螺旋桨粘性流场的数值模拟

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基于STAR-CCM+的导管螺旋桨黏性流场计算方法研究

基于 STAR-CCM+的导管螺旋桨黏性流场计算方法研究
邱鹏，郑高，李国诚
（武警海警学院机电管理系，浙江宁波 315801）
摘要：以 19A 导管配 ka4-70、螺距比为 1.0 的螺旋桨为研究对象，通过求解 RANS 方程，采用 CFD 方法并借助 STAR-CCM+流体软件，对其敞水性能进行了数值研究，与现有试验值进行了比较，从而探讨了不同网格类型和不同湍流模型对其敞水性能计算精度的影响。分析了特种推进器在进速系数为 0.3 时的黏性流场特性，验证了采用 STAR-CCM+进行导管桨性能数值模拟方法的可靠性，为之后的导管桨黏性流场数值研究提供了参考意见。
1 数值计算 1.1 三维建模
本文中计算对象[7]采用的导管为 19A 型，螺旋桨叶的主要参数为：直径 0.2 m，毂径比为 0.167，螺距比 1.0，盘面比 0.7，叶数为 4 叶，叶剖面为 NACA66。螺旋桨的三维型值是将已有的二维坐标转换为三维坐标，通过螺旋桨的参数和叶切面二维形状尺寸，建立与螺旋桨上曲面型值点空间坐标之间的关系式[8]，最后将生成的三维型值点直接导入到 Icem 中形成螺旋桨的桨叶。导管可直接将二维剖面在 UG 软件中绕 X 轴旋转 360°即可得到三维模型。最终导管桨的物理模型如图 1 所示。
0 引言导管螺旋桨[1]是当今船舶行业主要使用的特种
推进器之一，与普通螺旋桨相比，它更适于重载、
大功率的船舶中，受到国内外众多学者的关注。因此，有必要对导管桨的水动力性能进行全面地研究。目前，研究领域对导管桨的性能分析主要采用试验
基金项目：浙江省教育厅一般科研项目（Y201636245）；公安海警学院海警研究所特约研究员项目“海警水上智能救援机器人”。

两船会遇粘性流场数值模拟研究

摘
要：随着航运的快速发展，港口、内河中船舶密度逐步增加，船舶航行间距的减小使得船舶之间的水动力干扰越来

越明显，严重影响了船舶的安全航行。本文基于现代粘性流动网格技术，针对由于水动力干扰引起的船舶六自由度运动，数值模拟了两船相向运动工况下的流场变化情况。文章的结论对于当操纵船舶遇到会遇情况时，对船舶驾驶人员起到一定的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｐｉｎｇ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｈｉｐｉｓｒｉｓｉｎｇｑｕｉｃｋｌｙｉｎｐｏｔｓｒａｎｄｒｉｖｅｒｓ．Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｈｉｐｓｂｅｃｏｍｅｓｓｍａｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｈｙｄｒｏｄｙ —
ｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｎｕｍｅｉｒｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｅｎｃｏｕｎｔｅｒｉｎｇｖｅｓｓｅｌｉｎｗａｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｃｅｔａｒｉｎｇｕｉｄａｎｃｅｏｎｓｆｅａｍａｎｅｕｖｅｉｎｒｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｈｉｐｓ

螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用

螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用螺旋桨是船舶的重要配件，其四象限水动力性能的数值模拟与应用对于船舶设计和性能的优化都具有重要意义。

本文将探讨螺旋桨四象限水动力性能数值模拟的方法及其应用。

首先，螺旋桨四象限水动力性能主要包括推力、扭矩、速度和效率四个方面。

利用数值模拟技术进行四象限水动力性能计算，可以提高其精度和可靠性，以实现优化设计。

在数值模拟中，应用计算流体力学（CFD）和离散元素方法（DEM）等技术，对螺旋桨与水域相互作用的流场进行分析和计算，从而得到推力、扭矩、速度和效率等参数。

其次，螺旋桨四象限水动力性能数值模拟的应用广泛。

首先，在螺旋桨设计中，可以利用数值模拟技术进行多种参数的变化测试，并找到最优设计方案。

其次，针对不同船型和船速，在螺旋桨选择和优化中，也可以用数值模拟的方法进行计算和比较。

此外，在船舶性能评估与优化中，螺旋桨四象限水动力性能参数是重要的评价指标，可以对螺旋桨和船舶的性能进行综合评估和优化。

总之，螺旋桨四象限水动力性能数值模拟是船舶设计与性能优化的重要手段之一。

其精度和可靠性对于船舶的性能影响至关重要。

未来，在数值模拟技术的不断提高和发展下，螺旋桨四象限水动力性能的数值模拟将会越来越重要，其应用范围也将更加广泛。

为了进行螺旋桨四象限水动力性能数值模拟和应用的研究，需要收集、整理和分析相关的数据。

数据的来源可以包括实验室试验、模拟计算等多种途径。

下面列举一些可能用到的数据类型：1.螺旋桨几何参数：包括叶片数、直径、螺距、叶片参数等。

2.流体参数：包括水的密度、粘度、温度和速度等参数。

3.四象限水动力性能参数：包括推力、扭矩、速度和效率等参数。

4.船舶参数：包括船型、排水量、速度等参数。

5.试验数据：针对具体螺旋桨、船舶排水量和速度进行的物理试验数据。

针对这些数据，可以进行各种方式的分析。

首先，在螺旋桨几何参数分析方面，可以分析不同螺距、叶片参数对于四象限水动力性能的影响，找到最优参数组合及其区域。

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。

基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报

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FOR TRAN 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 2bit 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CFD 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:U664.3 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2008)04-0107-06H ydrodynamic performance prediction of some propeller based on CFDWAN G Chao ,HUAN G Sheng ,XIE Xue 2shen(College of Ship building Engineering ,Harbin Engineering Univ.,Harbin 150001,China )Abstract :CFD software was used to calculate t he performance of propeller in t he viscous flow regions and simulate t he t hrust and torque coefficient s ,t he pressure and velocity dist ributions of p ropeller ′s wake flow at different advance coefficient s.The point s of p ropeller were calculated by FOR TRAN p rogram ,which were used to set up geomet ry in Gambit.Also t he met hod of NU RBS was used to create t he configuration of propeller.The process of using Fluent to calculate t he open water perfor 2mance of p ropeller was int roduced.The comp uted result s were compared wit h t he experimental data.At t he same time ,some numerical survey of propeller ′s performance condition was also int roduced.K ey w ords :p ropeller ;hydrodynamic performance ;Fluent ;viscous flow ;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。

