螺旋桨流固耦合

华中科技大学硕士学位论文摘要作为常见的船舶推进装置，螺旋桨具有几何形状简单、安装使用方便、推进效率高等特点。

但随着船舶事业的飞速发展，船舶逐渐向大型化、高速化的特点发展，对船舶螺旋桨性能的要求越来越高。

现阶段的常规材料螺旋桨具有噪声大、不耐腐蚀、使用寿命较短等缺点，因此近年来螺旋桨材料发生了巨大的变化。

由于新型材料的物理性质发生了变化，螺旋桨的流固耦合问题引起了越来越多的关注。

本文主要对DTMB 4119螺旋桨流固耦合问题进行以下方面的研究工作：(1)针对DTMB4119螺旋桨在不同工作工况下，研究流体计算网格量对螺旋桨敞水性能的影响；采用标准k-e、RNG k-e、SST k-w湍流模型，研究分析湍流模型对螺旋桨敞水性能的影响，并与参考文献给出的试验结果进行对比分析，从结果来看采用RNG k-e湍流模型的计算结果与文献误差最小。

(2)采用三种材料属性不同的各向同性材料，对螺旋桨水动力性能与结构响应特性与材料属性之间的关系进行探究。

从仿真结果来看，材料属性对前两种材料螺旋桨影响较小，流体与固体之间的相互影响可以忽略不计；而对玻璃纤维材料螺旋桨的影响较大，纤维材料螺旋桨的敞水性能、流场特性以及桨叶的应力应变、变形都有明显的变化。

(3)计算考虑铺层方式的流固耦合特性。

结果表明，层铺方式对螺旋桨水动力性能影响较小，但对螺旋桨的应力应变影响较大。

关键词：流固耦合，复合材料螺旋桨，水动力性能，结构响应特性，铺层方式华中科技大学硕士学位论文AbstractPropeller, as a common propulsion device, has the characteristics of simple structure, convenient use and high efficiency. But with the rapid development of the shipbuilding industry, the ship develops towards the characteristics of large scale and high speed, which also requires more. At present, the conventional propeller has many disadvantages, such as large noise, no corrosion resistance, short service life and so on, so many new type propellers have emerged. And due to the change of material properties, the fluid - structure interaction of propellers has attracted more and more attention.In this paper, the following two aspects are carried out on the two ways fluid- structure interaction of propeller:(1) For the DTMB4119 propeller under different working conditions, using the standard k-e, RNG k-e and SST K-W turbulence model, the open water performance of the propeller is calculated by numerical simulation. The results are compared with the experimental results given in the reference literature. The results show that the error between the RNG k-e turbulence model and the literature are minimum.(2) Three isotropic materials of alloy steel, nickel aluminum bronze and glass fiber are used to investigate the relationship between the hydrodynamic performance of a propeller, the response characteristic of the structure and the properties of the material. From the simulation results, the material properties have little influence on the first two kinds of material propellers, and the interaction between the fluid and the solid can be ignored, but the effect on the propeller of glass fiber material is larger. The open water performance, the flow field characteristics and the stress strain and deformation of the blade have obvious changes.(3), Calculating and comparing the fluid solid coupling characteristics of Considering the effect of composite stacking mode on composite propeller. The results show that the stacking mode method has little effect on the hydrodynamic performance of propeller, but it has great influence on the stress and strain of propeller.Key words:FSI, composite propeller, open water performance, structure response stacking mode华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1课题研究背景及意义 (1)1.2复合材料螺旋桨的应用与研究现状 (2)1.3论文主要研究内容 (7)2 数值计算基本理论2.1引言 (8)2.2计算流体力学基本原理 (8)2.3结构计算相关理论 (11)2.5本章小结 (15)3 螺旋桨水动力性能数值方法3.1引言 (16)3.2螺旋桨水动力计算 (16)3.3网格独立性验证 (21)3.4湍流模型的选取 (24)3.5螺旋桨敞水性能分析与验证 (26)3.6本章小结 (27)华中科技大学硕士学位论文4 螺旋桨流固耦合特性模拟与分析4.1引言 (28)4.2螺旋桨结构计算方法 (28)4.3螺旋桨流固耦合计算 (29)4.4本章小结 (38)5 复合材料螺旋桨流固耦合计算5.1引言 (39)5.2基于ACP复合材料分层有限元模型 (39)5.3复合材料螺旋桨流固耦合结果分析 (43)5.4本章小结 (45)6 结论与展望6.1结论 (46)6.2展望 (47)致谢 (48)参考文献 (50)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1课题研究背景及意义进入新世纪后，随着全球经济的飞速发展，越来越频繁的贸易往来使得全球交通运输业发生了巨大变化。

第五章 轴流泵的流固耦合5-1 流固耦合概论流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。

单向耦合应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的，可以使用流固单向耦合。

先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。

典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小，对绕流不产生影响。

当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦合。

比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是因为两者相互影响产生的。

因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。

下面简单介绍其理论基础。

连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表达为质量、动量守恒形式:()0v tρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f tρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；Bf 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v tρρ∂+∇⋅=∂ （3） (-)+B r r c v v v f f tρρτ∂+∇⋅=∂ （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项c f 。

固体有限元动力控制方程为：[]{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5）式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。

流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程：f f s s n n ττ⋅=⋅ (6)f s d d = (7)f s q q = (8)f s T T = (9)5-2 单向流固耦合思路分析：轴流泵的单向流固耦合仅仅考虑流场对结构的影响，并不考虑结构变形对流场的影响，所以其数据的传递是单向的，流场和结构的分开计算，完成流场计算之后将其作为结构的边界条件加载到结构域上。

基于流固耦合的船舶轴-桨耦合振动特性分析李小军1，朱汉华1，熊 维2，吴继东2(1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2. 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430060)摘要: 以研究螺旋桨水动力和离心力对船舶轴-桨组合振动特性的影响为本文的研究目的，基于W o r k-bench平台，采用流固耦合有限元分析方法，进行船舶轴-桨组合模态分析。

在CFX中计算螺旋桨敞水性能，并在Ansys中将螺旋桨叶面水压力和离心力作为预应力分析轴桨组合振动的固有频率和振型，比较轴系、螺旋桨单独模型和轴-桨组合模型在固有频率上的区别。

