螺旋桨敞水性能预报讲解
基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报_王超
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。
船舶螺旋桨敞水性能预报方法研究现状
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。
螺旋桨敞水性能预报讲解
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
计算域的确定
•进口在前桨中心线上游 4 倍前桨直径处，出口在前桨中心 线下游 4 倍前桨直 径处，外边界直径为 5 倍前桨直径
•计算域分为前桨、后桨两个域，各自独立划分网格
•采用结构化-非结构化多块混合网格划分方法
湍流模式选择
标准 k- ε 模型
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
• 怎样划分网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
通常的求解器选取（张志荣，2004）
a. 直接求解三维不可压RANS方程
b. 微分方程离散：有限体积法
c. 对流项离散：二阶迎风格式 d. 扩散项离散：中心差分格式
e. 压力耦合方程求解：SIMPLE方法
桨摩擦力的预报精度会影响螺旋桨敞水性能的预报精度
？
加密桨叶表面及附近网格能提高摩擦力预报精度 , 从而提高 推力和扭矩的预报精度（胡芳琳、张志荣）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 吊舱推进器 •
吊舱推进器CFD计算特点：
•螺旋桨与吊舱存在相互作用 •需研究斜航时系统受力情况 •吊舱推进器分为推式和拉式两种 •需使用滑移网格技术来求解螺旋物吊舱相互影响的非定常 问题 , 滑移网格技术是用来处理 存在定子麟子相对运动问 题的较理想的方法
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式 a.SA模型 b.标准k-ε模型 c.RNG k-ε模型 d.Realizable k-ε模型 e.标准k-w模型 f. SST k-w模型
二、影响计算的主要因素及其选取
渡船螺旋桨水动力性能的数值预报
数值模型和方法的准确性与可信性， 数值计算其推力系数、 力矩系数和敞水效率。整个计算域网格划分均采用
全六面体形式， 分别采用三种湍流模型进行计算。计算结果与实验的比较表明， SST 模型和雷诺应力模型有近
乎相同的计算精度， 但 SST 模型的计算速度更快； 推力系数误差最大 5.8% ， 力矩系数误差最大为 1.7% ， 敞水效率 误差最大为 4.3% 。然后， 将此方法运用到渡船螺旋桨， 通过对渡船螺旋桨的网格灵敏度、 尺度作用以及相关的 流场分析， 证明该方法能实现对螺旋桨敞水粘性流场的模拟， 以及其敞水性能的预报。 中图分类号： U661.31+3
lence model is lower，and its error in the thrust coefficient，torque coefficient，and efficiency are 5.8% ，
0
引
言
旋桨水动力性能研究就是其中的一个方面。 Morgut 和 Nobile［1］运用结构化网格和非结构化混 合网格分别对 DTMB P5168 桨进行了敞水数值计 在 运 用 CFD 方 法 研 究 螺 旋 桨 水 动 力 方 面 ，
doi： 10.3969/j.issn.1673-3185.2014.01.008 网络出版地址： /kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.01.008.html
第9卷 第1期 2014 年 2 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
期刊网址：
Vol.9 No.1 Feb. 第20报
仝博， 王永生， 杨琼方， 苏永生， 易文彬
基于OpenFOAM的螺旋桨敞水性能预报方法-郑巢生张志荣(30)
第3期
郑巢生等： 基于 OpenFOAM 的螺旋桨敞水性能预报方法
船舶设计原理4-1性能预报讲解
GM值大于0.1
即可。一般而言，只是对小油
船才需进行这种核算；中型油船的初稳性易于保证； 对于大型油船，从横摇角度看，则常嫌初稳性值过大。
(4)拖船
从论述拖轮初稳性的许多文献中，列举几种衡 准方法于表4-2中，以供比较。 港作拖轮的 GM ／ B 值通常大些，国内这类船的
GM／B在0.12～0.13范围。
船身效率、相对旋转效率和齿轮箱Байду номын сангаас率、轴系效率。
(1) 敞水效率o
在初选了主机、螺旋桨直径、转速及叶数以后，
为求得较高的敞水效率，须选用合适的螺旋桨设计图
谱。对于中低速运输船舶，常用MAU系列(日本运输
省船舶技术研究所)；B系列(荷兰瓦根宁根船模试验
水池)等图谱。对于空泡要求较高的军用舰船和民用 船舶，可选用高恩阔叶螺旋桨设计图谱。
2．初稳性的上限值GMmax
初稳性上限值是从横摇缓和性上考虑的，若船在
波浪中的摇摆周期短、摆幅大，则不仅影响船舶的安 全性，船上作业也很困难，货物会移动受损，乘员会 晕船或感到不舒服。因此设计时，在保证初稳性下限 的前提下，应力求使船的横摇缓和些。
