螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用

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串列螺旋桨水动力性能的数值预报

串列螺旋桨水动力性能的数值预报
王国亮;王超;乔岳;李想
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2016(038)003
【摘要】为了分析串列螺旋桨的水动力性能，本文运用计算流体动力学理论，结合雷诺时均 RANS方程和相对运动参考坐标系对其三维定常粘性流动进行数值模拟。

应用 Fortran语言编制程序计算螺旋桨的型值点，并采用三次样条曲线拟合各点，建立串列桨三维模型。

以某一串列螺旋桨作为研究对象，得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及流域内速度分布等水动力特性参数，并给出敞水性能曲线。

计算结果与试验数据吻合较好，验证了数值方法的可行性和准确性。

【总页数】4页(P10-13)
【作者】王国亮;王超;乔岳;李想
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
【正文语种】中文
【中图分类】U664.33
【相关文献】
1.面元法在串列桨水动力性能预报中的应用 [J], 侯立勋;王超;黄胜
2.螺旋桨-扭曲舵系统水动力性能数值预报 [J], 付翯翯;邹早建
3.渡船螺旋桨水动力性能的数值预报 [J], 仝博;王永生;杨琼方;苏永生;易文彬
4.螺旋桨水动力性能的数值预报方法 [J], 胡健;黄胜;王培生
5.螺旋桨水动力性能数值预报可信度参数标准化研究 [J], 赵大刚;郭春雨;阚梓;吴铁成
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多桨系统在极端工况下水动力性能数值模拟

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：2018-05-12作者简介：孙冀豪（1993-），男，硕士，华中科技大学船舶与海洋工程学院。

汪磊（1985-），男，博士，讲师，硕士生导师，华中科技大学船舶与海洋工程学院。

基金项目：本课题受到国家自然科学基金青年基金资助（NSFC：11502088）。

多桨系统在极端工况下水动力性能数值模拟孙冀豪，汪磊（华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉湖北 430074）摘要：随着国民经济发展，承担水上货物运输的船舶向着大型化发展，船舶排水量与日俱增。

大型船舶多采用多桨推进系统，不仅可以满足大推力需求，而且可以减小螺旋桨上脉动压力。

但在多桨系统中，随着螺旋桨数目的增加，桨之间相互干扰愈加显著。

多桨系统的螺旋桨布置和位置也与单桨系统存在差异，其效率与单桨设计时产生差距。

因此，研究多桨系统水动力性能对工程实践具有指导意义。

本文在查阅相关文献和参考前人工作后，建立某多桨船模型，选取合适螺旋桨，在此基础上，建立船-桨-舵模型，研究带有船体的舵桨系统水动力性能。

本文采用滑移网格模拟螺旋桨旋转运动，使用VOF 法追踪自由面，通过改变螺旋桨工作状态来研究极端工况下的多桨系统水动力性能。

关键词：多桨系统；水动力性能；滑移网格；极端工况中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）12-0001-06一、引言随着国民经济发展，承担水上货物运输的船舶向着大型化发展，船舶排水量与日俱增。

大型船舶多采用多桨推进系统，不仅可以满足大推力需求，而且可以减小螺旋桨上脉动压力。

但在多桨系统中，随着螺旋桨数目的增加，桨之间相互干扰愈加显著。

多桨系统的螺旋桨布置和位置也与单桨系统存在差异，其效率与单桨设计时产生差距。

因此，研究多桨系统水动力性能对工程实践具有指导意义。

基于CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究

基于CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究螺旋桨是水上运动器械中非常常用的一种，为了提高其水动力性能，在设计过程中需要进行定常水动力性能预报。

而基于CFD技术的预报方法，由于其模拟准确度高、计算速度快等优点，被广泛应用于螺旋桨的水动力性能预报中。

本文以某型号螺旋桨为研究对象，基于CFD技术进行了定常水动力性能预报，并分别进行了验证和分析。

首先，对数值模型进行了建立和求解，考虑到海水的液体特性，选用了VOF方法进行数值求解，同时使用了k-ε湍流模型。

接着，将得出的数值预报结果与实验数据进行对比验证，验证结果表明，数值预报结果与实验数据相比有了一定的偏差，主要是在预测扭力系数上偏小。

分析认为，这是由于CFD技术受到了多重因素的影响，如参数设定、精度等等。

针对上述问题，本研究借鉴了多个前期研究的方法和经验，对螺旋桨的定常水动力性能预报精度进行了深入研究。

结果表明，通过选用更合适的计算参数、优化网格划分等方法，可以显著提升预报结果的准确性，特别是对于扭力系数的预报结果，可以将其预报精度提高至8%以内。

当然，以提高精度为目标的CFD模拟方法还存在着很多问题和挑战，如如何在更小的计算范围内保证计算精度、如何进一步提高计算速度等，均需要进一步研究探索。

总之，本文通过研究某型号螺旋桨的定常水动力性能预报，并探究了基于CFD技术的预报精度，发现基于CFD的预报方法具有较高的准确度和可靠性，但也存在着一定的偏差，因此需要在计算参数选择和网格优化等方面进行细节和方法上的优化。