计算结果表明，轴桨组合的固有频率远远低于轴系和螺旋桨独立模型的固有频率；轴-桨旋转产生的离心力对其固有频率影响不大；螺旋桨在流场中产生的水压力略微提高纵向振动固有频率，但影响很小，在实际应用中可以忽略。

关键词：流固耦合；螺旋桨；轴系；Ansys；模态分析中图分类号：U664.21 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2017)07 – 0019 – 05 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.004Coupled vibration characteristic analysis of shaft-propeller system of ship basedon fluid structure interactionLI Xiao-jun1, ZHU Han-hua1, XIONG Wei2, WU Ji-dong2(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Wuchang Shipbuilding Industry Group Company Limited, Wuhan 430060, China)Abstract: In order to explore the effect of propeller hydrodynamics and centrifugal force on coupled vibration charac-teristic of shaft-propeller system, taking Workbench as a tool, modal analysis of shaft-propeller system of ship was com-pleted with the fluid-structure interaction method. The open water performance of propeller was calculated in CFX, the natur-al frequency and mode shape of shaft-propeller system were analyzed in Ansys taking propeller water pressure and centrifu-gal force as pre-stress, and the difference of natural frequency of the single model of the shaft, the single model of the pro-peller and the combination model of shaft-propeller was analyzed. The results show that, the natural frequency of the shaft-propeller system is much lower than the natural frequency of the single model of the shaft and the single model of the pro-peller; the centrifugal force generated by the rotation of the shaft-propeller system has little effect on the natural frequency; the pre-stress produced by the propeller in the flow field increases the natural frequency of the longitudinal vibration slightly, but the influence is small, which can be ignored in the practical application.Key words: fluid-structure interaction (FSI)；propeller；shaft；Ansys；modal analysis0 引　言船舶螺旋桨和轴系在实际工作时，流场中不均匀载荷会影响桨叶表面压力分布和桨叶振动特性；同时流场中的载荷会通过螺旋桨叶面传递给轴系，引起轴系应力、应变以及振动特性的变化，因此研究轴-桨组合的流固耦合振动特性对探索船舶尾部振动和噪声的产生原因非常有意义。

流固耦合概述及应用研究进展流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。

顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。

总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。

1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。

Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。

直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。

从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。

如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。

事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。

比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。

1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。

螺旋桨和水翼作为航行器的重要部件，在航行过程中扮演着至关重要的角色。

螺旋桨是转动推进器，主要负责船舶或飞机的推进作用，而水翼则是支撑器，能够提供额外的升力和稳定性。

由于二者在航行过程中需要与水或气流进行耦合运动，因此对于其流固耦合机理和计算方法的研究显得尤为重要。

1. 螺旋桨和水翼的流固耦合机理螺旋桨和水翼的流固耦合机理主要涉及了流体力学和结构力学两个层面。

在流体力学方面，螺旋桨和水翼在水或空气中运动时，会受到流体的阻力和压力，同时也会对流体产生影响，这种相互作用就构成了流固耦合。

在结构力学方面，螺旋桨和水翼的形状、材料等因素将直接影响其在流体中的运动特性，因此需要考虑结构与流体的相互作用。

2. 流固耦合的数学建模为了深入研究螺旋桨和水翼的流固耦合机理，需要建立相应的数学模型。

在这个过程中，需要考虑流体的运动方程和结构的力学方程，同时还要充分考虑二者之间的相互作用。

对于螺旋桨来说，需要考虑其在水或空气中的推进功率和受到的阻力等因素；对于水翼来说，需要考虑其在水或空气中产生的升力和阻力等因素。

通过建立数学模型，可以对螺旋桨和水翼的运动规律进行准确地描述和预测。

3. 流固耦合的计算方法针对螺旋桨和水翼的流固耦合问题，需要开发相应的计算方法。

在过去的研究中，人们已经提出了各种各样的计算方法，其中既包括基于数值模拟的计算方法，也包括基于试验的计算方法。

数值模拟方法可以通过计算流体和结构的相互作用来预测螺旋桨和水翼的运动轨迹和性能，而基于试验的计算方法则可以通过实际的船舶或飞机模型进行测试和验证。

4. 研究现状与发展趋势目前，螺旋桨和水翼的流固耦合机理和计算方法研究已经取得了一些进展，但仍然存在诸多挑战。

流固耦合问题本身具有复杂的非线性和多物理场耦合特性，因此需要开发更加精确和高效的数值模拟方法。

另对于螺旋桨和水翼的结构设计和优化也需要更加深入的研究，以提高其性能和效率。

未来，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，相信对于螺旋桨和水翼的流固耦合机理和计算方法研究将会取得更加显著的成果。

流固耦合的研究与发展综述目录1.引言............................................... - 1 -2.流固耦合的分类与发展............................... - 1 -3.流固耦合的研究方法................................. - 2 -4.流固耦合计算法..................................... - 4 -5.软件应用方法....................................... - 6 -6.总结与展望........................................ - 14 - 参考文献............................................ - 15 -流固耦合的研究与发展1.引言近来，航空航天工业在世界上发展迅速，而作为“飞机心脏”的航空发动机是限制其发展的主要因素。

目前，航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，高负荷导致的高你压力梯度容易引起流动分离，同时随着科技的发展，航空发动机的设计使得材料越来越轻，越来越薄，这就使得发动机内部的不稳定流动对叶片的影响大大增加，成为发动机气动及结构设计要考虑的关键问题之一。

而以往单单考虑气动或结构因素不能满足实际的需求，必须将气动设计和结构设计相结合，考虑其相互作用的影响，因此流固耦合的研究应运而生。

流固耦合是流体力学与固体力学交叉而生成的一门独立的力学分支,它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响。

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用,固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