基于流固耦合的螺旋桨水动力性能数值仿真

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。

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟高飞飞【摘要】针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟.首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律.在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果.最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响.研究结果表明:动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数.螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大.对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求.攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线.%CFD technology was applied to do the numerical simulation of unsteady flow around the single propeller model, which was based on the structured dynamic grids. To start with, two sets of calculation grids consisting of multi-block point-to-point and face-to-face patched grid were created in terms of the whole shape. Then through the contrastive analysis of the computational results, the feasibility and accuracy of dynamic patched grids were verified. At the same time, the regular patterns in which propeller performance parameters varied in accordance with the rotation rate were obtained. Numerical simulation results of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and Euler equations were analyzed based on the research above. In the end, made a study of the influence of angles. The results show that dynamic patched grids are efficient to simulate the characteristicparameters of the unsteady flow. The thrust and power cofficients increase considerably with the rise of the rotational speeds. Euler equations are qualified for engineering precision requirement in the numerical simulation of unsteady flow around single propeller. The thrust and torque cofficients are contant when the angle is 0 degree and take on sinusoidal vibration when 10 degree.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)030【总页数】6页(P7564-7569)【关键词】螺旋桨;动态网格搭接;Navier-Stokes方程;Euler方程;非定常方法【作者】高飞飞【作者单位】西安航空计算技术研究所,气动数值模拟航空科技重点实验室,西安710068【正文语种】中文【中图分类】V211.3虽然航空推进技术早已进入喷气时代，但在航空发展史上起着重要作用并产生拉力的气动部件——螺旋桨并没有退出航空领域。

船舶阻力及粘性流场的数值模拟

4、数值模拟方法：研究适用于喷射器流场的数值模拟方法，如计算流体动力学（CFD）、有限元法（FEM）等。
方法论
方法论
本研究采用实验测量和数值模拟相结合的方法，首先通过实验测量获取喷射器流场的实际数据，然后利用数值模拟方法对实验数据进行验证和预测。具体步骤如下：
方法论
1、实验设计：根据喷射器的实际应用场景，设计实验方案，包括测量位置、测量仪器、实验操作流程等。
结论与展望
2、加强实际水域环境中船舶操纵性能的研究，开展更多的船模实验和真机实验，积累更多的实测数据；
结论与展望
3、研究不同类型和尺度的船舶在各种复杂水域环境下的操纵性能，拓展研究成果的应用范围；
结论与展望
4、结合先进的机器学习和人工智能技术，对船舶操纵性能进行智能评估和预测，提高航行安全和效率。
引言
究，对提高船舶的操纵性能和航行安全具有重要意义。
背景
背景
船舶操纵运动与流场结构的关系一直是船舶工程领域的研究热点。早期的研究主要集中在理想流体模型下船舶操纵运动的数学模拟，然而，由于实际船舶操纵过程中所涉及的流体是复杂的粘性流体，因此，理想流体模型并不能完全反映船舶操纵的实际
背景
情况。随着计算技术和实验技术的发展，对船舶操纵运动粘性流场和水动力数值的研究逐渐成为可能。
结论与展望
展望未来，我们建议研究者们可以在以下几个方面进行深入探讨：1）开发更高效、精确的网格生成技术和湍流模型，以提高模拟精度；2）研究不同船型、不同水动力性能的船舶阻力及粘性流场，以拓展应用范围；3）结合先进的数据分析和计算方法，
结论与展望
进行大规模数据处理和复杂模型训练，以提升模拟效率；4）探讨船舶阻力及粘性流场的优化设计和控制方法，以提高船舶性能和节能减排效果。

螺旋桨流场数值模拟与优化设计

螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。

而螺旋桨的性能与其流场密切相关。

为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。

数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。

在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。

CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。

首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。

在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。

通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。

这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。

其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。

在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。

通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。

此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。

对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。

通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。

这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。

在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。

这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。

此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。

总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。

通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。

基于CFD的螺旋桨粘性流场的数值模拟研究

１控制方程的建立
假定流体是不可压的，来流为以定常速度Ｖ作匀速直线运动，转动区域在周向保持一定转速，螺旋桨保持相对旋转速度为０，得出控制方程，流场连续方程如式（１）所示：
Ｏｘ，
＝０
关键词：螺旋桨ห้องสมุดไป่ตู้；数值模拟；粘性流场；ＦＬＵＥＮＴ
中图分类号：Ｕ６６１．３１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１ — ９８９１（２０１６）０１ — ００４４ — ０５
０引言
螺旋桨是现代船舶主要的推进器，能够准确地获取其相关流动信息对船舶建造而言意义重大。获得螺旋桨水动力性能数据主要有实验和计算两种方法。如果采用实体模型，则制作螺旋桨模型的周期长，费用高，且能备快速预报螺旋桨敞水性能，如想得到更精细的实验数据就需要精密仪器如激光多普勒测速仪ＬＤＶ（ＬａｓｅｒＤｏｐｐ１ｅｒｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，以下简称“ ＬＤＶ ” ）等进行试验。随着计算机技术和粘流理论方法的发展，应用计算流体力学技术ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，以下简称 “ ＣＦＤ” ）对螺旋桨周围水动力特性进行数值模拟变得切实可行，相比传统实验而言ＣＦＤ技术具有仿真性能好、计算周期短和成本低廉等优点。【１＿３Ｊ本文利用ＣＦＤ常用计算软件之一ＦＬＵＥＮＴ对螺旋桨在粘性流场中的敞水性能进行数值模拟计算。

