CFD技术在螺旋桨敞水性能预报中的应用
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。
~。
基于FLUENT的螺旋桨水动力性能研究
Ｋｅ ｒ ｓ Ｐ ｏ ｅｌ ｒ Ｐ ｏ ｅｌ ｒｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｓ Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒ ｐ ｌ ； ｒ ｐ ｌ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ； ＬＵＥＮＴ； ｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｅ ｅ Ｎｕ ｒ ｃ ｌ ｍ ｌ ｔ ｓ ｏ
第 ６期
２１ ０ １年 ６月
文章编号 ：０ １３ ９ （０ １０ — ２ １ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）６ ００ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎｅ ｙ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ ２０１
基于ＦＵ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ的螺旋 桨水 动 力性 能研 究 ： ｌ ：
ｆ ｅａｉ ｉｐｏｅｌ ｗ ｉ ｓｌ ｎｉａ ａ ｔｅｖｌｅｏ ｍ ｌ ｉ ｒｈ ｒ ｅｌ ａｅ ｅ ｏ ｂｈｖｏ ｏ ｔ ｓ ｒ ｌ ｈｃ ｒ ｕｔ ｉｄｃ ｅｔｔ ｈ ａｕ ｓ ｕａｏ ｆ ｅ ｏ ｌｒ ｋ ｌ ｒ ｒ ｈ ｐ ｅ ｆ ｈｅ ｓ ｔ ｈ ｆ ｉ ｔｎ ｏ ｔ ｐ ｐ ｅ ｗ ｆ ｄ ｉ ｉ ｉ ｔ ｍ ｉｃｌ ａ ｅＯ ｈｌ ｗ ｉ ｃｕｄ ａｉ ｅｕｒ ｅｔｆｅ ｉｅｒ ｇ ｏ ｃｒｃ； ｆｓｗｔ ｅｅ ｐｒ ａｖ ｕ ｎｔｅｗ ｏ ， ｈｃ ｏｌ ｓｔ ｙｔｅｒｑ ｉ ｍ ｎ ｇｎｅｉ ｆｒ ｃｕａｙ ｔ ｈｈ ｉ ｌ ｈ ｅ ｈ ｓ ｈ ｆ ｅ ｏ ｎ ｎ ａ Ｔ ｕ ｐｏｉｅ ｒ ｅｅｃｆｒｈ ｅｉｎｏ ｈ ｒ ｅｌｒ ｈｓｉ ｒｖｄｓ ｅ ｒｎｅ ｏ ｅｄｓ ｅ ｏ ｌ ． ｔ ｆ ｔ ｇ ｆｔ ｐ ｐ ｅ
导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究
导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究
李海涛;姜壮威
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2024(46)2
【摘要】为了研究导管螺旋桨的推力、扭矩和敞水效率等主要水动力参数和进速系数之间的关系,本文采用物理模型试验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术相结合的方式分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。
首先在本校拖曳水池开展导管螺旋桨模型的敞水性能试验然后使用计算流体软件STAR-CCM+对导管桨模型进行数值模拟。
在模拟计算中应用多参考系法(Multi Reference Frames,MRF),分别采用不同湍流模型对导管螺旋桨的水动力性能进行计算,并与试验数据进行对比,验证了STAR-CCM+软件模拟可以对导管螺旋桨的水动力性能进行有效预报且使用SST k-ω湍流模型获得的水动力性能精度更高。
研究结果表明,导管螺旋桨更适用于在低进速系数下工作的重载船舶。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】李海涛;姜壮威
【作者单位】大连理工大学船舶工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U664.33
【相关文献】
1.导管参数对导管螺旋桨水动力性能影响研究
2.导管螺旋桨在斜流中的水动力性能试验
3.基于模型的导管螺旋桨水动力性能研究
4.基于CFD的船舶导管螺旋桨的水动力性能研究
5.渔船导管螺旋桨水动力性能试验与研究
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cfd方法