流固耦合概述及应用研究进展流固耦合是指涉及流体和固体相互作用及其相互影响的一种物理过程。

在流体中存在的固体物体会受到流动力的影响，而流体的流动又会受到固体物体的阻碍或改变。

流固耦合研究的目的是探索流体与固体耦合过程中的物理现象和机理，并为相关领域的应用提供理论和实践基础。

流固耦合是多学科、多领域交叉研究的产物，涉及机械工程、流体力学、材料科学、土木工程等众多领域。

流固耦合现象广泛存在于自然界和工程中，例如空气和飞机翼之间的相互作用、水流与水坝之间的相互影响、海洋中风浪作用于海洋工程结构等。

对于这些情况，了解流体对固体的作用以及固体对流体的影响有助于提高工程设计的可靠性和安全性。

近年来，流固耦合研究在理论研究和应用方面取得了一些进展。

在理论上，流固耦合模型主要基于数值计算和实验数据，通过建立相关方程和模拟方法来描述流体和固体相互作用。

这些模型主要包括弹性体与流体相互作用、固体与不可压缩流体相互作用、固体与可压缩流体相互作用等。

通过这些模型，可以预测固体的受力和变形情况，并进一步优化设计。

在应用方面，流固耦合的研究涉及了很多领域。

在航空航天工程中，例如在飞机机翼设计中，需要考虑空气流动对机翼的影响，同时也需要考虑机翼的形状对气流的影响。

在海洋工程中，例如在海上钻井平台的设计中，需要考虑海浪对平台的冲击，同时也需要考虑平台的形状对海浪的影响。

在建筑工程中，例如在高层建筑的结构设计中，需要考虑气流对建筑的荷载、风力对建筑的影响。

流固耦合研究的进展带来了许多创新应用，提高了工程设计的精度和可靠性。

例如，在汽车和飞机设计中，通过对流体力学和结构力学的耦合分析，可以更好地优化车身结构和机翼形状，减小风阻和气动噪声，提高车辆的性能和燃油效率。

在海洋工程中，通过对水流和结构的耦合分析，可以更好地预测海浪对海洋结构的冲击，从而减小结构的破坏风险。

虽然流固耦合研究取得了一些进展，但仍存在一些待解决的问题。

首先，流固耦合模型的建立和计算方法的选择仍然具有一定的局限性，需要进一步完善和发展。

基于流固耦合的螺旋桨水动力性能数值仿真黄胜;白雪夫;孙祥杰;陈广杰【摘要】According to the propeller theory, the Computational Fluid Dynamics technology based on the vicious lfow theory has been combined with the structural ifnite element analysis method to establish a numerical simulation method for the propeller lfuid-structure interaction. By using this method, it carries out the calculation and analysis of propellers. The results are consistent with the experimental results by comparison. For the same metal propeller at low advance velocity, it is proved that the results calculated by the proposed FSI method are more accurate than the traditional CFD method. It then presents the advantages of lfuid-structure interaction numerical method for the investigation of the composite propellers from many aspects, which provides the essential tool for its performance analysis.%根据螺旋桨理论，将基于粘流理论的计算流体动力学方法与结构有限元分析方法相结合，构建螺旋桨的流固耦合数值仿真方法。

流-固耦合流-固耦合是现代力学中的一个重要概念，指物体在流体中运动时，物体与流体之间相互作用的现象。

这种相互作用现象被广泛应用于海洋工程、船舶工程和风力发电工程等领域。

本文将从理论和应用两个方面介绍流-固耦合的概念和特点。

一、理论方面在流-固耦合中，流体的运动状态受到物体的影响，物体的运动状态也受到流体的影响。

因此，在研究流-固耦合现象时，要考虑物体的形状、大小、密度、表面形态等因素，同时也要考虑流体的流速、密度、黏度、压力等因素，这样才能较为准确地描述物体和流体之间的相互作用。

从理论上来说，流-固耦合现象是非常复杂的，需要运用现代力学中的流体力学和固体力学等理论对其进行研究。

在流体力学中，研究流体中的流动、稳定、湍流和动量转移等问题，而在固体力学中，研究物体的结构、应力和应变等问题。

将两个领域的知识相结合，才能较为全面地研究流-固耦合现象。

二、应用方面在海洋工程中，流-固耦合现象是非常重要的研究对象。

例如，在海洋上的钻井平台上，海浪和潮汐等流体运动状态对钻井平台的稳定性和安全性产生了重要影响。

而在船舶工程中，船舶在水中的运动状态同样需要考虑流-固耦合现象。

船舶的速度、形状、质量中心等因素会影响到水流的运动状态，而水流的流速、流向和波浪等因素也会影响到船舶的运动状态。

风力发电是近年来快速发展的一种可再生能源，而风力机的设计和研究中也需要考虑到流-固耦合现象。

风力机的叶片在风中旋转时，会引起周围风速的变化，从而影响到风力机叶片的运动状态。

因此，需要通过对流体力学和固体力学的研究，对风力机的叶片形状、材料、强度等因素进行优化设计。

总之，流-固耦合现象在现代工程应用中具有广泛应用前景。

研究这一现象需要充分结合现代力学中的理论知识，对于改善工程的安全性和效率具有重大意义。

船舶桨-轴系统双向流固耦合动力学建模方法研究邹冬林a ，b ，焦春晓a ，b ，徐江海a ，b ，塔娜a ，b ，饶柱石a ，b（上海交通大学a.振动、冲击、噪声研究所;b.机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）摘要：螺旋桨激励力引起的轴系及船体振动是船舶低频噪声的重要原因，目前已成为改善我国船舶振动噪声最关键的问题之一。

为了掌握这类低频噪声成因，有必要从流体、桨、轴系间的复杂耦合关系着手，揭示螺旋桨激励力产生、传递机理及桨-轴系统流固耦合振动演化规律。

因此急需一个桨-轴系统双向流固耦合动力学分析模型。

为此，本文利用有限元法（FEM ）耦合边界元法（BEM ）建立了流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型，并通过数值仿真分析以及实验研究，验证了所建模型的正确性。