螺旋桨水动力性能的数值预报方法_胡健

收稿日期 :2007 -03 -19 基金项目 : 博士点基金资助项目 ( 20060217020) 作者简介 : 胡健 ( 1979 ) , 男 , 江苏沭阳人 , 博士 , 讲师 , 研究方向为船舶推进。
2
江苏科技大学学报 ( 自然科学版 )
2008 年
的计算 , 80 年代 , 面元法被引入到螺旋桨的性能计算中 , 建立了基于源汇和偶极的混合分布面元法。文献 [ 4] 也完成了相应的工作。在国内 , 文献 [ 5] 首先开展了螺旋桨升力线理论的研究 , 并编制了程序。文献 [ 6 7] 展开了升力面方法的研究 , 取得了重要成果。文献 [ 8 9 ] 对面元法展开了相应地研究 , 并将其应用到螺旋桨的研究中。本文采用基于速度势的低阶面元法 , 研究了螺旋桨的水动力性能。积分 [ 3] 方程由格林公式导出 , 用压力库塔条件封闭积分方程。影响系数用 M o r i n o 方法求解 , 桨叶表面切向速度用 Y a n a g i z a w a 方法求解 , 桨叶表面压力分布由伯努力方程求解 , 环量分布等于桨叶随边处上下表面的速度势的差值。理论和试验的比较说明 , 该方法在预报螺旋桨的水动力性能、压力分布和环量分布等方面均能取得良好效果。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 积分方程的数值解法
将螺旋桨表面和尾涡面分成一系列小单元 , 并用双曲面元替代每一单元。这里在弦向和展向分别采用余弦分割 , 螺旋桨尾涡面的形状一般是未知的 , 但在理论分析中必须先确定其形状 , 这样就必须对尾涡作一些假设 , 一般有线性尾涡和非线性尾涡模型 , 线性尾涡不考虑尾涡的变形 , 将其假设为定螺距的螺旋面 , 而非线性尾涡根据实验数据和观察结果修正尾涡面 , 得到变螺距扭曲的尾涡面。本节算例采用线性尾涡模型及面元分割。假设在每个面元内扰动势 φ 、速度势跳跃 Δφ 和( V ) 都是常数 , 则积分方程可转化为线性方程组 0· n

螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟

螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟螺旋桨是水上运输的重要工具之一。

螺旋桨的水动力性能是影响船舶速度、稳定性和燃油消耗等重要参数的关键因素。

为了提高船舶的效率和稳定性，研究螺旋桨的水动力性能和流固耦合数值模拟显得至关重要。

螺旋桨的水动力性能包括推力、扭矩、效率等指标。

推力是指螺旋桨在运转时，水对它的推动力，扭矩是指螺旋桨的旋转产生的力矩，效率则是指螺旋桨的输出功率与输入功率之比。

这些指标可以通过模拟实验测量获得。

同时，因为螺旋桨运动过程中涉及到水流的流动，因此需要进行流固耦合数值模拟。

流固耦合是指流体流动与固体结构动态耦合的过程。

在螺旋桨的流固耦合数值模拟中，需要考虑螺旋桨和流场之间的相互影响，包括螺旋桨叶片对水流的影响和水流对螺旋桨叶片的响应。

这些因素是影响螺旋桨水动力性能的关键因素之一。

针对螺旋桨的水动力性能和流固耦合的数值模拟，有许多研究展开。

相关的实验室实验、水池试验和数值模拟已经被广泛应用于螺旋桨水动力性能的研究。

此外，还可以采用各种不同的方法，如计算流体力学（CFD）、有限元方法（FEM）以及流体-结构相互作用分析（FSI）等方法，用于螺旋桨的水动力性能研究和流固耦合数值模拟。

螺旋桨水动力性能和流固耦合数值模拟是船舶设计和运营中的重要研究方向之一。

通过研究螺旋桨的水动力性能和流固耦合数值模拟，可以帮助船舶行业提高船舶的效率和稳定性，降低燃油消耗和碳排放等方面。

因此，在未来，螺旋桨水动力性能和流固耦合数值模拟的研究将十分重要。

对于螺旋桨水动力性能的相关数据，主要包括推力、扭矩和效率等指标。

推力指的是螺旋桨在运转时，水对其产生的推动力，它是用牛顿（N）或千克力（kgf）来衡量的。

扭矩是指螺旋桨的旋转所产生的力矩，它用牛顿米（N·m）或磅-英尺（lb-ft）来衡量。

而效率则是指螺旋桨的输出功率与输入功率之比。

通过对螺旋桨的相关数据进行分析，可以得到以下结论：首先，推力与扭矩之间存在着一定的关系。

船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法

ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０００．０００．０ｏ：０３６／．ｓ．０１— ５５２１．６０４ｓ
船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法
朱志峰方世良王晓燕
（南大学水声信号处理教育部重点实验室，京２０９）东南１０６（徽工业大学电气信息学院，马鞍山２３０）安４０２
中图分类号：５２Ｘ０文献标志码：Ａ
和湍流动能的预报精度．
关键词：值模拟；数空化；纳维一斯托克斯方程；螺旋桨；流湍文章编号：０１— ５５２１）６１４－６１０００（０００ —１６０
Ｎｎｍｅｉａｅｈｄｆｒｖｓｏｓｃｖｔｔｎｏａｏｎｈｐｐｏｅｌｒｕｒｃｌｍｔｏｏｉｃｕａｉｉｇｆｗｒｕｄｓｉｒｐｌａｌｅ
ＺｈｈｆｎｕＺｉｅｇ・ＦａｇＳｉｉｎ。ｎｈｌｇａＷａｇＸｉｏａｎａｙｎ
（ＫｅａｏａｒｆｄｒａｅＡｏｓｃＳｇａＰｏｅｓｇｏｎｓｆＥｕａｏ，ＳｕｈａｔｉｅｓｙＮｉｇ２０９，ｈｎ）ｙＬｂｒｏｙｏｅｗｔｒｃｕｔｉｌｒｃｓｉｆｉｒｏｄｃｔｎｏｔｅｓＵｎｖｒｔ，ｎ１０６ＣｉａｔＵｎｉｎｎＭｉｔｙｉｉ（ｃｏｌｆｌｔｃｌｎｉｅｒｇａｄＩｆｒｔｎＡｎｕｎｖｒｉｆｅｈｏｏｙＳｈｏｅｒａＥｇｅｉｎｎｏｍａｏ，ｈｉｉｅｓｙｏｃｎｌｇ，Ｍａｎｈ４０２，ｈｎ）ｏＥｃｉｎｎｉＵｔＴａｓａ２３０Ｃｉａｎ

螺旋桨数值模拟方法

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。

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基于混合嵌套网格方法的螺旋桨数值模拟

软件研发与应用SOFTWARE DEVELOPMENT&APPLICATION基于混合嵌套网格方法的螺旋桨数值模拟淮洋，姚冰（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安710065）摘要：嵌套网格方法能够有效解决具有相对运动的复杂流动问题。

基于直接切割方法、壁面距离法和逆映射方法，开发了一套混合嵌套网格方法，通过接口与混合网格并行求解器集成，使得求解器具备嵌套功能。

该方法能够继承求解器的分区网格，在各物理时间步并行、自动化地装配混合嵌套网格，在各子迭代步传递插值信息，保证非定常流场高效求解。

采用某型螺旋桨飞机模型，研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响。

结果表明：该混合嵌套网格方法可以真实有效地模拟螺旋桨滑流特性，在工程方面具有一定的实用价值。

关键词：直接切割法；壁面距离方法；逆映射方法；并行嵌套1概述嵌套网格技术[1]能够有效解决具有较大相对运动的复杂流动问题，其思路是：将复杂模型划分为简单部件，各部件独立生成网格，不同部件网格相互重叠，以插值的形式耦合求解。

