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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。
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。
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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第四章螺旋桨模型的敞水试验螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。
它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。
螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。
螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是：①进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。
现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。
②根据系列试验的结果，可以系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向。
③校核和验证理论方法必不可少的手段。
④为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。
为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。
§4-1 敞水试验的相似条件从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。
研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。
下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。
可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速VA、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g有关。
换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即T = f1(D，n，V A，ρ，ν，g)，为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作：T = k D a n b cAVρd νe g f(4-1)式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。
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0.75C -- 0.75R （半径）处叶剖面的弦长（m ） D-- 螺旋桨的直径（m ） A V-- 螺旋桨的进速（m s ） n-- 螺旋桨的转速（round s ）υ--水的运动粘性系数（2m s ）根据1978年ITTC 会议建议，临界雷诺数为5Re 3.010=⨯临。
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 1.0h D ≥，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s Q ∆和s T ∆，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。
基于CFD法的船用螺旋桨敞水性能预报作者：伍蓉晖, 何珍彭翔田中文来源：《广东造船》2019年第02期摘; ; 要：螺旋桨敞水性能对船舶推进性能具有重要意义。
本文采用计算流体动力学（CFD ）数值计算方法对螺旋桨的敞水性能进行预报计算。
通过不同边界层模式下的计算精度比较，提出合适的预报模式，并与试验值对比以验证该模式的有效性。
结果表明，该模式计算误差在工程允许范围内，可用于螺旋桨水动力性能预报。
关键词：敞水性能;CFD;边界层;湍流中图分类号：U661.34 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：AAbstract： Open water performance of propeller is of great significance to the determination of ship propulsion performance. In this paper， computational fluid dynamics （CFD） numerical calculation method is used to calculate the open water performance prediction of propeller， by comparing the calculation accuracy of different boundary layer models， an appropriate prediction model is proposed and compared with the test values to verify the effectiveness of the model. The results show that the calculation error of the model is within the allowable engineering error range and can be used for the prediction of marine propeller hydrodynamic performance.Key words： Open water performance; CFD; Boundary Layer; Turbulence1; ; 引言螺旋桨是应用最为广泛的船用推进器，螺旋桨水动力性能对于船舶推进性能起着至关重要的作用。
基于势流理论和粘性流理论的螺旋桨水动力性能分析螺旋桨水动力性能预报经历了升力线、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法几个阶段。
升力线方法过于简化导致求解精度不够，升力面在升力线的基础上有所进步但由于其是建立在薄翼理论基础上的，不能精确地描述螺旋桨的几何外形以至于不能正确的预报桨叶压力分布和空泡性能，其计算精度也不能令人满意。
面元法能很好地处理桨毂、导边及桨叶上的空泡影响，更精确地描述复杂的螺旋桨几何外形，克服升力线和升力面的不足，对复杂的翼身结构作了更为精确的离散化处理，同时消除升力面理论中薄翼假设带来的导边奇性，更精确地预估导边附近和剖面较厚处的压力分布并能计及桨毂的存在及桨毂对螺旋桨性能和桨叶压力分布的影响。
升力面理论的应用日趋完善，面元法和N－S方程的方法已逐渐成为螺旋桨设计与水动力预报的主流，特别是能提供桨叶表面流动精细描述的CFD方法。
虽然升力面和面元法能成功的预报螺旋桨在稳定流和非稳定流中的水动力性能，但是这些理论方法都是建立在势流的基础上，计算过程中忽略了粘性影响，因此在工程应用中需要对设计和计算结果进行粘性修正。
由于势流理论忽略粘性力导致我们在研究尺度效应对实船的影响、空泡与黏性流的非线性相互作用、螺旋桨桨叶表面边界层和尾流涡的结构与力学机理等问题时都无法给出定量的计算结果，特别是势流计算方法无法捕捉桨叶附近的细节流动如桨叶随边涡的结构，严重影响了螺旋桨性能的预报精度。
基于RANS方程的计算流体力学方法为上述问题的解决提供了有效地解决方案。
求解RANS方程的商业软件相继出现并不断完善，很明显在螺旋桨水动力性能数值预报方面CFD方法已成为主流研究方向。
对湍流模式、网格生成、近壁面模型等CFD关键问题不断改进后，CFD代码分析复杂流动的能力大幅提高。
尽管如此，涉及物理模型的逼真度、数学理论以及如何选择基准检验试验验证方案等复杂问题时，CFD方法还存在一定的不确定性，成为CFD研究领域中极具挑战性的前沿课题。