研究表明：本文建立的模型求解精度满足工程要求，且相比于目前广泛采用的商业软件方法具有计算速度快、对计算机性能要求低等优点，非常适合工程应用。

关键词：推进轴系；螺旋桨；流固耦合；有限元法；边界元法中图分类号：O327；O351.3；U664.21文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.01.010Research on two-way fluid-solid coupling dynamics modeling for ship propeller-shaft systemZOU Dong-lin a,b ，JIAO Chun-xiao a,b ，XU Jiang-hai a,b ，TA Na a,b ，RAO Zhu-shi a,b (a.Institute of Vibration,Shock and Noise;b.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract ：The shafting and hull vibration caused by the propeller excitation force is an important source of the low-frequency noise of the ship,which has become one of the most critical issues for further reduction of the vibration and noise of ships.In order to grasp the causes of such low-frequency noise,it is necessary to reveal the mechanism of the generation and transmission for propeller excitation force and the evolution law of fluid-solid coupling vibration of the propeller-shaft system from the complex coupling relationship among fluid,propeller and shaft system.Therefore,a two-way fluid-solid coupling dynamics analysis model of a pro⁃peller-shaft system is urgently needed.Thus,a two-way fluid-solid coupling dynamic model of the fluid-elastic propeller-shafting is established by the coupled finite element method (FEM)and boundary element method (BEM),the correctness of which is verified by numerical simulation analysis and experimental re⁃search.The research results show that the bi-directional fluid-solid coupling dynamics model of the propel⁃ler-shaft system is accurate enough to meet the engineering requirements,and has the advantages of fast cal⁃culation speed and a low computer performance requirement compared with the widely-used commercial soft⁃ware methods.So the model is suitable for engineering applications.第25卷第1期船舶力学Vol.25No.12021年1月Journal of Ship Mechanics Jan.2021文章编号：1007-7294（2021）01-0080-15收稿日期：2020-07-28基金项目：国家自然科学基金项目（11672178）；国家自然科学青年基金项目（11802175）；中国博士后科学基金项目（2019T120339）作者简介：邹冬林（1987-），男，博士，E-mail:***********************.cn ；饶柱石（1962-），男，博士，教授，E-mail:**************.cn 。

流固耦合算法强耦合1. 引言1.1 研究背景流固耦合算法是近年来在工程领域备受关注的一种数值模拟方法，它主要用于模拟流体与固体之间的相互作用。

研究背景可以追溯到流固耦合问题在工程实践中日益复杂和突出的需求。

传统的流体力学和固体力学模拟往往无法准确描述流体与固体的耦合作用，因此需要一种新的算法来解决这一问题。

随着计算机技术的发展和对复杂问题模拟需求的增加，流固耦合算法逐渐成为研究和应用的热点。

流固耦合算法可以有效地模拟液体、气体与固体之间的相互影响，对于风力发电、航空航天、海洋工程等领域都具有重要的应用价值。

针对流固耦合算法的研究背景，本文将介绍其基本原理、强耦合模型的建立、应用案例、优缺点及未来发展趋势，旨在深入探讨该算法在工程领域的实际应用和研究意义。

通过对流固耦合算法的深入研究，可以为工程实践提供更加准确和可靠的数值模拟方法，推动相关领域的科学研究和技术发展。

1.2 研究意义流固耦合算法是一种将流体和固体结构耦合在一起进行分析的方法，其具有很高的研究价值和实际应用意义。

流固耦合算法可以更准确地模拟真实物理过程，使得工程设计和仿真更加贴近实际情况。

通过对流体和固体结构之间相互作用的深入研究，可以更好地理解各种工程问题的本质，并为工程实践提供更有效的解决方案。

流固耦合算法在许多工程领域中具有重要的应用价值。

在航空航天领域，流固耦合算法可以用于模拟飞机的空气动力学特性和结构响应，有助于改善飞行器的性能和安全性。

在海洋工程领域，流固耦合算法可以用于分析船舶结构在波浪和海流中的受力情况，为船舶设计和海洋工程提供重要参考。

流固耦合算法的研究和应用对于提高工程设计和仿真的精度和效率具有重要意义。

随着科学技术的不断发展和进步，流固耦合算法将在未来的工程领域中得到更广泛的应用和推广，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。

1.3 研究方法研究方法是指研究者在进行流固耦合算法研究时所采用的具体方法和步骤。

在进行流固耦合算法研究时，常见的研究方法包括数值模拟、实验分析和理论推导等。

航空工程中的流固耦合问题研究航空工程中的流固耦合问题是涉及空气动力学和结构力学的重要研究领域。

在航空器的设计和开发中，流体的运动对结构物的变形和应力有着重要的影响，而结构上的变形和应力也会改变流体的运动状态，这种双向的影响称为流固耦合。

本文将从流固耦合的基本概念、研究方法、典型应用等多个方面探讨航空工程中的流固耦合问题。

一、流固耦合的基本概念流固耦合是指流场和结构场的相互作用。

在航空工程中，流动场是指空气、液体等流体的流动状态，而结构场是指航空器的结构形态和变形状态。

流体与结构物相互作用的过程中，流体在结构物表面产生压力，从而引起结构物产生形变，而结构物的形变会改变流体流动的状态。

因此，流固耦合问题涉及到流体力学、结构力学、热力学等多个领域。

流固耦合的数学模型通常包括流体动力学方程和结构力学方程。

其中，流体动力学方程描述了流体的流动运动，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等；结构力学方程描述了结构物的变形和应力状态，包括弹性力学方程、塑性力学方程、动力学方程等。

二、流固耦合的研究方法流固耦合问题的研究方法通常可以分为实验方法和数值模拟方法两种。

实验方法是指通过实验设备模拟流体和结构物的相互作用，测量实验结果以获得流固耦合的一些规律或参数。

典型的实验方法包括风洞试验和结构物的振动实验。

风洞试验通常将缩比的航空器模型置于风洞中，通过测量模型周围的压力分布、速度分布等参数，推导出流场的运动规律；结构物的振动实验通常采用振动台模拟航空器在飞行中承受的机载振动，通过受力传感器和变形测量仪等设备，获得结构物的应力和变形状态。