cfd方法CFD方法。
CFD（Computational Fluid Dynamics）方法是一种利用计算机对流体流动进行数值模拟和分析的方法。
它可以模拟和预测流体在各种复杂条件下的运动规律，广泛应用于航空航天、汽车工程、能源领域、环境工程等各个领域。
本文将介绍CFD方法的基本原理、应用领域以及发展趋势。
CFD方法的基本原理是基于流体力学和数值计算方法，通过对流体运动的基本方程进行离散化和数值求解，得到流场的数值解。
在CFD模拟中，流体被划分为无数个小单元，通过对每个单元的运动状态进行计算，最终得到整个流场的运动规律。
通过CFD方法，可以模拟出流体的速度场、压力场、温度场等重要参数，为工程设计和优化提供重要参考。
CFD方法在航空航天领域有着广泛的应用。
在飞机设计中，通过CFD方法可以模拟飞机的气动性能，优化机翼、机身等部件的设计，提高飞行效率和安全性。
在火箭发动机设计中，CFD方法可以模拟燃烧室内的流动情况，优化燃烧过程，提高发动机的推进效率。
同时，CFD方法也可以模拟飞行器在大气层内的飞行过程，为飞行器的控制和稳定提供重要参考。
汽车工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟汽车在高速行驶时的空气动力学特性，优化车身外形和气动套件设计，降低空气阻力，提高燃油经济性。
此外，CFD方法还可以模拟汽车发动机内部的燃烧过程和冷却系统的热管理，为发动机的性能和可靠性提供支持。
能源领域也是CFD方法的重要应用领域之一。
通过CFD方法，可以模拟火电厂和核电厂的燃烧过程和热力循环过程，优化锅炉和汽轮机的设计，提高能源转化效率。
同时，CFD方法还可以模拟风力发电机的叶片气动特性，优化叶片设计，提高风能利用率。
环境工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟大气和水体的流动、传热和污染扩散过程，为环境污染防治和环境风险评估提供重要支持。
此外，CFD方法还可以模拟城市建筑和交通系统的热环境和空气质量，为城市规划和设计提供科学依据。
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。
导管螺旋桨设计和水动力性能分析
导管螺旋桨设计和水动力性能分析陈宁;赖海清【摘要】针对消拖两用船的综合舵桨系统,在综合舵桨动力传输系统结构设计基础上,对螺旋桨进行了设计研究,利用有限元方法分析了螺旋桨敞水工作时的推力、转矩、敞水效率以及桨叶的总压分布规律,并与实验值进行了对比,发现结论与理论分析结果吻合良好,从而初步形成了从最初的船型参数到预报螺旋桨敞水性能的整个综合舵桨的设计流程,具有一定参考价值.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P10-13,23)【关键词】导管螺旋桨;敞水效率;总压分布【作者】陈宁;赖海清【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U662导管螺旋桨是一种特殊的推进器，我国已经对其进行了大量的模型实验和理论研究工作[1]。
它适用于载荷较大的船舶，如拖轮、顶推船等。
具有在海上航行时，受外界海况变化影响较小，导管对螺旋桨有保护作用，且导管能显著改善航向稳定性等优点。
因此，在需要运动自如的工程船舶上，导管螺旋桨常被开发成综合舵桨系统[2,3]用于工程船上。
导管螺旋桨在结构形式、外型和水动力性能等方面与常规螺旋桨都有较大的差别。
导管螺旋桨的设计，包括导管设计和螺旋桨设计两部分。
国内外常用于导管内的螺旋桨有B型和K型[4]。
B系列螺旋桨常用的是B4-55型，其叶梢较尖。
K型比B型应用广泛，均为宽叶梢，对空泡的敏感较B型小。
K型又分Ka、Kv、Kd等多种，其中以Ka型最为常用。
导管也有多种型号，以4号导管、5号导管、7号导管、19A号导管和37号导管应用得较多。
本文采用了图谱估算方法对综合舵桨系统的导管螺旋桨水动力性能进行计算和研究，并结合导管螺旋桨的敞水实验进行了验证。
广州鸿业拖船有限公司的2×2 500 kW消拖两用船技术规格书所提供的技术参数如表1所示。
转捩模型在螺旋桨数值计算中的应用
转捩模型在螺旋桨数值计算中的应用洪方文，张志荣，刘登成，郑巢生，翟树成（1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2.船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082）摘要：螺旋桨敞水性能数值计算是船舶快速性能分析的基础，其计算精度对船舶快速性预报的准确度至关重要，湍流模型的选用是保证螺旋桨敞水性能计算精度的关键。
