模型和Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｋ－ｅ湍流模型模拟在不同进速 系数时的推力系数和转矩系数。将模拟的数值结果与试验值相比较，计算结果表明，采用Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｋ－ｅ湍流模 型计算出的推力系数与转矩系数与试验值基本吻合，并以该结果为初始场，通过滑移网格技术，采用单机并行 计算螺旋桨非定常水动力性能。相较于定常计算结果更加接近试验值，说明滑移网格技术具有更高的精准 度，更加适用于计算螺旋桨的水动力性能。 关键词：螺旋桨；水动力性能；多重参考系模型（ＭＲＦ）；滑移网格（ＳＭ） 中图分类号：Ｕ６６４．３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７９５３（２０１３）０５－００２５－０５ 近２０年通过ＣＦＤ技术预测螺旋桨水动力 性能方面的应用越来越多，计算精度越来越高。 目前，采用ＲＡＮＳ湍流模型预报螺旋桨的水动力 性能，结果比较准确，这为螺旋桨的水动力性能 研究提供了新的途径¨ ｊ。由于螺旋桨在水中 做旋转前进，采用多参考坐标系模型不能模拟 螺旋桨的真实运动，这种模型也只能用于螺旋 桨定常水动力性能研究。滑移网格技术不仅能 够模拟螺旋桨实际旋转，而且还能用于螺旋桨 非定常水动力性能研究。本文通过Ｇａｍｂｉｔ软件 建立螺旋桨的三维模型，应用Ｆｌｕｅｎｔ软件，选取 ３种不同的湍流模型预报螺旋桨的定常水动力 性能，得出在不同进速系数时螺旋桨的敞水性 能曲线。采用ＳＭ模型预报螺旋桨的非定常水 动力性能，并对ＭＲＦ和ＳＭ模型计算结果进行 比效。 １ 数学模型 １．１控制方程 假定流体是不可压缩的，则流场的连续方程 和动量方程 。 分别为 收稿日期：２０１３—０３—２９ 修回日期：２０１３—０４—０ｌ 基金项目：辽宁省自然科学基金（２０１１０２０２９） 第一作者简介：张漫（１９８７一），女，硕士生 研究方向：螺旋桨噪声 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｍａｎ１９８７１２１７＠１６３．ｅｏｍ ：０ ｆ １） ｄ ａ（Ｕ ） Ｄ Ｐ 一盖＋ＪＤ ＋ ｐ毒 ＋ ）一 （２） 式中：ｕ ， ——速度分量时均值（ｉ， ＝１，２，３）； ｐ——压力时均值； ｐ——流体密度； ——流体粘性系数； ｇｉ——重力加速度分量； 一Ｐ “ ，——雷诺应力项。 方程中的雷诺应力项属于新的未知量，因此， 要使方程封闭，必须对该应力项做某种假设，即建 立应力的表达式（或引进新的湍流模型方程），通 过表达式或湍流模型，把应力项中的脉动值与时 均值联系起来。 １．２湍流模型 １．２．１标准 ． 模型 在湍动能ｋ方程的基础上，引入一个耗散率 的方程 Ｊ，形成了ｋ－８双方程模型，称为标准的 ． 模型。标准Ｉｊ｝一 模型的输运方程为 Ｏｔ＋ Ｏｘ＝毒 ＋ ｄｘ＋ Ｌ【 。 ，Ｊ Ｊ Ｇ ＋Ｇ６一ｐ８一ｙＭ＋Ｓ （３） ＋ ＝毒 ＋￣ １＋ ａ￡ ａ ． ｄ Ｌ【 ’ ｃ ｝（ ＋ｃ， ）一 ｝，＋Ｊａ５ｘ ｙ ＪＧ （４）
螺旋桨的计算
螺旋桨的计算
我只讲直升机空中姿态变化与旋翼的关系。
,，直接影响螺旋桨性能的主要参数有:
a.直径D——相接于螺旋桨叶尖的圆的直径。通常，直径越大，效率越高， 但直径往往受到吃水和输出转速等的限制;
b.桨叶数N;
c.转速n——每分钟螺旋桨的转数;
d.螺距P——螺旋桨旋转一周前进的距离，指理论螺距;
e.滑失率——螺旋桨旋转一周，船实际前进的距离与螺距之差值与螺距之比;
f.螺距比——螺距与直径的比(P/D)，一般在0.6~1.5之间;一般地说来，高速轻载船选取的值比较大，低速重载的船选取的值比较小;
g.盘面比——各桨叶在前进方向上的投影面积之和与直径为D的圆面积之比。通常，高转速的螺旋桨所取的比值小，低速、大推力的螺旋桨所取的比值大。例如，拖轮的螺旋桨盘面比大于,.2甚至更大的情况也不少见;
机翼升力计算公式
升力L=1/2 *空气密度*速度的平方*机翼面积*机翼升力系数 (N)
机翼升力系数曲线如下 注解:在小迎角时曲线斜率是常数。
在标识的1位置是抖振点，2位置是自动上仰点， 3位置是反横操纵和方向发散点，4位置是失速点。 对称机翼在0角时升力系数=0(由图)非对称一在机身水平时升力系数大于0，因此机身水平时也有升力
滑翔比与升阻比
升阻比是飞机飞行速度不同的情况下升力与阻力的比值，跟飞行速度成曲线关系，一般升阻比最大的一点对应的速度就是飞机的有利速度和有利迎角。滑翔比是飞机下降单位距离所飞行的距离，滑翔比越大，飞机在离地面相同高度飞的距离越远，这是飞机固有的特性，一般不发生变化。
如果有两台飞行器，有着完全相同的气动外形，一台大量采用不锈钢材料的 ，另一台大量采用碳纤维材料，那么碳纤维材料的滑翔比肯定优于不锈钢材料的。这个在SU-27和歼11-B身上就能体现出来，歼11-B应该拥有更大的滑翔比。
螺旋桨拉力计算公式(静态拉力估算)
你的飞行器完成了，需要的拉力与发动机都计算好了，但螺旋桨需要多大规格呢,下面我们就列一个估算公式解决这个问题