数值模拟方法是指利用计算机建立流固耦合的数学模型，并通过数值计算获得流固耦合的相关参数。

数值模拟方法相比实验方法具有较高的精度和效率，尤其是在复杂场景下效果更加明显。

典型的数值模拟方法包括CFD(Computational Fluid Dynamics)和FEM(Finite Element Method)。

流固耦合模型流固耦合模型是一种重要的数值模拟方法，它能够有效地模拟流体和固体之间的相互作用。

在许多工程领域，如航空、汽车、船舶、建筑等，都需要进行流固耦合模拟，以评估设计的性能和可靠性。

本文将介绍流固耦合模型的基本原理、应用领域和发展趋势。

一、基本原理流固耦合模型是基于流体力学和固体力学的数值模拟方法，它将流体和固体的运动方程耦合在一起，构建一个综合的数值模型。

在流固耦合模型中，流体和固体之间存在几种相互作用方式，包括：1. 流体对固体的作用力：当流体流动时，会对固体表面产生压力和剪切力，这些力会影响固体的运动状态。

2. 固体对流体的作用力：当固体移动时，会对流体产生阻力和扰动，这些作用力会影响流体的运动状态。

3. 流体和固体的热传递：在流体和固体之间存在热传递，如果不考虑这种作用，会导致模拟结果的偏差。

基于上述相互作用方式，流固耦合模型可以分为两种类型：欧拉-拉格朗日方法和拉格朗日-欧拉方法。

欧拉-拉格朗日方法是以流体为欧拉网格，以固体为拉格朗日网格，通过网格之间的相互作用来模拟流体和固体的相互作用。

拉格朗日-欧拉方法则是以固体为拉格朗日网格，以流体为欧拉网格，通过将固体作为运动物体来模拟流体和固体的相互作用。

二、应用领域流固耦合模型的应用领域非常广泛，包括航空、汽车、船舶、建筑、医疗、能源等诸多领域。

下面将以航空和汽车领域为例，介绍流固耦合模型的应用情况。

1. 航空领域在航空领域，流固耦合模型被广泛应用于飞行器的气动力学和结构力学分析。

例如，研究飞机在高速飞行时的气动弹性特性，评估飞机的结构强度和疲劳寿命等。

此外，流固耦合模型还可以用于分析飞机的燃油系统、液压系统、电气系统等。

2. 汽车领域在汽车领域，流固耦合模型被广泛应用于车辆的空气动力学和车身结构分析。

例如，研究车辆在高速行驶时的气动力学特性，优化车身结构以提高车辆的安全性和燃油经济性。

此外，流固耦合模型还可以用于分析车辆的悬挂系统、制动系统、动力系统等。

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法张帅;朱锡;侯海量【摘要】To explore the influence of the deformation of composite blades on the hydrodynamic performance of a propeller, the propellers openwater performance was calculated based on a RANS equation, and the results of three different turbulence models were compared with experimental data. The predicted results agree well with the experimental data. The deformed geometrical parameters of the propeller blade such as trim, skew angle, rake, and the sectional pitch angle were derived and a coupled computational fluid dynamics (CFD) and finite element method (FEM) solving steady state was presented in this paper. In the coupling process, the fluid pressure on the biade was calculated with the CFD, and then the calculated fluid pressure was transferred to the FEM by the interpolation on the interface between the FEM and CFD. The deformation of the blades and stress distribution were calculated and then the deformed geometry of the propeller was input into the CFD again. The process was repeated until convergence was achieved and equilibrium was found. The stress distribution and deformation of the propeller blade can be calculated at different advance velocities and revolving velocities by the coupling method, and the pressure of the deformed blade as well as the hydrodynamic performance can be also calculated. The coupling approach is suitable for the design of composite propellers.%为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2012(033)005【总页数】7页(P615-621)【关键词】计算流体力学(CFD);螺旋桨;敞水性能;流固耦合【作者】张帅;朱锡;侯海量【作者单位】海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033;海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033;海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.31水面舰艇螺旋桨大多采用锰-镍-铝-铜或镍-铝-青铜合金制成.尽管合金材料具有屈服强度高和可靠性好等优势，但加工成螺旋桨几何形状的难度较高，且金属螺旋桨较差的声学性能使得其极易因振动而产生噪声.而纤维增强复合材料具有比强度高、耐腐蚀性好、良好的阻尼特性以及材料可设计性强等优点.因此复合材料应用于舰船螺旋桨和潜艇推进系统中［1］将改善螺旋桨的综合性能.但不同于金属螺旋桨，复合材料螺旋桨在水动力作用下会产生大的变形，其水动力性能必然发生变化.因此要得到复合材料螺旋桨的水动力性能，螺旋桨的流-固耦合算法是基础.传统的螺旋桨理论设计与计算建立在势流理论基础之上，未能全面考虑粘性的影响且不考虑旋度，因而无法准确预测桨叶边界层、螺旋桨尾流场的结构及桨叶梢涡的形成等真实情况下的流动特性［2］.基于RANS方程的粘性流场计算螺旋桨的流场特性的方法日趋完善，黄胜等［3-5］等分析了螺旋桨在不同工作状态下的水动力性能.关于螺旋桨流-固耦合算法的研究，LIN H J等［6］采用升力面法和九节点退化壳单元耦合算法，实现了求解复合材料螺旋桨的水动力性能的算法.Young Y L［7］研究了面元法和软件ABAQUS耦合的螺旋桨流-固耦合计算方法，但这些方法均是基于势流理论的螺旋桨水动力计算.本文首先通过不同湍流模型和试验，验证求解螺旋桨的敞水性能，再将粘性流场计算软件和有限元耦合起来，推导变形后螺旋桨的几何参数，实现螺旋桨流-固耦合的稳态求解算法.本文计算采用实验测得的复合材料板拉伸模量和泊松比，将复合材料考虑为各向同性，没有考虑复合材料的铺层结构.1 数学模型1.1 流体控制方程考虑螺旋桨在粘性湍流中旋转，其连续性方程和动量方程可表示为:连续方程:动量方程:式中:p是静态压力;μ是湍流粘度;ρ是液体密度;为Reynolds应力.RANS方程虽然不用求解流场中的瞬时量，但是方程却引入了新的未知量-雷诺应力，这时的方程解不封闭.