本文利用k -ωSST 湍流模型和γ-R e θ转捩模型对螺旋桨敞水性能进行了计算。
结果表明，在模型尺度下螺旋桨叶片表面流动的相当一部分还保持着层流状态，带有转捩能力的湍流模型对这类流动具有更强的模拟能力。
关键词：转捩湍流模型；数值计算；螺旋桨敞水性能中图分类号：U661.31文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.04.001Application of transition turbulence model in numerical calculation of propeller flow fieldsHONG Fang-wen ,ZHANG Zhi-rong ,LIU Deng-cheng ,ZHENG Chao-sheng ,ZHAI Shu-cheng (1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2.National Key Laboratory on Vibration and Noise,Wuxi 214082,China)Abstract ：The numerical calculation of propeller open water performance is the basis of ship propulsion analysis,whose precision is very important for the prediction of ship speed.The turbulence model is the key to ensure the accuracy of propeller open water performance calculation.In this paper,k-ωSST turbulence model and γ-R e θtransition model were used to simulate the propeller flow fields.The results indicated thata considerable part of the flow on the surface of the propeller blade remained laminar at the model scale while better simulation results could be obtained by the transition turbulence model.Key words:transition turbulence model;CFD;open water performance of propeller 0引言自计算机诞生以来，数值计算成为科学研究的一种主要手段。
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 propelled were researched when it worked at mooring conditions, and the method for setting the boundary condition at mooring conditions were studied.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】5页(P42-46)【关键词】CFD;导管螺旋桨;定常计算;性能分析;系泊工况【作者】吴湘荣;王永生;蒋超【作者单位】海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033;海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033;海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】U664.33导管螺旋桨与普通螺旋桨的不同之处在于其桨的外围多了 1 个套筒，该套筒的纵剖面为机翼型或折角型［1］，此为导管螺旋桨的导管。
船用螺旋桨的参数化建模及数控加工
摘要船用螺旋桨是船舶动力系统的核心，其桨叶曲面是典型的自由曲面，设计和加工的质量直接影响螺旋桨的性能，而螺旋桨复杂的工作环境也对其建模及制造精度提出了更高的要求。