嵌套网格独立性强，质量高，生成速度快，而且部件网格可以随部件做刚体运动，网格质量不变。

嵌套网格技术国外发展的较多，有PEGGA-SUS[2」，SUGGAR[3」，PUNDIT4」等相对比较成熟的嵌套网格软件；国内嵌套网格技术的研究也比较多，但并行的嵌套网格技术相对较少。

拟开发一种自动、高效的并行混合嵌套网格技术：采用直接切割方法剔除物面内部的嵌套网格；采用壁面距离法减少嵌套网格的重叠区域；采用逆映射方法寻找插值边界点的贡献单元并计算插值信息；采用MPI并行方法，在求解器分区网格的基础上，并行装配嵌套网格，并传递插值信息。

采用了某型螺旋桨飞机来测试该混合嵌套网格方法工程应用价值。

2混合嵌套网格方法发展的混合嵌套网格方法是指，将混合嵌套网格经过挖洞，洞面优化和寻点等预处理操作，获得嵌套网格之间的插值关系，从而耦合起来进行流场数值求解。

粘性流场中吊舱推进器性能的数值模拟

粘性流场中吊舱推进器性能的数值模拟孙俊岭;于凯【摘要】针对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能问题,采用FLUENT软件进行了相关计算,计算中利用湍流模型封闭方程,采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转.计算了吊舱推进器各部分的轴向力、侧向力、垂向力变化及主桨叶的受力变化,分析了偏转角和安装角对推进器性能的影响.计算结果表明,舱体和支架上的力为阻力,吊舱推进器会受到一定的侧向力和垂向力,二者大小相近,其影响不能忽略.螺旋桨尾流的影响使得桨盘面处的伴流不均匀桨叶受力产生脉动.当存在偏转角时,推力变大,轴向力变小,运行角会使推力减小,扭矩增加,效率降低.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2010(031)011【总页数】7页(P1430-1436)【关键词】吊舱推进器;CFD;水动力性能;数值模拟;粘性流场【作者】孙俊岭;于凯【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【正文语种】中文【中图分类】U661.313吊舱推进器作为电力推进装置最成功的应用,已成为电力推进船舶主推进装置的首选.目前,吊舱推进器已应用于潜水作业供应船、石油钻井平台、补给船、穿梭油轮、滚装船及游轮等民用船舶,在军用舰艇上也极具应用潜力[1-3].国外对吊舱推进器进行了大量的研究,国内由于起步较晚,与国外的差距明显.目前对吊舱推进器的研究,主要方法有试验方法,势流理论法和 CFD方法[4-6].文章采用 FLUENT软件模拟了吊舱推进器在直航、存在偏转角及安装角时的性能,分析了偏转角及运行角对吊舱推进器性能的影响.1 CFD基本理论1.1 控制方程流体动力学控制方程是一组包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律构成的微分方程组.本例中流体是不可压缩流体,也不考虑能量的交换,所以流场的连续性方程和动量方程分别为：式中：ui、uj为速度分量时均值(i,j=1,2,3,);P为压力时均值;ρ为流体密度;μ为流体粘性系数;gi为重力加速度分量′为雷诺应力项.方程中的雷诺应力项属于新的未知量,因此,要使方程封闭,必须对该应力项作某种假设,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FLUENT提供的湍流模型包括：单方程(spalartallmaras)模型、双方程模型(标准k-ε模型、重整化群 k-ε模型、可实现(Realizable)k-ε模型)及雷诺应力模型和大涡模拟[7].文章采用 RNG k-ε模型,该模型是由 Yakhot及Orzag提出的,他们将重整化群(RNG)的方法引入到湍流研究中而得到.在 RNG k-ε模型中,通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响,而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除.其方程为式中1.3 滑移网格技术滑移网格技术的基本原理是将几何模型网格划分成几个区域,交界面两侧网格相互滑动,而不要求交接面两侧的网格结点相互重合,但要计算交界面两侧的通量,使其相等.为了计算交界面的通量,首先在每一个新的时间步确定出交界面两边交界区的重合面.基本上,通过网格重合面的通量由交界面两边交界区的重合面计算.交界面区域是由 A-B、B-C和 D-E、E-F所组成(见图1).这 2个区域的相交产生 d-b、b-e和e-c,2个网格单元区块在 d-b、b-e和 e-c上的重叠构成了内部区域.为计算通过单元Ⅲ的通量(D-E上),在计算过程中将不考虑 D-E,而是由 d-b和 b-e来代替,通过d-b和 b-e分别由单元Ⅰ和单元Ⅱ把流场信息代入到单元Ⅲ中.数值模拟计算直接求解三维粘性不可压 RANS方程,微分方程的离散采用基于单元中心的有限体积法.扩散项被离散成中心差分格式,对流项用二阶迎风格式离散,压力与速度的耦合使用 SIMPLE算法[8].图1 静止网格与滑移网格间数据传递原理图Fig.1 Scheme of data transport between stationary grid and sliding grid2 计算模型的网格划分及边界条件设定2.1 计算模型文章研究的为加拿大海洋技术研究所设计的吊舱推进器[9],表达吊舱推进器几何形状的参数定义见图2.该吊舱推进器中的螺旋桨和吊舱的主要参数值如表1、2所示.图2 吊舱推进器各参数的意义Fig.2 Meaning of parameters表1 螺旋桨几何参数Table 1 Geometry parameters of the propeller桨参数数值直径/m0.27叶数 4毂径比 0.26旋向右螺距比 1.00盘面比 0.609弦长分布与DTMB4119相同剖面形式 NACA66侧斜/(°) 0后倾/(°) 0表2 吊舱的几何参数Table 2 Geometry parameters of the pod吊舱参数数值长度/mm410直径/mm139支架高度/mm300支架弦长/mm225支架宽/mm66前锥长/mm85前锥角/(°) 15后锥长/mm125后锥角/(°) 25倒角半径/mm50 2.2 计算域的确定采用滑移网格模型计算时,需要建立 2个控制域,一个为包含螺旋桨的运动域用来实现螺旋桨的旋转,一个为纯来流的控制域.两控制域共用的面设置为交界面,从而实现2个控制域间能量、速度和温度等参数的交换.文章的所有计算控制域都取为与螺旋桨同一旋转轴的圆柱体.大域的直径约为螺旋桨直径的 5倍,长度约为整个吊舱推进器直径的 8倍,进口处距离螺旋桨中心约为 2倍吊舱推进器螺旋桨直径,出口处距离螺旋桨中心约为 6倍桨直径.小域直径约为螺旋桨直径的 1.7倍,长度等于螺旋桨直径的 1.35倍,如图3所示.图3 计算域示意图Fig.3 Sketchmapof calcu lation volume2.3 网格划分采用数值方法求解控制方程时,都是将控制方程在空间区域上进行离散,然后求解离散的方程组,这就需要网格生成技术.高质量的网格是实现数值模拟成功的首要条件.过疏或过密的网格都会极大影响计算结果.过疏的网格往往会得到不精确甚至完全错误的结果;过密的网格会使计算量增大,使计算难以收敛.目前网格分为结构网格和非结构网格两大类,由于螺旋桨几何扭曲较大,不易生成结构网格,且易出现负体积网格,所以多采用非结构网格技术,它可以采用任意形状的单元作为有限控制体,具有良好的贴体性及自适应性,如图4(a)所示.文中采用局部加密的方法,对于桨叶与桨毂连接处以及叶梢部分等)进行加密,同时对舱体及处于桨尾流范围内的支架进行加密,以便捕捉到重要的流场信息;而对于出口段的网格,将其密度适当降低,便于控制总网格数,如图4(b)所示.这样,在网格模型总节点数一定的情况下可以提高计算精度,还可以避免流场变化平缓区域的计算资源浪费.图4 吊舱推进器表面的网格划分Fig.4 Surfacemeshes of podded propeller 2.4 边界条件的设定文章计算的为均匀来流中吊舱推进器的非定常水动力性能,为考察各部分受力随进速变化,将受力在一个周期内进行平均.进口设置为速度进口条件,给定均匀来流的各速度分量;出口定义为压力出口;大域及舱体支架表面设为壁面;壁面设为无滑移固壁条件,在近壁区采用标准壁面函数并考虑壁面粗糙度的影响.大域与小域重合的一组平面设置为交界面,以便进行流场信息的传递.运动域内的流体则设置为绕轴以角速度 n旋转.3 数值结果及分析3.1 吊舱推进器的性能取 4个进速进行了计算,分别为 0.4、0.6、0.8、1.0,将计算结果与文献[9]进行了比较,结果如图5和图6所示.图5为吊舱推进系统的推力、扭矩、效率计算值与试验值的比较.由图5可以看出,除了在小进速,即进速为 0.4时计算值与试验值差别稍大外,其余进速时二者吻合的较好,且随着进速的增加,吻合程度也提高,总的来说,推力和效率的预报值略小于试验值.