最终，本文对基于CFD技术的预报方法的优化方向进行了探索和展望，并对未来相关研究提出了建议。

某型号螺旋桨的定常水动力性能涉及多项参数和数据，其中包括攻角、流速、扭力系数等。

本文将针对这些数据进行分析，以探究预报精度的提升和优化方案。

首先，攻角是指螺旋桨叶片相对飞行方向的夹角，攻角的改变会影响到螺旋桨的提速性能。

通过对攻角的不同选择进行定常水动力性能预报，并与实验数据进行对比，可以发现，随着攻角的增加，螺旋桨的扭力系数呈现增长趋势。

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.。

船桨舵流场数值模拟及水动力噪声特性研究

船桨舵流场数值模拟及水动力噪声特性研究螺旋桨作为船舶推进的动力装置而舵作为船舶控制航向的设备,两者之间的相互作用复杂,同时螺旋桨和舵在流场中工作将引起严重的水动力噪声。

所以对船桨舵系统共同作用下的伴流场流动特性和桨舵水动力噪声进行研究分析是很有必要的。

本文以某35000DWT散货轮为研究对象,基于CFD方法应用SST k–ω湍流模型研究螺旋桨水动力性能和船桨舵伴流场流动特性,采用FW-H声类比方法分析螺旋桨水动力噪声特性。

首先,基于选取的研究对象,建立螺旋桨和舵相互作用的流体域计算模型。

利用FLUENT中的SST k–ω湍流模型对舵前桨敞水性能进行定常分析。

研究舵和桨舵间距比对螺旋桨水动力性能的影响,对比分析不同进速系数下的桨舵尾流场。

其次,建立完整的船桨舵和伴流场计算模型,采用多重参考系模型,对船桨舵伴流场进行仿真分析。

研究舵对船桨伴流场的影响,对比不同进速系数、舵攻角以及桨舵间距比下船桨舵伴流场的流动特性。

接着,基于CFD方法,对船桨舵伴流场进行非定常分析,研究船桨系统作用下的螺旋桨推力和转矩特性,对比分析舵对螺旋桨推力和转矩的影响。

综合船舶实际情况,对比分析进速系数、舵攻角以及桨舵间距比下的螺旋桨推力和转矩特性。

最后,基于瞬态分析的船桨舵伴流场结果,采用FW-H声类比方法,仿真分析螺旋桨水动力噪声。

研究舵、进速系数、舵攻角和桨舵间距比对螺旋桨水动力噪声总声压级在各平面上的指向性、各远场噪声接收点声压特性以及桨舵水动力噪声总声压级轴向分布的影响。

船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计

船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计船舶水动力性能是研究船舶在水中运动的重要领域之一。

为了提高船舶的航行速度、操纵性和能效，工程师们利用计算流体力学（CFD）模拟技术开展了大量的研究与优化设计工作。

本文将介绍船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计方法，并探讨其在船舶工程领域中的应用。

1. 模型构建船舶的水动力性能主要包括波浪阻力、湍流阻力、粘性阻力和激波阻力等。

在进行CFD模拟前，首先需要构建船舶的几何模型。

根据不同的船舶类型和设计需求，可以选择不同的建模方法，如传统的离散几何模型或参数化设计模型。

通过建模软件，将船舶的几何形状转化为计算机可识别的几何信息，为后续的模拟分析做准备。

2. 网格划分在进行CFD模拟时，网格划分是非常重要的步骤。

网格的划分质量将直接影响模拟结果的准确性和计算效率。

通常情况下，船舶的复杂几何形状需要采用结构化或非结构化网格划分方法。

结构化网格适用于简单几何形状，而非结构化网格则适用于复杂几何形状。

通过优化网格划分，可以更准确地模拟和预测船舶在水中的运动行为。

3. 流场模拟在进行CFD模拟时，需要建立适当的物理模型和数值模型。

根据船舶运动的特性，可以选择合适的流体方程和边界条件。

在求解过程中，采用合适的数值方法和稳定性算法，以保证模拟结果的准确性和稳定性。

通过CFD模拟可以获取船舶在不同操作条件和流场环境下的运动特性，如阻力、流线和压力分布等。

4. 优化设计基于CFD模拟结果，可以进行船舶水动力性能的优化设计。

通过调整船体形状、推进系统和尾流控制等参数，可以改善船舶的流线型和水动力性能。

优化设计的目标往往是降低阻力、提高速度和操纵性，以及减少燃油消耗和排放。

通过多次CFD模拟和参数优化，可以找到最优设计方案，从而提高船舶的性能和效益。

5. 应用实例船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计已经在实际工程中得到广泛应用。

例如，在船舶船型设计阶段，工程师们利用CFD模拟技术对不同船型进行了性能比较和优化设计；在推进系统设计阶段，CFD模拟可以帮助确定最佳螺旋桨参数和布局方案；在船舶舵系统设计阶段，CFD模拟可以预测船舶的转向性能和操纵稳定性。

CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究

现代制造工程2010年第4期试验研究CF D在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究3刘丹,陈凤馨(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)摘要:对流场中螺旋桨的敞水性能进行研究。

利用Pr o/E软件对螺旋桨进行三维建模,通过剖面坐标转换绘出桨叶的剖面型线,利用创建实体功能得到螺旋桨实体模型。

用CF D软件对螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数以及推进效率进行模拟,并且对三种湍流模型的计算结果进行比较分析。

对采用Fluent软件计算螺旋桨敞水性能的过程进行详细介绍,并给出敞水性能曲线的计算结果。

与试验结果的比较分析表明,数值模拟的结果可以满足工程应用要求。

关键词:CF D软件;螺旋桨;敞水性能;三维建模中图分类号:TP391　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2010)04—0018—04Appli ca ti on research of CFD about ca lcul a ti on ofpropeller open wa ter performanceL IU Dan,CHE N Feng2xin(Nanjing University of Technol ogy,Nanjing210009,China)Abstract:Studied the open water perfor mance of p r opeller in the fl ow fields.Three2di m ensi onal model was built for p r opeller by the Pr o/E,the p r ofile line of blade is described based on coordinate transfor mati on,in additi on,by using the entity functi on,the s olid model of p r opeller was created.Under different advance coefficients,the thrust coefficient,t orque coefficient and p r opulsive efficiency of the p r opeller have been si m ulated by the CF D.The calculati on results of the three turbulent models were analyzed.The detail p r ocess of using Fluent t o calculate the open water perfor mance of p r opeller was intr oduced,thr ough which the open water perf or mance curve was p r ovided.A comparis on bet w een the analysis results and the experi m ental results showed that the nu merical si m ulati ons can be used for engineering app licati on.Key words:CF D;p r opeller;open water perf or mance;three2di m ensi onal model0　引言螺旋桨设计的主要问题是在满足螺旋桨吸收轴功率、拉力和转速的前提下,力求使螺旋桨的质量小,效率高,噪声小,并保证具有一定的结构安全余度。

螺旋桨-扭曲舵系统水动力性能数值预报

螺旋桨-扭曲舵系统水动力性能数值预报付翯翯;邹早建【摘要】采用CFD方法对由螺旋桨和扭曲舵组成的桨-舵系统的水动力进行数值计算,采用非定常RANS方程和RNG k-ε湍流模型,使用滑移网格模拟螺旋桨旋转.对由B4-70型螺旋桨和常规舵组成的桨-舵系统进行数值计算,和试验数据对比验证数值方法的有效性;以某螺旋桨及NACA剖面常规舵、扭曲舵、带舵球的扭曲舵和带端板的扭曲舵4种舵型为对象的桨-舵系统进行数值预报,分析舵型对螺旋桨水动力性能的影响、舵表面压力分布以及不同舵角下舵升力的变化规律.结果表明,设计工况扭曲舵能提高敞水效率的效果;大舵角时,扭曲舵可以提高舵升力;选择扭曲舵的时候,要考虑与螺旋桨的配型问题.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2016(045)003【总页数】5页(P21-25)【关键词】扭曲舵;桨-舵系统;水动力;计算流体动力学;数值预报【作者】付翯翯;邹早建【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.31由于能源需求日益增大，节能减排问题越来越突出。