船用螺旋桨从设计到加工的过程复杂繁琐、周期较长，因此需要建立能够综合考虑螺旋桨设计、分析以及加工的螺旋桨参数化数学模型，并基于参数化模型对螺旋桨开展后续各项研究工作，以达到缩短螺旋桨的设计制造周期、提高生产效率的目的。
本文以实现螺旋桨参数化设计到数控加工为目的，建立了螺旋桨桨叶曲面的参数化方程，基于参数方程求解所得点建立了螺旋桨三维实体模型；以提高螺旋桨敞水效率为目的，对螺旋桨相关结构参数进行优化并进行了水动性能仿真；分析并制订了螺旋桨数控加工工艺，基于参数化模型编写了数控加工程序并进行了数控加工仿真与实验。
具体内容如下：在分析船用螺旋桨结构及成型原理的基础上，建立螺旋桨切面参数方程并推导了二维切面到三维空间的坐标转换公式，建立了桨叶曲面的参数化数学模型。
求解方程得到桨叶表面指定精度下的数据点，将其导入UG中建立三维实体模型。
对比传统由型值点所建立的螺旋桨模型，参数化方法建立的模型表面光顺性更优。
以螺旋桨最大敞水效率为目标，对螺旋桨盘面比、螺距比和进速系数等参数进行优化，得到了螺旋桨给定工况下的最佳匹配参数，优化后螺旋桨敞水效率提高了约3.18%。
对螺旋桨进行了水动性能仿真，验证了优化桨的敞水效率；分析了螺旋桨相关参数纵倾角和侧斜对螺旋桨敞水性能的影响。
分析螺旋桨的数控加工工艺，对加工阶段进行了划分，确定了毛坯、刀具、走刀方式等。
判断加工中干涉与过切情况，建立了刀具与工件间几何关系，研究了无干涉的刀具路径算法，基于桨叶的参数化数学模型计算了粗精加工的刀具轨迹，并通过后置处理将刀位信息转化为数控加工程序。
建立数控加工仿真环境，导入数控加工程序进行了数控加工仿真，仿真结果验证了刀具轨迹及数控程序，且螺旋桨获得较好的精度和表面质量。
最后在五轴数控机床上进行了加工实验。
螺旋桨三维建模与水动力数值分析
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.30 No.6 2008 总第30卷，2008年第6期螺旋桨三维建模与水动力数值分析姚震球，高 慧，杨春蕾（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江 212003）摘 要：推导了螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的坐标转换公式，给出了三维实体建模过程.为数值计算方便，对桨模做了一些局部处理.然后运用计算流体力学方法（CFD）对螺旋桨的水动力特性进行数值模拟，以尽快形成螺旋桨敞水性能CFD计算的快速预报的能力.文章以MAU型桨作为研究对象，给出其敞水性能的数值计算结果并与试验值做了比较，获得良好的结果.同时还对该桨型周围流场进行了一些考察.关键词：船舶；船舶推进装置；螺旋桨；三维建模；计算流体力学方法中图分类号：U664.33 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 06-0023-043D modeling and numerical analysis for hydrodynamicforce of propellerY AO Zhen-qiu, GAO Hui, Y ANG Chun-lei(College of Naval Architecture & Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhengjiang 212003, China)Abstract:The coordinate transformation formula for transforming the local to the global coordinate is deduced and introduced the 3D modeling at the same time. Dispose the propeller locally for the convenience of numerical analysis and provide the program. Further more, the CFD method is used to simulate numerically hydrodynamic characteristics of MAU propeller in order to have the capability of quick prediction of propeller open water performance, then compared with the measurement. The relevant investigation on the open water behavior of this propeller is also inspected.Key words: ship; marine propulsion; propeller; 3D modeling; CFD0 引言获得螺旋桨水动力性能数据主要通过实验和计算的方法.