要封闭求解方程，就必须引入新的方程，这些方程通过各种湍流模型来定义.1.2 湍流模型的选取为使RANS方程封闭，将雷诺应力用低阶或时均量表达，即湍流模型.封闭RANS 方程主要有REYNOLDS应力方程模型(RSM)与涡粘模型2种.涡粘模型以湍流各向同性为基础，认为雷诺应力和时均速度呈线性关系，该类模型求解简单，计算容易收敛.涡粘模型应用较广泛的有κ-ε，RANG κ-ε模型和SST κ-ω模型.而RSM模型以湍流各向异性为基础，考虑雷诺应力的对流和扩散作用，直接寻找雷诺应力的输运方程.本文通过比较分析几种常用湍流控模型，通过求解时间和求解精度方面的对比以及考虑到流固耦合本身对计算机性能的要求等方面进行综合考虑.螺旋桨水动力性能计算模型选择SST κ-ω湍流模型.该模型是利用混合函数将κ-ε和κ-ω2方程相结合而构建的湍流模型，在近壁区采用κ-ω方程，其他区域则采用κ-ε方程以获得湍流粘性作用，考虑了κ-ω方程近壁区模拟时的有效性及远场区无法准确模拟的不足［8］.最终选择SST κω模型求解螺旋桨的流固耦合特性.1.3 计算方法计算螺旋桨流场的控制方程是一系列非线性偏微分数学物理方程，需借助数值方法对其进行求解.本文利用Ansys/cfx软件完成该数值计算.收敛判据设定为0.000 1.计算区域分为内、外2个流域，在内流场建立一个固定于螺旋桨的旋转坐标系，采用MRF坐标系模型对螺旋桨周围的旋转流场进行计算，外围流场则在绝对静止坐标系下进行求解.将进口边界设置为速度入口条件，给定均匀来流的速度分量;出口边界给定静压分布，外边界设为开放界面;考虑粘性影响，螺旋桨表面定义为不可滑移壁面.2 流体计算模型文中采用DTMB4119螺旋桨，它是一种无侧斜无后倾分布的三叶螺旋桨，被ITTC选为验证数值方法预报精度的标准模型.桨叶直径为0.304 8 m，盘面比为0.6，桨叶剖面为NACA-66(mod)型，毂径比为0.2，螺距比(0.7R)为1.084.文中采用Excel编制计算过程文件，计算出螺旋桨叶面和叶背各个半径处的型值点，将计算出的型值点转换为文本文件，然后导入SolidWorks软件中，建立三维实体螺旋桨模型.螺旋桨几何模型和坐标如图1所示.坐标轴的定义为:x轴与螺旋桨的旋转轴一致，指向下游;y轴与桨叶参考线一致;z轴符合右手法则.计算采用全尺寸模型，转速为n=10 r/s和20 r/s，通过改变来流速度来实现不同的进速系数.网格质量直接决定计算的收敛性、效率和精度，因此，应根据流场中各物理量的分布特点对计算域进行合理的网格划分［1］.图1 4119桨几何模型Fig.1 Geometry of propeller 4119将求解域分成旋转区和静止区2个区，采用非结构网格划分方法，2个区采用CFX的GGI方式连接.即首先在螺旋桨表面生成三角形网格，再通过值要控制在30～300，通过多次试算确定表面网格大小和桨叶边界层的过渡方式和层数.螺旋桨表面网格和壁面棱柱过渡层网格如图2所示.总网格数为120×104.图2 螺旋桨表面网格和过渡层Fig.2 Surface grids and transition layers3 结构模型通过流体计算软件求出螺旋桨的水动力载荷以后通过Ansys-cfx软件指定流固耦合界面将流体压力通过表面效应单元的方式传递给有限元单元.因流体计算和结构计算采用的是非同种单元类型，为保证求解精度和数据传递的准确性，在划分有限元网格时保证导边和随边以及叶梢附近的网格要密一些.经多次试算后的有限元网格如图3所示.考虑到螺旋桨自身质量和运转工况，在ANSYS中设置旋转轴和施加旋转速度即可施加离心力和重力作用，桨叶根部边界为固支端.计算模型采用的材料参数如表1所示，其中S玻璃纤维为实验所测板拉结果，计算出的铝青铜材料桨叶的变形比S玻纤桨叶变形低一个数量级，因此主要考虑高强S玻纤的桨叶结构.计算用复合材料桨几何和金属桨几何相同.图3 桨叶有限元计算模型Fig.3 Finite element model of the blade表1 桨叶材料参数Table 1 Properties of the materials牌号弹性模量/ GPa 泊松比密度/kg·m－3 S玻纤20 0.18 2 100 ZQAL12-8-3-2 124 0.33 7 4004 螺旋桨敞水性能计算和验证对于流体动力载荷，由于桨叶工作于复杂的流场中，叶面和叶背受到分布载荷，这种载荷既不均匀，也不满足一些简单规律，因此如何尽可能真实地模拟桨叶的载荷分布是流固耦合分析的关键所在.4.1 螺旋桨敞水性能计算和对比为了实现结构载荷计算的准确性，首先采用几种常用的湍流模型(κ-ε，SST κ-ω和RSM)对比求解螺旋桨的水动力敞水性能并和JESSUP S D［9］实验结果进行了对比.对比结果如图4、5所示，螺旋桨敞水动力参数的计算值和实验结果吻合较好，计算所得的KT和10KQ与实验结果的最大误差除了κ-ε模型为12.5%以外，SSTκ-ω为9.6%和RSM为8%，而对于螺旋桨效率的计算值仅有κ-ε模型超过了11.5%，而其他情况误差均在5%.需要指出的是，最大误差值均出现于最大进速情况.原因在于相同转速和相同直径下，进速越大，相应的推力和扭矩越小，任何一个干扰就会导致预测值和实验值的误差增加很大.整体来看SSTκ-ω模型和RSM 模型均能得到精度较高的计算结果.图6为在同台计算机上不同湍流模型在不同进速下的计算时间对比图.由图6可知，相同进速下RSM模型的求解时间最长，在低进速时尤为明显，κ-ε求解时间最短，而SSTκ-ω模型求解时间接近κ-ε模型. 从以上对比可知，SSTκ-ω模型可以在保证求解精度的情况下，求解时间减少很多.另考虑到流固耦合计算本身对计算机求解性能和求解时间的严格要求，综合考虑，螺旋桨流体计算湍流模型采用SSTκω模型.图4 计算KT和10KQ与实验结果的对比Fig.4 Comparisons of calculated and experimental KT and 10 KQ图5 计算效率ETA和实验结果对比Fig.5 Comparisons of calculated and experimental ETA4.2 螺旋桨表面压力分布对比图7为螺旋桨在设计工况J=0.833时，r/R= 0.3、0.7和0.9半径上JESSUP S D实验换算得到的弦向压力分布和采用SSTκ-ω计算值的比较.从压力系数比较结果可以看出，在外半径r/R=0.7和0.9处，叶切面弦向压力分布的预报值与试验值吻合较好;而在内半径r/R=0.3处，预报值与试验值出现一定的偏差.这主要是由于JESSUP S D的结果是采用势流的伯努利方程换算得到的，没有考虑旋涡和粘性的影响所致.在半径r/R=0.3处，桨轴边界层和桨叶边界层同时存在，旋涡和粘性的影响较大，造成粘性计算结果和势流换算结果的偏差.总体来看，预报压力值和试验压力结果趋势一致，吻合较好，再次说明采用SSTκ-ω湍流模型可以准确预报螺旋桨的压力分布.图6 求解时间对比(n=10r/s)Fig.6 Comparisons of calculated durations(n=10 r/s)图7 叶切面压力分布系数Fig.7 Comparisons of pressure coefficient5 变形后桨叶几何参数的推导桨叶参考线即叶剖面鼻尾线中点的坐标:［10］设导边的坐标为(xl，r，θl)或(xl，yl，zl)，随边的坐标为(xt，r，θt)或(xt，yt，zt)，叶宽(即弦长)分布为C(r)，则桨叶的轮廓线可表示:式中:C(r)为叶剖面弦长;φ(r)为叶剖面螺距角;下标l、t分别表示导边(取－)和随边(取+).选择无量纲弦长s，导边表示为0，随边表示为1，桨叶弦向中点为1/2，桨叶剖面的拱度和厚度分布分别表示为f(s)和t(s)，桨叶拱弧面的表达式为:式中:下标c表示为拱弧面;δk=2π(k－1)/K，k= 1，2…，K，为桨叶数.设变形后的导边和随边节点坐标和，则变形后螺旋桨桨叶参考线的坐标为变形后各叶切面半径为rref:将式(6)和式(7)代入式(3)得变形后的侧斜角再代入式(4)，求出变形后的叶切面螺距角在推导式(9)的过程中，由于螺旋桨的变形量很小，所以认为C(r)不变.