螺旋桨敞水性能预报讲解
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壁面函数的选取
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
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
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