目前广泛采用的实验方法是螺旋桨模型敞水试验，它是检定和分析螺旋桨性能较为简单的方法.近年来随着实验条件的进步，出现了激光多普勒仪（LDV），它的不干扰流场和高精度的特性被作为一种先进的流场测量手段，可是这需要非常精密的试验设备，同时，每个桨模的制作周期长，费用昂贵，不具有快速预报螺旋桨敞水性能的能力.从1912年茹可夫斯基提出螺旋桨旋涡理论以来，螺旋桨计算方法发展已有数十年，基于势流理论而建立升力面理论，面元法等[1]已有相当水平并广泛应用到螺旋桨的设计与预报当中.然而，这些方法的计算过程异常烦琐，需要事先掌握许多预备知识.N-S方程考虑了流体的粘性影响，对于因粘性而产生的桨叶表面边界层的生成、发展、分离桨叶梢涡的形成都有可能预报[2]，但早期的解决方法需要大量的计算，制约了它的应用.现在随着计算机的迅猛发展，已经具备了几年以前还难以想象的计算能力，使得一些比较成熟的船舶性能计算方法，开始在实践中发挥重要的作用.本文利用螺旋桨基本参数建立螺旋桨三维模型并采用Fluent软件对其敞水性能和流场进行数值仿真计算，给出了敞水性征曲线，并就计算结果与试验测量值作了比较和分析.1 螺旋桨三维模型的建立1.1 螺旋桨曲面型值的坐标变换方法传统的螺旋桨手工作图法的几何视图表达方式是收稿日期：2007-11-05；修回日期：2008-02-22作者简介：姚震球（1966-），男，副教授，博士，主要从事船舶设计研究.根据螺旋桨提供的桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺寸表等数据绘制正投影图﹑侧投影图﹑伸张轮廓图；而对于三维桨建模来说，则是通过螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式.图1中OH 是基线.θ为纵斜角，ϕ为螺距角.全局坐标系OXYZ 的OXY 平面与螺旋桨轮毂端面平行为基线与圆柱面的交点，坐标系O X Y 与OXYZ 平行.O X O ′Z ′′′′′1Y 1Z 1坐标系的规定如图1（b ）中所示.X O ′1Y 1Z 1坐标系可以通过一次旋转与坐标系重合，由此可得：O X Y Z ′′′′1111000cos sin 0sin cos X X Y Y Z Z ϕϕϕϕ′⎛⎞⎛⎞⎛⎜⎟⎜⎟⎜′=⎜⎟⎜⎟⎜⎜⎟⎜⎟⎜′−⎝⎠⎝⎠⎝⎞⎟⎟⎟⎠（1） 由式（1）得1111000cos sin 0sin cos X X Y Y Z Z ϕϕϕϕ′⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟′=−⋅⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟′⎝⎠⎝⎠⎝⎠ （2） 由图1（a ）可得到坐标变换关系： cos tan i i X X R Y Y Z Z R θ′+Ψ⎛⎞⎛⎞⎜⎜⎟′=⎜⎜⎟⎜⎟⎜⎟′−⎝⎠⎝⎠⎟⎟ （3） 其中，Y R ′Ψ=由式（2）~式（3）整理可得：111111cos sin cos cos sin sin sin cos tan i i i i i Y Z R R X Y Y Z R R Z Y Z R ϕϕϕϕϕϕθ−⎛⎞⎜⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜=−⎜⎟⎜⎜⎟⎝⎠⎜⎟⎜+−⎝⎠⎟⎟⎟⎟（4） 式（4）即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标的转换公式.图1 螺旋桨投影原理图1.2 螺旋桨曲面型值点坐标进行计算本文研究的螺旋桨为四叶的MAU 桨，其盘面比0.55，螺距比1.6，毂径比0.18，纵倾角10°.根据各叶切面几何参数，由式（4），通过计算程序就可以方便地得到螺旋桨所有曲面型值点的坐标.