图6为吊舱推进器的螺旋桨与舱体支架的受力系数图,其中螺旋桨的受力系数定义为KTP=Tpro/ρn2 D4,吊舱的受力系数定义为KPOD=FPOD/ρn2 D4,Tpro、FPOD分别为吊舱推进器的旋转部分与吊舱部分的轴向受力.由图6可以看出,螺旋桨受力的计算结果在低进速时略低于试验值,高进速时略高于试验值,总体而言二者吻合良好,并且螺旋桨的轴向推力总是大于推进系统发出的推力,这是因为不论进速高低,吊舱的轴向力总是为负,即阻力.由阻力的比较可得,二者变化趋势相同,但计算的吊舱阻力均大于试验所得阻力,这可能是导致推进系统的推力预报值小于试验值的原因.图5 计算值与试验值的比较Fig.5 Comparison between the calcu lation resu lts and experimental results图6 各部分轴向力随进速的变化Fig.6 Axial forces of differentparts图7为吊舱推进器的螺旋桨主叶片旋转一周过程中所发出的轴向力系数,主叶片起始位置为支架的正前方,即0°位置.由图7可以看出,主叶片的推力先变小后变大,这是与该叶片旋转一周经过的流场所决定的,水流速度高,推力小,速度低,推力大.这说明由于桨后吊舱的存在,使得螺旋桨处于不均匀流场中,存在高伴流区,而推力最大位置并不处于0°位置,这主要是由螺旋桨的旋转引起水流的旋转,使得吊舱诱导的高伴流不是左右对称,而是偏于一侧,见图8和图9.图7 主桨叶旋转一周的受力变化Fig.7 Unsteady force of key blade图8 桨叶的压力分布Fig.8 Pressure distribution of propeller blade图9 支架的压力分布Fig.9 Pressure distribution of strut3.2 偏转角对推进器性能的影响吊舱推进器的螺旋桨性能较普通螺旋桨好,但是吊舱对推进器受力有较大的影响,计入吊舱的受力时,整个推进器发出的力会小于单纯螺旋桨时的力,所以吊舱推进器的优越性并不体现在推进性能.吊舱推进器的优越性之一是吊舱可以360°旋转而发出各个方向的推力,极大的增加了船舶的操纵性和机动性.吊舱在回转过程中的性能较直航时有较大的变化,目前已引起了各国研究人员的关注.定义吊舱推进器的轴向力系数方向为沿着 x轴,推力系数方向沿着螺旋桨的旋转轴,朝向船首为正,计算了吊舱推进器在不同偏转角时的水动力性能,结果见图10和图11.由图10和图11可以看出,随着偏转角的增大,推力也不断增大,左右偏转时推力大小稍有差别但差别不大,具有一定的对称性.分析其原因,主要是因为偏转时,吊舱的阻塞作用同样存在,而且使得吊舱推进器的来流相对的减小,从而推力系数增大.而偏航时吊舱推进器的轴向力是减小的,偏航角越大,轴向力越小.图10 推力系数及轴向力系数的变化(J=0.8)Fig.10 Variation of thrust coefficient and axial force coefficient图11 主桨叶的轴向力变化(J=0.8)Fig.11 Variation ofaxial force coefficientof key blade图12表示的为存在偏转角时吊舱推进器的侧向力变化.当吊舱推进器向右偏转时,其侧向力向右,而当吊舱推进器像左偏转时,其侧向力向左.左右偏转时,对应吊舱推进器的侧向力大小有差别但差别不大,只是方向相反.从侧向力的变化可以看出,偏转时,对侧向力起主要作用的是初始来流对舱体及支架的作用,舱体和支架的形状对此力影响较大;此时螺旋桨旋转引起的水流旋转对侧向力的贡献相对变小.图12 吊舱推进器各部件的侧向力变化Fig.12 Variation of side force of different parts图13 吊舱推进器垂向力的变化Fig.13 Vertical force of podded propulsor atdifferent helmangle图13表示有偏转角时吊舱推进器的垂向力变化.当偏转角为正时,除了5°角外,其余吊舱推进器的垂向力均为正,而偏转角为负时,垂向力为负,并且吊舱推进器垂向力对正偏转角的敏感性远低于负偏转角时,负偏转角的垂向力系数值大于相对应的正偏转角垂向力.3.3 安装角对推进器性能的影响船舶在运行过程中,由于各种不同工况及海况的影响,将会使得船舶有不同的浮态而艏艉吃水不同,因而使得吊舱推进器的来流不再沿着水平方向.定义吊舱推进器的螺旋桨旋转轴与水平来流的夹角为安装角.文章计算了不同安装角时的吊舱推进器性能,分析了其对性能的影响.由图14和图15可以看出,有夹角时吊舱推进器的推力减小,转矩增加,效率降低,安装角越大,推力越小,转矩越大,效率越低.并且推力和转矩对角度的敏感性不同,具体表现为,每角度对应的推力减小差别不大,但是在0°～5°时,转矩变化较小,变化至10°时,转矩的增量变大,变至15°时更大.即每偏转单位角度,螺旋桨的推力下降幅度基本相同,而转矩下降量不断增大,这将导致螺旋桨的功率需求不断增大.图14 推进器推力的比较Fig.14 Comparison of thrust of podded propu lsor 图15 推进器转矩的比较Fig.15 Comparison of torque of podded propulsor 4 结论采用FLUENT软件计算了吊舱推进器不同工况下的水动力性能,分析了偏转角及安装角对推进器水动力性能的影响,可得如下结论：1)吊舱推进器的螺旋桨性能较该桨的敞水性能好,但是舱体和支架的力总为阻力,使得推进系统的推力低于螺旋桨;2)由于螺旋桨旋转尾流的影响,使得桨盘面处的流场不均匀,桨叶上的力先变小后变大;3)随着偏转角的增大,推进器的推力增大,但轴向力变小,且左右偏转时具有一定的对称性;4)安装角会使得吊舱推进器的推力减小,转矩增加,效率降低,且单位角度对应得推力下降量差别不大,扭矩下降量越来越大,这将导致推进器的功率需求越来越大.【相关文献】[1]高海波,高孝洪,陈辉,等.吊舱式电力推进装置的发展及应用[J].武汉理工大学学报交通科学与工程版,2006,30(1)：77-80.GAO Haibo,GAO Xiaohong,CHEN Hui,et al.Development and application of podded electric propulsion system[J].JournalofWuhan University ofTechnology Transportation Science＆Engineering,2006,30(1)：77-80.[2]王志华.吊舱式电力推进装置[J].船电技术,1999(4)：30-32.WANG Zhihua.Podded electric propu lsion system[J].Marine Electric＆Electric Technology,1999(4)：30-32.[3]马骋,张旭,钱正芳,等.POD推进器技术发展及应用前景[J].船舶工程,2007,29：25-29.MA Cheng,ZHANG Xu,QIAN Zhengfang,et al.Technology developmentand its application prospectof POD thrusters[J].ShipEngineering,2007,29：25-29.[4]李巍,汪蕾,杨晨俊,等.吊舱推进器定常水动力性能[J].上海交通大学学报,2009,43(2)：204-207.LIWei,WANG Lei,YANG Chen jun,et al.The steady hydrodynamics performance of pod-propeller[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2009,43(2)：204-207.[5]张志荣洪方文,胡芳琳,等.吊舱推进器水动力性能CFD预报及其验证[C]//2008年船舶水动力学学术会议,成都：2008：250-258.[6]郭春雨,杨晨俊,马宁.吊舱推进器斜航状态下水动力性能研究[C]//2008年船舶水动力学学术会议,成都：2008：44-50.[7]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2004：18.[8]王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社,2007：175.[9]ISLAmM,VEITCH B,KINTURK A.Experiments with podded propu lsors in static azimuthing conditions 2007[C]//8th Canadian Marine Hydromechanics and Structures Con ference.Newfound land,Canada.2007.。

