CFD技术在螺旋桨敞水性能预报中的应用
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性．
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
算 误差 较 大 ， ２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年 代 开 始 ， 发 展 了 面元
螺旋 桨是船 舶 设计 中常 用 的推 进 器 ， 其 水 动 力性 能 、 空 泡性能 、 噪声 及振 动性 能影 响船 的快速
性、 机 动性 和隐身 性 ， 因此对 螺旋桨 性能 的预 报一
法， 其 核 心是 格 林 函数 ］ ． 以上 这 些 方 法 都 是 基 于理想 无 粘 流 体 的 假 设 建 立 ， 随 着 粘 性 流 动 中 求解 Ｎ — Ｓ （ Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ） 方程技术 的不断发展 ， 计 及 粘 性 影 响 后 螺 旋 桨 的 计 算 流 体 动 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ ） 方 法 得 到 了广 泛 的发 展 ， 尤其在 ２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 之 后 ， 国 内外 学 者 对 螺 旋 桨 性 能 的粘 性 Ｃ Ｆ Ｄ 预报 进 行 了大 量 深 入 的研 究 工 作＿ ２ ］ ． 本 文
ｑ
厶７ 【
算值的 ｋ ｔ － Ｊ， ｋ ｑ － Ｊ曲线均 比试 验值 要平 缓些 ， 计算
Ｖｏ １ ． ３ ７ Ｎｏ ． ５
０ｃ ｔ ．２ Ｏ１３
Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在 螺旋 桨 敞水性 能预 报 中 的应 用
许 辉” 黄 婧
（ 中 国舰 船 研 究 设 计 中心 ” 武汉
张轮 誉
武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
４ ３ ０ ０ ６ ４ ） （ 武 汉 理 工 大 学 交 通 学 院
许
辉（ １ ９ ８ ０ 一） ： 女， 硕士 ， 工程师， 主要 研 究 领 域 为 船舶 与海 洋 结 构 物 设 计 制 造
第 ５期
许
辉， 等： Ｃ Ｆ Ｄ 技 术 在 螺 旋 桨 敞 水 性 能 预 报 中 的应 用
敞水 效 率 一 ・ Ｊ
’
造成 的预 报精 度略 大于 ５ ． 根据 图 ８显示 ， 计
到 细致 的过程． 主要表 现为 ： 早期 的推进 器理 论包
将利用 Ｃ Ｆ Ｘ商 业 软 件 对 某 桨 进 行 算 例 分 析 ， 介
绍 Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在螺 旋 桨 敞水性 能预 报 中 的具 体 步 骤 与 方法 ．
括动 量理论 及 叶元 体 理论 ， 动量 理 论 认 为螺 旋 桨
摘要 ： 阐述 了螺 旋 桨 粘 性 流 场 中敞 水 性 能 预 报 的 步 骤 和 方 法 ． 包 括 螺 旋 桨 二 维 型 值 转 为 三 维 型 值 的计 算 方 法 、 螺 旋 桨 三 维 建 模 中 的注 意 事 项 、 计 算 域 的选 取 、 网格划分方 法、 边 界 条件 设 置 方 法 等 ． 以某 定 距 桨 为 例 ， 通 过分 块 划 分 混 合 型 网格 ， 采用 Ｃ Ｆ Ｘ软件预报 了桨 的敞水特性 ， 计 算 值 与 试 验 值 比较 ， 能 够取 得较 高 的计 算 精 度 ， 基 本 满 足工 程 使 用 的需 要 ， 从 而 验 证 了该 方 法 的 可 行 性 和适 用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ０
由动量守 恒定 律得 到的不 可压缩 流体 流 动 的 Ｎ— ｓ
方 程 为
＋ ３ｔ ‘ ２ 一 一 ＋ Ｏ ｘｊ Ｐ Ｏ ｘｌ ’
（ ａ ｕ ｌ Ｏ ｕ ｔ ） ］ ＋， ｆ
（ １ ）
式 中： Ｕ 为笛卡尔坐标系 中ｚ 方 向 的速 度 分 量 （ ， Ｊ 一１ ， ２ ， ３ ） ； Ｐ为流 体 压 力 ； ｐ为 流体 密度 ； 为
第３ ７ 卷 第 ５ 期
２ ０ １ ３年 １ Ｏ月
武汉 理工 大学学 报 （ 交 通科 学与 工程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
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