由于桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺寸表只提供了0.2R~0.95R 的型值，所以必须对桨叶叶根处插值进行修正.为了计算方便需要将桨作一些处理：桨毂用无限长的圆柱体来代替，导边随边与桨毂表面用光顺的曲线连接.在pro/ENGINEER 中得到光滑曲面[3]，最终生成的螺旋桨实体模型如图2所示，其中，Z 轴与螺旋桨的旋转轴方向一致，以船艏方向为正向，Y 轴与桨叶参考线一致，X 轴服从右手法则.图2 螺旋桨的三维实体模型2 数值计算过程2.1 计算域与网格划分鉴于来流的均匀和螺旋桨几何上的周期性，为进行敞水试验只需取单个桨叶所在的单通道作为计算域即可分析，由此节省计算时间提高计算效率.单桨叶通道内外边界定在桨毂和直径为螺旋桨直径数倍的圆柱体表面.进出口面为90°的扇面.在近壁面区，流动情况变化很大，特别是粘性底层，几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，所以采用低Re 数k -ε 模型求解粘性影响比较明显的区域，这就要求在壁面区划分比较密的网格，越靠近壁面，网格越细.沿桨叶面以及桨毂表面的法向方向按一定的比例伸出6层边界层网格，根据经验第一层高度定义为0.001D ，其它区域都使用四面体网格.为了检验出口面距离以及不同网格形式对计算结果的影响，建立三种方案，如表1所示，面网格划分见图3.ZOY X X 1Y 1Z 1O ′Y ′ X ′ Z ′ M BH AR i θ ϕψ ϕϕ O ′ Y ′Y 1M Z ′Z 1A ′B ′(a)(b)表1 网格划分方案标记出口到原 点距离螺旋桨面网格形式网格 数目Base 0.72D 导边、随边、叶梢、 叶根部附近区域采用长度为0.0025D的三角形面网格， 其余长度为0.005D492992Extended 2D 同上 647512Fine 2D 长度为0.0025D 的三角形面网格1635235图3 螺旋桨面网格2.2 边界条件速度进口边界给定均匀来流的各个速度分量；出口边界给定表压为0（相对于工作压强）；其上远扬外边界同样设为速度进口边界；叶片和桨毂定义为固体壁面，无滑移条件；整个桨模的中心与坐标原点重合；单桨叶通道的法线夹角为90°的两个周向侧面设置为旋转周期性边界.计算域流体则按单旋转坐标系，设置绕z 轴以角速度n 旋转.3 数值计算结果的考察分析3.1 敞水性能曲线计算结果与试验对比本次数值计算选用的螺旋桨直径0.25m ，其转速n 为900r/min ，其对应的雷诺数为9.33×105，在这里通过固定转速，改变进速的办法来改变进速系数J .进速系数J （J =V A /nD ）的变化范围为0.5~1.6，其中，V A 为水的进速，m/s ；n 为螺旋桨的旋转速度，r/min .表2给出使用k -ε 模型在J =0.6～0.9时三种不同的网格方案下的K T ，K Q （分别为推力系数和扭矩系数）的计算结果.三种网格形式对K T ，K Q 的计算结果的影响不是很明显，不超过1.3%，故使用“Base ”方案来分析以下的计算结果.表2 不同网格形式下的K T ，K Q 结果比较J Base Extended FineK T 0.5024 0.5023 0.5022 J =0.6 10K Q 1.167 1.167 1.163 K T 0.4283 0.4237 0.4296 J =0.8 10K Q 1.016 1.013 1.018 K T 0.3870 0.3868 0.3873 J =0.9 10K Q 0.9350 0.9386 0.9375 K T0.2997 0.2998 0.2996 J =1.110K Q0.7582 0.7581 0.7592计算所得到的敞水性能曲线及与试验计算结果的比较如图4所示.图中，螺旋桨水动力参数的计算结果与试验结果能够较好的吻合，K T ，K Q 的误差最大不超过3.13%和6.5%.同时我们也发现随着螺旋桨载荷的增加（进速系数减小），计算值与试验值偏差有增加的趋势，这种现象在使用RANS 数值模拟中普遍存在[4].存在这些差异的原因主要是试验环境中的管道壁面和桨毂轮廓的影响，进流速度的不均匀，这些在CFD 中模拟不能完全吻合.与试验结果相比,计算所得的K T -J 线斜率绝对值在0.5≤J ≤1.1中稍偏大，而K Q -J 线计算结果与试验数据相比在小进速下误差稍大，其中最大偏差在6.3%左右，在J ＝1.55附近两者相交，随后计算值比试验值略小，偏差在5.48%.