某型三叶螺旋桨的气动特性数值模拟及试验

某型三叶螺旋桨的气动特性数值模拟及试验项松;刘远强【摘要】以某型三叶螺旋桨为研究对象,基于RANS(Reynolds-averaged Naiver-Stokes)方程和SST(Shear Stress Transport)湍流模型的多重参考坐标系MRF(Multiple Reference Frames)方法对该三(Shear Stress Transport)湍流模型的多重参考坐标系MRF(Multiple Reference Frames)方法对该三叶螺旋桨进行准定常数值模拟和性能计算.通过与试验结果对比,对三叶螺旋桨不同转速下的静态拉力、扭矩和效率进行了验证分析,得到拉力偏差值在2％左右,扭矩偏差值在10％左右.经过比较发现,计算结果与试验结果吻合良好,可为通航飞机螺旋桨的模拟和设计提供参考.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】5页(P32-36)【关键词】三叶螺旋桨;气动性能;数值模拟;风洞试验;通用航空【作者】项松;刘远强【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】V211.44随着通用航空的迅速发展,研究的热度不断提高,如何进一步提升通航飞机的整体性能成为当下飞机设计的研究重点[1]。

国内外很多学者在螺旋桨设计和分析方面开展了大量的研究。

HANSON[2]采用压缩升力面理论计算了螺旋桨的性能，并将计算结果与风洞试验进行了对比分析；SCHULTEN[3]利用升力面方法计算了螺旋桨的性能；Lieser等[4]利用桨叶单元法计算了一种六叶螺旋桨的气动声学性能；ANGELO等[5]提出一种高效率螺旋桨设计和性能计算的方法；SLAVIK[6]提出一种螺旋桨拉力系数和功率系数的计算方法，该方法需要用到的参数如下：70%半径位置的桨叶角和弦长，接近叶尖处的翼型厚度，最大弦长位置的翼型厚度；Sabzehparvar[7]提出一种能够精确预测静态和动态拉力、扭矩的螺旋桨模型；GUR和ROSEN[8]提出一种低前进比螺旋桨性能的计算方法；WALD[9]提出最小诱导损失螺旋桨的设计和理论，也提出了任意形状螺旋桨的性能预测方法；ROMEO等[10]对燃料电池动力双座飞机的螺旋桨进行了设计、制造、地面试验和飞行试验；夏贞锋等[11]采用激励盘理论对螺旋桨滑流进行了数值模拟；刘远强等[12]采用片条理论分析了螺旋桨的性能，并且将计算结果与风洞试验结果进行了对比分析；Morgado[13]采用逆设计方法对先进多体运输飞艇的螺旋桨进行了设计和优化；Chen等[14]试验研究了高空螺旋桨的气动性能，尤其是对转对气动性能的影响，他们的研究表明：对转能显著提高螺旋桨的效率；项松等[15]提出了一种高效率螺旋桨设计方法，利用该方法设计了某型飞机的螺旋桨，并且进行了螺旋桨缩比模型的风洞试验。