船在波浪中的横摇周期T ，与初稳性高GM直接有 关，从下面近似估算公式可以看出，它们之间的关系。
(4)NPL系列 英国国家物理研究所提供的高速圆舭
排水型艇的系列资料。
(5)长江客货船系列 上海船舶运输科研所提供的长
江客货船裸体有效功率估算资料，适用于我国内河船舶，
尤其是受航道限制、船宽大、吃水浅的双桨内河客货船。
以上资料，凡与船舶设计有关的单位，都可方便地
查阅。
2、推进系数估算
式中，o、H、R 、G、S－螺旋桨敞水效率、
式中，C－依船的具体特征而变的系数，在 0.75～0.85之间选取。 我国沿海常见的大的波浪，波长λ=60~70m， 波浪周期Tw =0.8 ，为避免谐摇，则希望
考虑诱导速度的螺旋桨敞水性能CFD模拟
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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船舶推进第4章螺旋桨模型的敞水试验
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
应用因次分析法可得推力系数、转矩系 数和效率函数：
5
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
二、函数内各项的物理意义
6
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
7
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
8
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
结论：当螺旋桨在敞水中运转时，如浆 轴沉没较深，则其水动力性能只与进速 系数和雷诺数有关，即：
螺旋桨模型试验时的雷诺数无法保持与实桨相 同，若雷诺数过低，则由于桨叶切面上流动状 态与实桨不同，将使试验结果无实用价值，因 此必须确立一个模型桨试验的最低雷诺数值称为临界雷诺数。决定粘性流体流动状态的基 本参数之一为雷诺数，当雷诺数足够大时，界 层中的流动才能达到紊流状态，故临界雷诺数 乃为保证模型界层中达到紊流状态的最低雷诺 数。
15
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
临界雷诺数：是保证模型界层中达到紊流状态 的最低雷诺数。有两种结论： 1、肯夫试验结论：
2、1978年ITTC推荐值（采用上海交大的根据试 验研究提出的意见）：
16
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
上海交大的浆模试验研究结果之一：
17
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
船舶原理
2019年11月18日
1
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
第四章 螺旋桨模型的敞水试验
螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称 为敞水试验。
试验目的
1、根据系列试验结果，整理后绘制成专门图 谱，供设计使用。
2、是校核和验证理论方法必不可少的手段。
2
船舶推进第四章 螺旋桨模型的敞水试验
3、根据系列试验结果，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螺旋桨参数， 并为改善螺旋桨性能提供方向。
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算
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螺旋桨敞水试验
43
4.2 敞水试验过程
桨模制作:敞水桨模直径为0.2-0.3ｍ 通常用巴氏合金、铜合金、不锈钢或铝等 金属 桨模 精度在0.05ｍｍ
44
45
46
47
4.2 敞水试验过程
将敞水动力仪固定在水池拖车上，预先应 进行校验和标定 将桨模安装在敞水动力仪上，叶背向前 , 浸没深度大于桨径 试验前应先根据桨模的几何尺寸，如直径 Dm 和 0.75R 处 切 面 的 弦 长 及 临 界 雷 诺 数 3.0×105 ,确定桨模要求的最小转速，估算 J ＝ 0 时桨模可能发出的最大推力及吸收的 转矩，保证在动力仪量程范围内 48
14
n D gD
2 2
2 相似条件及要求
综述：螺旋桨在敞水中运转时，如桨 轴沉没较深，则其水动力性能只与进速系 数J和雷诺数Re有关。 由进速系数相等的条件可得
V Am V AS n m Dm n s Ds V Am nm 1 V AS ns
15
2 相似条件及要求
由雷诺数相等的条件可得
21
2 相似条件及要求
进速系数相等
VAm VAS nm Dm ns Ds
22
03
PART THREE
试验设备
23
3.1 敞水动力仪（H29-1）
敞水试验的专用设备
它包括自航动力仪、光栅编码器(测速发电 机)、驱动电机及传动机构 敞水动仪功能是测量安装在轴上的桨模的 。 转速、推力和扭矩
24
12
2 相似条件及要求
T f 1 ( D, n, V A , , , g )
2 2 2 V nD n D T n 2 D 4 f 1 ( A , , ) nD gD
第4章 螺旋桨模型的敞水试验汇总