小进速下K Q -J 误差大的原因有两种可能：1）在数值模拟中没有使用空化模型，空泡现象的存在可能对螺旋桨性能有影响；2）进速系数小的情况下螺旋桨周围流场没有完全发展成湍流.对于η0-J （η0为旋转效率）曲线，当J ≤0.8时计算值与试验值几乎完全吻合，之后两者之间的偏差有所增加，为负偏差，在J ＝1.6时的偏差最大达到7.41%.(a) Base(Extended) (b) Fine总的来说计算结果和试验误差在工程所允许的范围内，利用CFD 技术可以对螺旋桨的敞水性能做出较为可靠的预报，如何进一步提高计算精度值得深究.图4 螺旋桨敞水性能曲线3.2 螺旋桨流场简要分析以螺旋桨进速系数J =0.9时的工况为例，对桨叶流道内的流动情况进行分析，对桨叶r =0.3R 处剖面进行考察.图5显示其叶背上的水流速度大于来流速度，由伯努利定理知其上的压力大于来流的静压，形成“吸力”，故叶背又称吸力面；叶面的水流速度小于来流的速度，压力增加，形成“压力”，故叶背又称压力面.前方来流在桨叶的导边附近因速度滞止而压力达到峰值，然后加速通过叶间流道，水流沿着桨叶表面流向桨叶的随边时，在压力面上导边附近压力变化剧烈，剖面1/3~5/6弦长处压力分布趋于稳定，之后略有波动.K在吸力面上形成低压区.图5 0.3R处水流通过桨叶剖面的速度矢量（m/s）由图6和图7看出，对一定的叶切面来说，进速系速减小（入射角增加）其压力系数峰值有所增加.图6 径向0.3R处叶面压力系数分布（L为叶剖面的弦长）4 结论1）通过螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的转换，使建模过程变得简单直观，具有普遍意义.2）尝试采用多种网格形式，优化网格方案，从计算效率和计算精度上选择最优的网格形式，取得了较满意的结果.3）使用FLUENT软件考察在不同进速系数下得到的推力系数K T、扭矩系数K Q与试验结果比较误差不超过7%，因此可以较为可靠的预报螺旋桨的性能，具有实际应用价值.4）对螺旋桨周围流场做了简要分析，为分析螺旋桨空泡奠定基础.参考文献：[1] 董世汤.船舶螺旋桨理论[M].上海：上海交通大学出版社，2002.[2] CHANGBJ. Application of CFD to P4119 propeller [A].22nd ITTC Propulsion of ducted Propellers[C]. China-Korea Marine Hydrodynamics Meeting，1997.[3] 林清安.Pro/ENGINEER[M].北京：清华大学出版社，2006.[4] Chen, B., and Stern, F. Computational Fluid Dynamics ofFour-Qu-adrant Marine-Propulsor Flow[J]. J. Ship Research, 1999, 43(4): 218-228.。
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关键 词 ： Ｃ Ｆ Ｄ； 螺旋桨 ； 敞水 性 能 ； 预 报
中 图 法分 类 号 ： Ｕ６ ６ １ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ２ ３ 造 成 导 边 附近 的压 力 分 布计
求解 粘性 流动 问题 的核 心是 要解 Ｎ — Ｓ方 程 ，
动、 噪声等 问题显 得越 来越 突 出 ， 需 要结 合考 虑船
后不 均匀 伴流场 对 螺 旋 桨工 作 性 能 的影 响 ， 因此 把 流体力 学 中的机 翼 理 论用 于 螺 旋 桨理 论 研 究 ， 发展 了环 流理 论 ， 即升力 线 、 升力 面理 论 ， 相 关 文 献表明， 环流 理 论 在 螺旋 桨 水 动 力 性 能 、 空 泡 及 脉 动压 力 预 报 ， 以 及 新 型 叶 剖 面 设 计 等 方 面 均 得 到 了广 泛 应 用 ； 为 了 弥 补 升 力 面 理 论 是 建 立
产生 的推 力是通 过桨 盘面 的水流产 生 动量变 化而
形成 ， 叶元 体理 论侧 重 于 研 究每 个 叶元体 受 力 情
况， 从 而计 算整个 螺旋 桨 的推力 和扭矩 ； 随着 后续 船舶 吨位 和主机 功 率 的增 大 ， 使 用 中船 的尾 部 振
１ 控 制 方 程 一 。 ］
直是 船舶 螺旋桨设 计 中的关 键技术 ． 其中， 掌 握均
匀流 场 中螺旋桨 的敞 水性 能 ， 对 于确 定 桨 的工 作 点、 提 高推 进效率 及快 速性 必不可 少． 随着 流体力 学 学科 的不 断 发展 ， 船 用 螺 旋 桨