在船舶工程界，为减少船舶尾流的能量损失，各国都在尝试研发特种舵等节能附体装置，如扭曲舵，带舵球、端板的舵等。

扭曲舵是将舵各高度处的剖面扭转，以使舵与螺旋桨达到更合理的配合，提高船舶推进性能[1]。

舵球安装在舵叶上对应于桨轴的位置，可以减小螺旋桨桨毂引起的压差阻力以减缓毂涡的产生，同时可以减小螺旋桨周向诱导速度以及提高桨盘面处的伴流均匀度[2]。

端板安装在舵的上下两端处，有利于提高舵效和船舶的操纵性能[3]。

扭曲舵的思想最早出现在20世纪30年代[4]。

目前的研究主要集中在扭曲舵的节能效果数值计算[5-10]，对扭曲舵与增设其他节能附体装置的新型扭曲舵的水动力研究较少。

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ｉｓａｄｏｔｑａｒｎ．Ｔａｅｒｋｆｒｘｍｐｅ，ｐｐｒｉｃｓｅｔｅｐｌｃｔｏｏｔｅｒｐｌｅ ’ ｆｒｔｎｆｕｒｈｕｄａｔｋｂａｅｏｅａｌａｅｄｓｕｓｓｈａｐｉａｉｎｆｈｐｏｅｌｒＳ
ｓｃｎｎｄｔｉｄｑａｒｎ，ｔｎｅｉｎｆｃｒｅｐｎｉｇｔｒｔｃｅｃｅｔｃｒｅａｉｅｅｏｄａｈｒｕｄａｔｏｉｆｘｏｓｏｏｒｓｏｄｎｈｕｓｏｆｉｎｕｖｎｄｅｒｕｍｆｎｄｅｎｌｉｌｔｅｄｉｓｉｕｅ
关键词：螺旋桨；动力性能；四象限；数值模拟水
中图分类号：Ｕ６．３６４３文献标识码：Ａ文章编号：１７ — ６９２１）７００ — ７ｄｉ１．４４ｊｉｎ１７－６９２１．７０２６２７４（０２０－０８０ｏ：０３０／．ｓ．６２７４．０２０．０ｓ
第３４卷第７期
２１０２年７月
舰
船
科
学
技
术
Ｖ０．４．Ｎｏ７１３．
ＳＰＳＣＩＨＩＥＮＣＥＡＮＤＥＣＨＮＯＬＯＧＹＴ
Ｊ１ｕ．，２２０１
螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用
李理，刘可，李超，肖冰，爱国石
Ｔｈｅｅｒｈｏｍｅｉａｉｕａｉｎｏｏｌｒｓｈｙｒｄｙａｉｅｒｓａｃｎｎｕｒｃｌｓｍｌｔｏｆｐｒｐｅｌ ’ ｄｏｎｍｃｅ
ｐｅｆｒａｅｉｏｕａｒｎｓｒｏｍｎｃｎｆｕｒｑｄａｔ
（军大连舰艇学院，宁大连１６１）海辽０８１
摘要：在螺旋桨数值模拟领域里，敞水桨四象限（前进中正车、前进中倒车、后退中进车、后退中倒车）的
水动力性能研究几乎是空白。本文从桨的几何构建，网格生成，第一、四象限和第二、■ 象限的不同求解模式及流场特征，二、三象限推力系数曲线拐点及相应的环流涡，行了数值模拟和分析
０引言
以螺旋桨的数值模拟部分取代桨模的试验，是
当前螺旋桨ＣＤ研究的一个热点，其中敞水桨四Ｆ但
非线性，要采用不同于第一、四象限的求解模式，需才能得到较精确的解。本文在求解第二、三象限敞水性能曲线过程中，伴随着拐点的出现，发现流场会生成明显的环流涡，从而使第二、三象限的非线性性质在力学和数学上都得到有力的验证。
ｔｅｆｅｄｏｎｕｅａｌｔｎｄｒｐｄｔＴｅｐｐｒｐｅｅｔｈｕｅｉａｉｈｌｆｍａｅｖｒｂｉｙａａｉｉｉｉｙ．ｈａｅｒｓｎｓｔｅｎｍｒｃｌｓｍｕｌｔｏｆｔｅｆｕｒｑａｒｎａｉｎｏｈｏｕｄａｔｈｄｏｙａｃｐｒｏｍａｃｆｔｅｐｏｅｌｒｉｐｎｗａｅ．ｅｇｎｒｔｎｏｍｏｌｏｒｐｌｒｉｔｉｄｙｒｄｎｍｉｅｒｎｅｏｈｒｐｌｅｎｏｅｔｒＴｈｅｅａｉｆ３ｆｏＤｄｅｆｐｏｅｌｓｓｕｄｅｅ
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ｈｄｏｙａｃｐｒｏｍａｃｎｆｕｕｄａｔ．ｙｒｄｎｍｉｅｒｎｅｉｏｒｑａｒｎｓｆＫｅｒ：ｙｗｏｄｓｐｏｌｅ；ｈｄｏｙａｉｅｏｍａｅ；ｆｕｕａｒｎｓ；ｎｍｅｉａｉｌｔｎｒｐｅｌｒｙｒｄｎｍｃｐｒｒｎｃｆｏｒｑｄａｔｕｒｃｌｓｍｕａｉｏ
ＵｉＬ，ＬＩＫｅ，ＬＩＣｈｏ，ＸＩＵａＡＯｎＢｉｇ，ＳＨＩＡｉｇｏ —ｕ
（ｌｎＮｖｌａｅ，Ｄａｉｎ０８，ｈｎ）ＤａｉａａｄｍｙａＡｃＬａ１６１Ｃｉａ１
Ａｂｔａｔｓｒｃ：
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