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。
《船舶推进学》--chapter4--螺旋桨型的敞水试验 - 给学生
44 13 March 2015
43
13 March 2015
4-4 螺旋桨模型系列试验及特性曲线组
4-4 螺旋桨模型系列试验及特性曲线组
4、后果
（1）模型桨进流速度太高，试验难以满足 （2）模型桨转速太高，试验难以实现 怎么办？ （3）模型桨推力过大，难以测量，强度难以保证
尺度效应 scale effect
模型桨与实桨因雷诺数不同引起的水动力性能差异
16 13 March 2015
15
13 March 2015
4-2 临界雷诺数和尺度效应
C D C Dm C Ds
5 t 0.044 ) C Dm 2(1 2 )( 1 / 6 b Re Re 2 / 3
t b 2.5 C Ds 2(1 2 )(1.89 1.62 log ) b KP
23
K P 30 10 6 m
实桨粗糙度
13 March 2015 24 13 March 2015
尺度效应
模型桨与实桨因雷诺数不同引起的水动力性能差异
20
13 March 2015
4-2 临界雷诺数和尺ห้องสมุดไป่ตู้效应
4-2 临界雷诺数和尺度效应
二、尺度效应及修正方法
（1）不修正
为什么？
桨模光滑，实桨粗糙，抵消尺度效应 （2）只修正 K Q
K Qm K Qs ( Re m 2.58 ) Re s
（3） m S
4
4-3 敞水试验及测试数据表达
基于CFD法的船用螺旋桨敞水性能预报
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。
CFD技术在螺旋桨敞水性能预报中的应用
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
螺旋桨敞水性能预报
一些铺垫
• 左图为SSPA Da-Qing Li 对某桨的敞水性能计算结 果
螺旋桨敞水特性（Open Water Character）曲线
目录
一、螺旋桨敞水性能计算概述
二、影响计算的主要因素及其选取
三、丌同螺旋桨方法选择不研究情况
四、总结
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算
不螺旋桨敞水试验相对应传播的船舶计算流体力学CFD计算工作
• 螺旋桨敞水性能计算的一般步骤
• 数值方法（Numerical Method）的选取 离散格式 求解算法 湍流模式
• 几何建模不网格划分（Model Geometry and Grid Generation） • 计算结果考察分析（Result Analysis）
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 流场预报需考量的因素
• 网格划分
• 流场预报需分析的结果
• 网格敏感性 • 雷诺数影响 • 敞水特征曲线 • 倒车性能 • 尾流考察
• 离散格式
• 求解算法
• 湍流模式
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算的特点
桨叶前、后缘相对于其弦中部位，压力分布的计算值不测量值偏差很大
不升力相比，阻力计算值不测量值偏差较大
四、总结
• 关于螺旋桨的敞水性能预报，经过十几年的发展，已经比 较成熟； • 在湍流模型的选取中，k-ε 模型是最为广泛使用的，然而， 近年来 SST k-w模型逐渐兴起幵被众多研究验证为具有丌 错求解速度和精度的方法 • 网格划分上多采用混合网格，有利于减少计算量的同时保 证足够的计算精度
谢谢，欢迎批评指正
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式
螺旋桨水动力性能的数值预报方法_胡健
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
基于势流理论和粘性流理论的螺旋桨水动力性能分析
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。
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Rhee and Josh ，2003 ：k-w 湍流模型，对一5页桨计算，10%误差 唐登海，1997 ：B-L 代数湍流模型，对DTRC419桨计算，压力分布、 螺旋桨流场三维流动特性及尾流结果良好，边界层、某些地方的速度 分量偏差较大 张志荣，2004 ：SST k-w湍流模型，对许多螺旋桨模型取得成功， 部分工作点工况偏差较大
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
螺旋桨流场计算域
二、影响计算的主要因素及其选取
• 样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 螺旋桨敞水性能计算的一般步骤
• 数值方法（Numerical Method）的选取 离散格式 求解算法 湍流模式
• 几何建模与网格划分（Model Geometry and Grid Generation） • 计算结果考察分析（Result Analysis）
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 流场预报需考量的因素
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