性能 的理论 研究 也 经 历 了 由简 单 到 复杂 、 由粗 略
算 误差 较 大 ， ２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年 代 开 始 ， 发 展 了 面元
螺旋 桨是船 舶 设计 中常 用 的推 进 器 ， 其 水 动 力性 能 、 空 泡性能 、 噪声 及振 动性 能影 响船 的快速
性、 机 动性 和隐身 性 ， 因此对 螺旋桨 性能 的预 报一
法， 其 核 心是 格 林 函数 ］ ． 以上 这 些 方 法 都 是 基 于理想 无 粘 流 体 的 假 设 建 立 ， 随 着 粘 性 流 动 中 求解 Ｎ — Ｓ （ Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ） 方程技术 的不断发展 ， 计 及 粘 性 影 响 后 螺 旋 桨 的 计 算 流 体 动 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ ） 方 法 得 到 了广 泛 的发 展 ， 尤其在 ２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 之 后 ， 国 内外 学 者 对 螺 旋 桨 性 能 的粘 性 Ｃ Ｆ Ｄ 预报 进 行 了大 量 深 入 的研 究 工 作＿ ２ ］ ． 本 文
ｑ
厶７ 【
算值的 ｋ ｔ － Ｊ， ｋ ｑ － Ｊ曲线均 比试 验值 要平 缓些 ， 计算
Ｖｏ １ ． ３ ７ Ｎｏ ． ５
０ｃ ｔ ．２ Ｏ１３
Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在 螺旋 桨 敞水性 能预 报 中 的应 用
许 辉” 黄 婧
（ 中 国舰 船 研 究 设 计 中心 ” 武汉
张轮 誉
武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
４ ３ ０ ０ ６ ４ ） （ 武 汉 理 工 大 学 交 通 学 院
许
辉（ １ ９ ８ ０ 一） ： 女， 硕士 ， 工程师， 主要 研 究 领 域 为 船舶 与海 洋 结 构 物 设 计 制 造
第 ５期
许
辉， 等： Ｃ Ｆ Ｄ 技 术 在 螺 旋 桨 敞 水 性 能 预 报 中 的应 用
敞水 效 率 一 ・ Ｊ
’
造成 的预 报精 度略 大于 ５ ． 根据 图 ８显示 ， 计
到 细致 的过程． 主要表 现为 ： 早期 的推进 器理 论包
将利用 Ｃ Ｆ Ｘ商 业 软 件 对 某 桨 进 行 算 例 分 析 ， 介
绍 Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在螺 旋 桨 敞水性 能预 报 中 的具 体 步 骤 与 方法 ．
括动 量理论 及 叶元 体 理论 ， 动量 理 论 认 为螺 旋 桨
摘要 ： 阐述 了螺 旋 桨 粘 性 流 场 中敞 水 性 能 预 报 的 步 骤 和 方 法 ． 包 括 螺 旋 桨 二 维 型 值 转 为 三 维 型 值 的计 算 方 法 、 螺 旋 桨 三 维 建 模 中 的注 意 事 项 、 计 算 域 的选 取 、 网格划分方 法、 边 界 条件 设 置 方 法 等 ． 以某 定 距 桨 为 例 ， 通 过分 块 划 分 混 合 型 网格 ， 采用 Ｃ Ｆ Ｘ软件预报 了桨 的敞水特性 ， 计 算 值 与 试 验 值 比较 ， 能 够取 得较 高 的计 算 精 度 ， 基 本 满 足工 程 使 用 的需 要 ， 从 而 验 证 了该 方 法 的 可 行 性 和适 用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ０
由动量守 恒定 律得 到的不 可压缩 流体 流 动 的 Ｎ— ｓ
方 程 为
＋ ３ｔ ‘ ２ 一 一 ＋ Ｏ ｘｊ Ｐ Ｏ ｘｌ ’
（ ａ ｕ ｌ Ｏ ｕ ｔ ） ］ ＋， ｆ
（ １ ）
式 中： Ｕ 为笛卡尔坐标系 中ｚ 方 向 的速 度 分 量 （ ， Ｊ 一１ ， ２ ， ３ ） ； Ｐ为流 体 压 力 ； ｐ为 流体 密度 ； 为
第３ ７ 卷 第 ５ 期
２ ０ １ ３年 １ Ｏ月
武汉 理工 大学学 报 （ 交 通科 学与 工程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）