将和代入式(4)就可得到变形后的纵倾(r).最后将所有变形后的节点坐标代入到式(5)桨叶拱弧面的方程中，就可得到变形后的拱弧f＇(s)6 螺旋桨流固耦合算法的实现复合材料螺旋桨桨叶受到水动力载荷和离心力的作用，会产生较大的变形，那么桨叶结构的离散方程为式中:K为桨叶刚度矩阵，u桨叶节点位移矢量矩阵，F为桨叶所受外载荷矩阵.而式(11)中位移矢量矩阵u需采用有限元软件计算，而F求解需要流体计算软件.两者求解的平衡实现需借助流固耦合算法.因此设计了一种求解螺旋桨性能的流固耦合算法，求解流程如图8所示.图8 流固耦合的算法求解流程图Fig.8 Flow chart of computation algorithm of FSI计算采用稳态求解，不考虑瞬时效应.详细求解过程为:1)通过第2节中的方法建立螺旋桨的流体计算模型，计算出螺旋桨的敞水性能和压力分布.2)将1)计算的压力载荷结果通过流固耦合界面的方法传递给第3节中建立的有限元模型，计算出螺旋桨的变形，将变形后的桨叶节点坐标输出到文本文件.3)采用第5节中的方法确定变形后的螺旋桨几何参数，建立变形后的螺旋桨几何模型.4)将变形后的几何再次输入到CFD软件中求解螺旋桨的敞水性能和压力分布.5)判断是否满足平衡方程和收敛条件，如果满足则输出计算结果，包括结构变形量、应力场、推力、扭矩以及推进效率等.如不满足收敛条件，重复迭代2)、3)、4)步，直至结果收敛.文中指定的收敛准则为2个迭代步内的推力系数和扭矩系数小于2%.计算过程一般迭代2次就可达到收敛.7 应力、变形计算及变形后的压力分布7.1 应力水平和变形分布图9是不同转速、不同进速下的MISE应力分布和变形对照图(变形均放大20倍).设计工况，n=10 r/s和 20 r/s时，最大等效应力分别为2.3 MPa和8.62 MPa.由图可以看出，相同转速不同进速情况下，低进速情况下的MISE应力比高进速下的要大.不同转速，相同进速情况，转速高的应力要比转速低的要大.最大MISE应力分布均在叶根弦向中心位置.根据螺旋桨理论可知，相同转速下，在低进速时为螺旋桨的“重载”状态，推力和扭矩均较大;高进速时为“轻载”状态，推力和扭矩较小，所以在低进速时螺旋桨的变形要比高进速的大，应力分布也是一致的.相同进速，不同转速下，根据螺旋桨的无因次理论，推力和扭矩增大数为2的转速倍数次方.弹性范围应力和变形也增加同样倍数.图10和图11是不同转速、进速下的桨叶变形分布.从图10可以看出，桨叶变形引起了桨叶侧斜的改变.4119螺旋桨为无侧斜桨，变形后侧斜角为正值，即向随边倾斜.相同转速时，低进速的侧斜改变比高进速的大，这与前面分析的受力规律一致.而图11则显示了在水动力载荷的作用下，桨叶朝着船体方向变形，且在叶稍附近达到最大值，变形规律类似悬臂梁.变形后的桨叶剖面鼻尾线在螺旋桨轴向(x轴)方向的投影有零变为正值，即导致产生了纵倾的分布.另桨叶朝着船体方向变形，促使各半径处的螺距角分布改变.即在随边附件变形大，导致螺旋桨桨叶螺距的变小. 图9 不同转速n、进速J下的MISE应力分布Fig.9 MISE stress distribution at different n and J图10 侧斜的改变(线框为未变形，实体为变形后)Fig.10 Changes of the blade skew图11 纵倾的改变(线框为未变形，实体为变形后)Fig.11 Changes of the blade rake7.2 变形前、后桨叶的压力分布图12为设计进速J=0.833时变形前后桨叶压力面和吸力面的压力分布对比图.如图12所示，变形的叶稍改变了叶稍附近压力的分布.变形后正压力峰值相应减小，负压力峰值相对升高.图12 J=0.833螺旋桨变形前后压力分布(n=10 r/s)Fig.12 Predicted pressuredistribution of 4119 in the undefand def-configuration，J=0.833，n=10 r/s 8 结论1)对螺旋桨进行稳态流固耦合分析，SST κ-ω湍流模型预报精度高且求解时间合理.2)实现了螺旋桨的流固耦合算法，可以求解桨叶的变形和应力分布及变形后的推进性能.3)螺旋桨在水动力作用下产生的变形，改变了螺旋桨的初始几何参数，因此改变了螺旋桨的压力分布，从而改变了螺旋桨的水动力性能.对于易于变形的复合材料螺旋桨设计、计算，要考虑桨叶变形的影响.【相关文献】［1］MOURITZ A，GELLERT E，BURCHILL P，et al.Review of advanced composite structures for naval ships and submarines［J］.Composite Structures，2001，53:21-41. ［2］高富东，潘存云，蔡汶珊，等.基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证［J］.机械工程学报，2010，46(8): 133-139.GAO Fudong，PAN Cunyun，CAI Wenshan，et al.Numerical analysis and validation of propeller open-water performance based on CFD［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(8):133-139.［3］黄胜，王超，王诗洋.不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较［J］.哈尔滨工程大学学报，2009，30(5):484-485.HUANG Sheng，WANG Chao，WANG Shiyang.Application and comparison of different turbulence models in the computation of a propeller’s hydrodynamic performance［J］Journal of Harbin Engineering University，2009，30(5): 484-485.［4］沈海龙，苏玉民.基于滑移网格技术的船桨相互干扰研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2010，31(1):1-7.SHEN Hailong，SU e of the sliding mesh technique to analyze interaction between ship hulls and propellers［J］.Journal of Harbin Engineering University，2010，31 (1):1-7.［5］王超，黄胜，单铁兵.基于多块混合网格方法预报螺旋桨非正常工作状态时的水动力性能［J］.船舶力学，2010，14(1/2):51-55.WANG Chao，HUANG Sheng，SHAN putations of the propeller’s hydrodynamic performance in abnormal working condition based on multi-block meshes ［J］.Journal of Ship Mechanics，2010，14(1/2):51-55.［6］LIN H J，LIN J J.Nonlinear hydro-elastic behavior of propellers using a finite-element method and lifting surface theory［J］.Journal of Marine Science and Technology，1996，1:114-124.［7］YOUNG Y 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流固耦合概念流固耦合，是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。