基于滑移网格的螺旋桨飞机流场研究数值模拟方法_胡冶

基于滑移网格的螺旋桨飞机流场研究数值模拟方法◎胡　冶　姚若鹏　刘学强/南京航空航天大学螺旋桨飞机的三个效应包括:进动、大,而且还有一定的回转运动,流线是螺旋状的,翼的螺旋桨高速旋转时,增加机翼升力,改善飞机起飞性能,另一方面,当螺旋桨的扭转气流打在飞机垂直尾翼的一侧时,起飞机的方向偏转。

旋桨滑流对全机的气动特性影响,动布局设计和性能分析中,显得尤为重要。

本文运用滑移网格方法,性,无螺旋桨状态全机的升阻力特性计算、全机的升阻力特性,结果,并和实验数据进行对比,性,可靠的数值计算方法。

1　滑移网格、SST k -X 及GGI 方法介绍滑移网格技术使用两个或多个计算区域,区域与其相邻的区域存在分界面。

形成“网格的分界”形式。

而网格面不需要在分界面上排列,流进和流出每个分界面单元的通量。

SST k -X 剪切应力输运模型是标准k -X 使用混合函数从壁面附近的标准k -X 界层的外部的高雷诺数k -E 模型,因此SST 确的模拟近壁面的流动,T t =a 1Jm ax(a 1X ,S F 2)式中的k ,X u j k -(L +R k L t )5k 5x j =S tij s ij -u j X -(L +R X L t )5X 5x j=2+2(1-F 1)Q R X 2X ×5k 5X5x j 5x j ,P X 表示为P X =2C Q(S ij -X S nn R ij /3)S ij ≈C Q 82(3)表示为t an h min max k 0.99X y ,500L Q y 2X ,4Q R X 2k CD k X ～y22(4)CD k X～=max 2Q R X 2X ～5k 5X～5x j 5x i,10-20(5)(GGI )指的是在交界面网格两侧的网,GGI 方法允GGI 交界面通量都是守,并且一个计算域中可以包交界面。

,本次计算的边界条件分,分别是速度入口(inlet )、压力出口(pressure (int er face)、壁面(w all )、对称面(sy mm et ry ),其中速度入口处给定来流速度,来流的1个标准大气压,压力出口的静压力设置为,远场边界条件设置为速0,建立螺旋桨转动盘1所示,由于单独螺旋桨为,因此在建模时使用ANSYS -ICEM 对六,使用六面体网st ress t ranspo rt )。

涵道螺旋桨气动特性数值模拟

涵道螺旋桨气动特性数值模拟佚名【摘要】以某涵道螺旋桨为研究对象，利用动量理论分析了孤立螺旋桨和涵道螺旋桨产生不同拉力的原因；同时利用SST k－ω湍流模型，采用三维Navier-Stokes方程，利用滑移网格模型，通过数值模拟分别计算了孤立螺旋桨与涵道螺旋桨的复杂流动，分析它们在不同转速下，拉力系数、功率系数和效率的差异。

分析表明，加上涵道以后，有效抑制了螺旋桨桨尖涡，减少了能量损失。

在相同转速下，总拉力系数增加23％，涵道螺旋桨的拉力系数与功率系数的比值比孤立螺旋桨的高出40％，效率显著提高，同时需用功率系数也略有增加，约0．05，结果与理论分析相吻合。

%Taking a ducted fan rotor as the study object,the reasons why open rotor and ducted rotor produce different lift were researched through the momentum theory.At the same time,the three-dimensional Navier-Stokes equations and SST k-ωturbulence model were used to simulate the complex flow around the open and ductedrotor,which was based on the sliding mesh method.It also analyzed their differences in lift coefficient,power coefficient and efficiency at different rotating speed.The duct restrains tip vortexes and reduces energy wastage markedly,which make the lift coefficient increase 23%and the radio of lift and power coefficient augment 40%.Efficiency is obviously improved and the required power coefficient is slightly increased to 0.05.The results coincide with the theoretical analysis.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P31-35)【关键词】孤立螺旋桨;涵道螺旋桨;气动特性;数值模拟;滑移网格模型【正文语种】中文【中图分类】V221.3近年来，材料、控制、流体力学等领域的快速发展，促使无人飞行器成为一个热点研究领域，世界各个国家均已开展了相关的研究与试验。