龚吕，2007 ：标准k-ε模型，对六叶斜侧反扭桨计算， 高富东，2010 ：k-ε、k-w、RSM模型，对DTMB4119桨计算，敞水 性能最大误差k-ε（7.41%）、k-w（11.21%）、RSM（5.47%）
二、影响计算的主要因素及其选取
f. 离散的代数方程求解：Gauss-Seidel迭代法
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
选取的依据： a. 流场的流动特点 b. 计算精度要求 c. 计算硬件条件 d. 计算时间要求
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
Rhee and Josh ，2003 ：k-w 湍流模型，对一5页桨计算，10%误差 唐登海，1997 ：B-L 代数湍流模型，对DTRC419桨计算，压力分布、 螺旋桨流场三维流动特性及尾流结果良好，边界层、某些地方的速度 分量偏差较大 张志荣，2004 ：SST k-w湍流模型，对许多螺旋桨模型取得成功， 部分工作点工况偏差较大 刘志华，2007 ：改进的RNG k-w模型，对六只代表性螺旋桨计算， 结果表明对敞水性能预报精度高，流场特性方面，压力系数和诱导速 度基本吻合，但在桨叶尾涡诱导速度峰值处误差大
• 网格划分
• 流场预报需分析的结果
• 网格敏感性 • 雷诺数影响 • 敞水特征曲线 • 倒车性能 • 尾流考察
• 离散格式
• 求解算法
• 湍流模式
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算的特点
桨叶前、后缘相对于其弦中部位，压力分布的计算值与测量值偏差很大
与升力相比，阻力计算值与测量值偏差较大
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
从阻力结果来看，SST k-w模型最接近实验结果，SA模型小很多， 其他几种湍流模型预报值比较符合
从桨盘面轴向速度看，没有一种湍流模型能完全模拟试验结果
综合阻力和轴向速度，RNG k-ε模型和SST k-w比较适合，后者更好
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
螺旋桨敞水性能预报
报告人：孙文愈
一些铺垫
• 螺旋桨敞水试验（Open Water Test）
螺旋桨模型单独地在均匀水流中进行试验
• 敞水试验的目的
推力系数KT（Thrust Coefficient） 扭矩系数KQ（Torque Coefficient） 敞水效率eta（Open Water Efficiency） 随进速系数J（Advance Ceofficient）的变化规律
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
• 怎样划分网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
通常的求解器选取（张志荣，2004）
a. 直接求解三维不可压RANS方程
b. 微分方程离散：有限体积法
c. 对流项离散：二阶迎风格式 d. 扩散项离散：中心差分格式
e. 压力耦合方程求解：SIMPLE方法
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
网格分类
• 非结构网格
• 结构化网格 • 分块混合网格
二、影响计算的主要因素及其选取
• 怎样划分网格
三种网格形式计算结果比较
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式
5.087
3.909
1.187
二、影响计算的主要因素及其选取
SA模型
标准k-ε模型
RNG k-ε模型
Realizable k-ε模型
标准k-w模型
SST k-w模型
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式
二、影响计算的主要因素及其选取
一些铺垫
• 左图为SSPA Da-Qing Li 对某桨的敞水性能计算结 果
螺旋桨敞水特性（Open Water Character）曲线
目录
一、螺旋桨敞水性能计算概述
二、影响计算的主要因素及其选取
三、不同螺旋桨方法选择与研究情况
四、总结
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算
与螺旋桨敞水试验相对应传播的船舶计算流体力学CFD计算工作
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
张志荣，2004比较了船舶粘性流体计算的六种主要湍流模式 a.SA模型 b.标准k-ε模型 c.RNG k-ε模型 d.Realizable k-ε模型 e.标准k-w模型 f. SST k-w模型
二、影响计算的主要因素及其选取
• 选择怎样的数值方法
湍流模式的选取
阻力对推力贡献越小的桨叶，计算结果偏差越小
桨叶推力系数与船体阻力系数之比易于得到准确的结果
一、螺旋桨敞水性能计算概述
• 螺旋桨敞水性能计算的特点
1、桨叶推力系数与船体阻力系数之比易于得到准确的结果 2、在相对坐标系中，敞水条件下的螺旋桨扰流呈定常流动状态 3、由于周期性，只需计算1/z部分流场——计算量小 4、不存在标称伴流值严重受制于紊流模型发展情况的现象 5、不存在自由面效应问题