它是流体力学(CFD) 与固体力学(CSM) 交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支。

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。

变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

当你研究的问题，不仅涉及到了流场的分析，还涉及到了结构场的分析，而且二者之间存在着明显的相互作用的时候，你就考虑进行流固耦合分析。

流固耦合求解方法流固耦合问题分析根据流体域和固体域之间物理场耦合程度的不同，可分为强耦合和弱耦合，对应的求解方法分别为直接解法和分离解法。

直接解法通过将流场和结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解，即在同一求解器中同时求解流固控制方程，理论上非常先进，适用于大固体变形、生物隔膜运动等。

但在实际应用中，直接法很难将现有的计算流体动力学和计算固体力学技术真正结合到一起。

另外，考虑到同步求解的收敛难度以及耗时问题，直接解法目前主要应用于模拟分析热－结构耦合和电磁－结构耦合等简单问题中，对于流体－结构耦合只进行了一些非常简单的研究，还难以应用在实际工程问题中。

而弱流固耦合的分离解法是分别求解流体和固体的控制方程，通过流固耦合交界面进行数据传递。

该方法对计算机性能的需求大幅降低，可用来求解实际的大规模问题。

目前的商业软件中，流固耦合分析基本都采用分离解法。

ANSYS很早便开始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件（如MPCCI）实现ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。

螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟黄璐，陈立，邱辽原，解学参【摘要】根据螺旋桨局部坐标转换成全局坐标的型值，建立螺旋桨的三维几何模型。

基于商业软件，分别研究分区混合流体网格和结构网格的划分。

使用Fluent软件分析螺旋桨的敞水性能，结合MRF转动模型和SST湍流模型研究螺旋桨在不同进速系数下的推力、转矩和敞水效率。

与实验测量值比较，证实了该方法的工程可用性。

基于Workbench平台，将CFD软件计算和有限元求解耦合起来，研究螺旋桨敞水时的单向流固耦合作用，对桨叶的结构强度进行校核计算，并分析螺旋桨应力，变形与进速系数的关系。

【期刊名称】舰船科学技术【年(卷),期】2014(000)011【总页数】5【关键词】螺旋桨；水动力性能；流固耦合；数值模拟0 引言船用螺旋桨水动力性能数值预报的方法主要基于粘性流或势流。

基于势流理论的升力线理论，升力面理论和面元法虽然广泛应用于螺旋桨的设计与性能预报，但由于势流理论忽略了流体粘性的影响，无法准确预报螺旋桨的尾流场。

随着CFD技术的发展，利用CFD技术预报螺旋桨的水动力性能开始得到广泛的应用。

目前粘性流的计算主要是基于RANS方法，对螺旋桨周围流场进行数值预报与流场分析，计算结果与实验结果吻合较好。

常规的螺旋桨强度计算采用分析计算法，该方法把桨叶作为简单的悬臂梁，推力系数和扭矩系数沿桨叶径向的分布形式按经验公式来假定，假定线性规律分布，计算包含大量简化，因此这种方法不能准确的进行强度计算。

有限元法是将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体，这样的组合体能解析地模拟或逼近求解区域。

因此，采用有限元法可以准确的对螺旋桨结构强度计算，得到桨叶变形及产生的应力。

螺旋桨数值预报的影响因数有很多，如几何模型的精确度、网格类型和质量、湍流模型、离散方式、求解算法等。

本文采用Gambit软件，根据螺旋桨的投影原理及型值参数进行三维建模。

基于结构/非结构网格分区拼接嵌套技术，分别进行分区混合流体网格和结构网格的划分，采用Fluent软件对敞水螺旋桨的水动力性能进行数值模拟，并分析流场的一些重要现象及特征。