算 误差 较 大 ， ２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年 代 开 始 ， 发 展 了 面元
螺旋 桨是船 舶 设计 中常 用 的推 进 器 ， 其 水 动 力性 能 、 空 泡性能 、 噪声 及振 动性 能影 响船 的快速
性、 机 动性 和隐身 性 ， 因此对 螺旋桨 性能 的预 报一
法， 其 核 心是 格 林 函数 ］ ． 以上 这 些 方 法 都 是 基 于理想 无 粘 流 体 的 假 设 建 立 ， 随 着 粘 性 流 动 中 求解 Ｎ — Ｓ （ Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ） 方程技术 的不断发展 ， 计 及 粘 性 影 响 后 螺 旋 桨 的 计 算 流 体 动 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ ） 方 法 得 到 了广 泛 的发 展 ， 尤其在 ２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 之 后 ， 国 内外 学 者 对 螺 旋 桨 性 能 的粘 性 Ｃ Ｆ Ｄ 预报 进 行 了大 量 深 入 的研 究 工 作＿ ２ ］ ． 本 文
ｑ
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算值的 ｋ ｔ － Ｊ， ｋ ｑ － Ｊ曲线均 比试 验值 要平 缓些 ， 计算
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Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在 螺旋 桨 敞水性 能预 报 中 的应 用
许 辉” 黄 婧
（ 中 国舰 船 研 究 设 计 中心 ” 武汉
张轮 誉
武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
４ ３ ０ ０ ６ ４ ） （ 武 汉 理 工 大 学 交 通 学 院
许
辉（ １ ９ ８ ０ 一） ： 女， 硕士 ， 工程师， 主要 研 究 领 域 为 船舶 与海 洋 结 构 物 设 计 制 造
第 ５期
许
辉， 等： Ｃ Ｆ Ｄ 技 术 在 螺 旋 桨 敞 水 性 能 预 报 中 的应 用
敞水 效 率 一 ・ Ｊ
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造成 的预 报精 度略 大于 ５ ． 根据 图 ８显示 ， 计
到 细致 的过程． 主要表 现为 ： 早期 的推进 器理 论包
将利用 Ｃ Ｆ Ｘ商 业 软 件 对 某 桨 进 行 算 例 分 析 ， 介
绍 Ｃ Ｆ Ｄ技 术 在螺 旋 桨 敞水性 能预 报 中 的具 体 步 骤 与 方法 ．
括动 量理论 及 叶元 体 理论 ， 动量 理 论 认 为螺 旋 桨
摘要 ： 阐述 了螺 旋 桨 粘 性 流 场 中敞 水 性 能 预 报 的 步 骤 和 方 法 ． 包 括 螺 旋 桨 二 维 型 值 转 为 三 维 型 值 的计 算 方 法 、 螺 旋 桨 三 维 建 模 中 的注 意 事 项 、 计 算 域 的选 取 、 网格划分方 法、 边 界 条件 设 置 方 法 等 ． 以某 定 距 桨 为 例 ， 通 过分 块 划 分 混 合 型 网格 ， 采用 Ｃ Ｆ Ｘ软件预报 了桨 的敞水特性 ， 计 算 值 与 试 验 值 比较 ， 能 够取 得较 高 的计 算 精 度 ， 基 本 满 足工 程 使 用 的需 要 ， 从 而 验 证 了该 方 法 的 可 行 性 和适 用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ０
由动量守 恒定 律得 到的不 可压缩 流体 流 动 的 Ｎ— ｓ
方 程 为
＋ ３ｔ ‘ ２ 一 一 ＋ Ｏ ｘｊ Ｐ Ｏ ｘｌ ’
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（ １ ）
式 中： Ｕ 为笛卡尔坐标系 中ｚ 方 向 的速 度 分 量 （ ， Ｊ 一１ ， ２ ， ３ ） ； Ｐ为流 体 压 力 ； ｐ为 流体 密度 ； 为
第３ ７ 卷 第 ５ 期
２ ０ １ ３年 １ Ｏ月
武汉 理工 大学学 报 （ 交 通科 学与 工程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
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