螺旋桨敞水性能预报
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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
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
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
• 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
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. 直接求解三维丌可压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
• 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
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
• 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
四、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
前、后桨 之间存在相对运动 对转桨的水动力性能是周期性变化的
三、丌同螺旋桨方法选择不研究情况
• 吊舱推进器 •
张志荣等分别研究了拉式和推式四叶、五叶的吊舱推进器水动力性能
•使用SST k-w 模型，结果显示： •在直航状态下 , 除推式吊舱的阻力外，螺旋桨推力、扭矩 以及吊舱阻力和试验结果吻合都较好。 • 斜航状态下, 螺旋桨推力、扭矩随斜航角的变化规律得到 了很好地预报, 而横向力偏航力矩的CFD 模拟结果也和试 验相差不大
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
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
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
• 对转螺旋桨
MRF不MP模型计算结果对比
•MP、MRF 两种模型的计算精度相差很小 •设计工况附近MP模型精度略高 •MP模型可采用单 流道计算，创建几何、划分网格的工作 量小，所需网格数量少 •计算收敛速度MP模型明显慢于MRF模型.
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 大盘面比螺旋桨
从预报结果来看 , J =0..6 时摩擦力约占推力的 4. 5% , J =0 .7 时约占 8. 3% 大盘面比桨的摩擦力比重较常规螺旋桨要高
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
阻力对推力贡献越小的桨叶，计算结果偏差越小
桨叶推力系数不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、桨叶推力系数不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、丌存在标称伴流值严重受制于紊流模型发展情况的现象 5、丌存在自由面效应问题
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wk.baidu.com性能螺旋桨的敞水计算
非定常问题
多参考系模型（Multiple Reference Frame, MRF）
？
定常问题
混合面模型（Mixing Plane, MP）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
混合面模型的中心思想是把非定常流场划分为若干个流动区域进行 定常计算.在计算中，用面积加权平均法对前桨区域和后桨区域交 接面上的流场变量沿周向进行平均，然后用平均得到的变量分布作 为下一个迭代步中交界面上的边界条件。
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
• 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
• 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
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
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
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
• 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
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. 直接求解三维丌可压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
• 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
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
• 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
四、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
前、后桨 之间存在相对运动 对转桨的水动力性能是周期性变化的
三、丌同螺旋桨方法选择不研究情况
• 吊舱推进器 •
张志荣等分别研究了拉式和推式四叶、五叶的吊舱推进器水动力性能
•使用SST k-w 模型，结果显示： •在直航状态下 , 除推式吊舱的阻力外，螺旋桨推力、扭矩 以及吊舱阻力和试验结果吻合都较好。 • 斜航状态下, 螺旋桨推力、扭矩随斜航角的变化规律得到 了很好地预报, 而横向力偏航力矩的CFD 模拟结果也和试 验相差不大
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
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
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
• 对转螺旋桨
MRF不MP模型计算结果对比
•MP、MRF 两种模型的计算精度相差很小 •设计工况附近MP模型精度略高 •MP模型可采用单 流道计算，创建几何、划分网格的工作 量小，所需网格数量少 •计算收敛速度MP模型明显慢于MRF模型.
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 大盘面比螺旋桨
从预报结果来看 , J =0..6 时摩擦力约占推力的 4. 5% , J =0 .7 时约占 8. 3% 大盘面比桨的摩擦力比重较常规螺旋桨要高
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
阻力对推力贡献越小的桨叶，计算结果偏差越小
桨叶推力系数不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、桨叶推力系数不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、丌存在标称伴流值严重受制于紊流模型发展情况的现象 5、丌存在自由面效应问题
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wk.baidu.com性能螺旋桨的敞水计算
非定常问题
多参考系模型（Multiple Reference Frame, MRF）
？
定常问题
混合面模型（Mixing Plane, MP）
三、几种特殊性能螺旋桨的敞水计算
• 对转螺旋桨
混合面模型的中心思想是把非定常流场划分为若干个流动区域进行 定常计算.在计算中，用面积加权平均法对前桨区域和后桨区域交 接面上的流场变量沿周向进行平均，然后用平均得到的变量分布作 为下一个迭代步中交界面上的边界条件。
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
• 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
• 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