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（Ｆ）ＣＤ方法的发展，求解ＲＮＡＳ方程的商业软件相
式中：，— — 弦线中点在轴向的投射距离；ｚ（）一
Ｃ（） — 弦长；ｒ—
ｓ — 无量纲量的弦长， — 在导边为０随边为１，；Ｆ（）ｓ—— ｓ处切面上、下交点到弦线的距离；（）ｒ—— 侧斜角；
［］张志荣．面舰艇综合黏性流场的实用ＣＤ研究１水Ｆ
值要小。观察盘面下游０２Ｄ处的速度剖面可．５
文献［—］４５的结论相同。
以发现，向和横向速度都大大被加速，轴且此时桨的抽吸作用很明显。随着进速系数的增大，叶桨面与叶背的压力差变小，向和横向速度的加速轴程度也随之降低，吸作用也越来越弱。抽
上游速度入口在２Ｄ为螺旋桨直径）Ｄ（以外，远场在２５以外，口位置在桨盘面下游４以外。．Ｄ出Ｄ
比较三种肛模型在这三个进速系数下的计算ｅ结果可以发现，们在相同的进速系数下的计算结他果很接近，以认为湍流模型的选取对螺旋桨的推可
作者简介：靳
伟（９３）男，士生。１８，硕
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止的部件影响时，以取与螺旋桨一起运动的一可个计算区域，那么相对于这个旋转参考系而言，流
动就是定常的，这就简化了计算。
研究方向：计算船舶流体力学。
Ｅｍａｌｊｗｅｙ０＠ｙｈｏｃｒ．ｎ－ｉ：ｉｉ０１ａｏ．ｏｃｎｚｎ
ＳａｇｒｇＯｔｎ进行离散，Ｔｇｅｎｐｉ）ｉｏ其他都采用二阶迎
选取三个典型进速系数下的计算结果来分析
螺旋桨在相应工况下的流动特征。图６１～１是进
４５
第３期
船
海
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第３９卷
乎没有受到桨径向的诱导，有表现出抽吸效应，没和
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继出现并不断完善，在粘性流计算中被越来越多地
其中： —— 螺距。Ｐ
Ｋ５５桨是一个５叶的变螺距右旋模型桨，Ｐ０直径为０２．５ｍ。叶剖面形状为ＮＡ６＋ＱＡＣ６一０８．的拱弧线，径比为０１。根据式（）（）毂．８１～４
表１三种湍流模型三个进速系数下的计算结果
模型，．一０１
Ｋｔ１Ｋｑ０
ｒ．一０５
Ｋｔ１０Ｋｑ
，．一０９
Ｋｔ１Ｋｑ０
ＳＫＥ０４３００６０７０４２８．６０１０９．３．４１１．２４６．４００２８．７
参考文献
３结束语
］）用ＧｍｂｔＴｉａｉ和Ｇｒｄ软件进行螺旋桨的建模和网格划分。通过对ＫＰ０５５桨敞水下不同进
速系数，同湍流模型的推力和扭矩系数的计算不和比较，发现湍流模型对计算结果的影响很小。２）选择了理论依据相对充分的Ｒａｚｂｅｅｌａｌｉ
对于理论设计的螺旋桨，以ＮＡＣ如Ａ翼型为
图２为螺旋桨的计算区域。桨叶所在的区域由于是中心对称且周期性重复的，此利用因
剖面的螺旋桨来说，常以内弦（鼻尾线）弦线，为弦
长和螺距也根据所取弦线来定义［。桨叶各个半２ｊ径－坐标的表达式为Ｌ：ｒ处３］
Ｔｒ相结合来生成网格。首先用Ｇａｉ完成建Ｇｉｄｍｂｔ模，然后在计算区域的边界面上，即入口、口、场出远
边界和周期性边界面以及螺旋桨、毂面上划分三桨角形网格；生成的面网格文件导出来，读入把再
附近压力的分布时会有较大的误差。面元法是一
Ｆ（） § ｓ
ｒ
（）ｒｏＯｒｒ一ｃｓ（）
ｚｒ一ｒｉ０ｒ（）ｓｎ（）
（）３
（）４
种奇点分布法，将奇点分布在螺旋桨物面和尾涡面上，通过求解边值问题而得到螺旋桨的水动力特性，他在预报压力分布方面比升力面方法要好。升力线、升力面和面元法都是基于势流理论，应用在时要有一定的粘性修正ｕ。随着计算流体力学］
图１桨的几何形状
图２计算区域及边界
ＲＮＧ０４５０．４０．４８７．２６１．４１９．６０６６０７０４００２４．１８２ＲＫＥ０４４２．４０．４８５．７０４２１００２３０６６０２６４．４．６．１８１
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第３期
船
海
工
程
第３卷９
风格式。速度压力的耦合方式为ＳＭＰＥＩＬ。
２计算结果
远场２１螺旋桨敞水计算结果．首先计算标准ｈ模型（ＫＥ）Ｒ￡模Ｓ，ＮＧ
型（ＮＧ）Ｒ以及Ｒｅｌａｌｅ模型（ＫＥ）进速ａｉｂｅｚＲ在系数为０１０５和０９时的推力系数和转矩系．、．．数。计算结果见表１。
实验值之间吻合很好，可以满足工程需要。
图３桨叶表面的网格图４计算区域上的网格
设定螺旋桨的转速为９５ｒｓ通过改变进口．／，
流速来改变进速系数．湍流度设置为１，动粘，，湍度比为１出口边界给定充分发展的ｏｔｏ条件；；ｕｆｗｌ
面外面生成等距离的棱柱网格；他区域直接在其
ＴｉＧｒｄ中用四面体网格填充。叶面上的网格数目大
于３４，．万叶背上的网格数目大于３５。整个区域．万
网格数目为１４２７７见图３４１４，、。
环境等因素所共同造成的。总体而言，算结果与计
第３卷９
第３期
ＳＩＨＰ
船海工程
ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＮＧＲＩ
Ｖｏ．９Ｎｏ３１３．
２１００年６月
Ｊｎ２１ｕ．００
螺旋桨粘性流场的数值模拟
靳伟王化明，
（．海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，海２０４；１上上０２０２浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，江舟山３６０）．浙１０４
摘
要：对商业软件ＦＮＴ提供的三种肛ＩＵＥ￡湍流模型进行Ｋ５５敞水时三个典型进速系数下的流Ｐ０桨
场进行计算。选定一种湍流模型进行多个进速系数下的敞水性能计算，把计算得到的结果与实验数据比并较，吻合良好，并对螺旋桨敞水时三个典型工况进行研究，分析他们的流场特征。关键词：数值模拟；流模型；湍螺旋桨敞水性能；计算流体力学；ＬＮＴＦＵＥ
进速系萋
图５Ｒａｉｂｅ肛ｅｌａｌｓ模型算得的多个进速系数下的ｚ
推力和转矩系数
远场设置与速度进口一致；螺旋桨和桨毂给定壁面
２２螺旋桨典型工况下的计算结果与分析．
无滑移条件。压力选择ＰＥＴＲＳＯ！（ＲｓｕｅＰＥｓｒ
可以得到螺旋桨的几何模型，图１见。
使用。本文利用、Ｄ软件ＦＭＥＴ对ＫＰ０桨ＩＮ５５
进行敞水计算。该桨是２０００年哥德堡船舶ＣＤＦ会议提供的用作ＣＤ计算时的参考桨。Ｆ
１螺旋桨几何模型、网格及基本设置
中图分类号：６．３Ｕ６４３文献标志码：Ａ文章编号：６１７５（０００ —０４０１７９３２１）３０４—４
’ ）ｏｔｒ（ｃｓ（）ｓ（）１
船舶螺旋桨水动力性能的研究方法主要有升力线、升力面、面元法和ＲＳ方法等。升力线方ＡＮ
对周期性边界条件之间所夹的区域只要是包含一片桨叶的１５圆柱体即可。在这种情况下，旋／螺
收稿日期：０９０—６２０—５２修回日期：０９０—０２０—８１
桨周期性地在计算区域内旋转，相对于惯性系而