螺旋槳建模
關注創建者：湍流實驗室 創建時間：2019-05-05
螺旋槳建模的視頻教程
基于ANSYS-ACP的復合材料螺旋槳建模
在Workbench ACP模塊中對復合材料螺旋槳進行建模。 視頻包含： 演示ACP建模基本流程； 使用Cut-off功能對復合材料進行切割； 使用Snap功能對切割后的復合材料進行貼附； 對類似案例的啟發。 參考文獻為： 黃政, 熊鷹, 楊光. 基于ANSYS ACP的復合材料螺旋槳流固耦合計算方法[J].
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螺旋槳建模的實例教程
1
問題描述
本教程介紹如何模擬船用螺旋槳在開放水域中的工作過程。螺旋槳置于一個如下所示的虛擬水池中。螺旋槳是一個可變螺距螺旋槳，在前緣和尾緣處的槳轂和螺旋槳葉片之間有一個 0.3 mm 的間隙，在模擬中保持此間隙。使用 MRF 對螺旋槳的旋轉建模。本仿真中螺旋槳直徑為0.25m。螺旋槳轉速為15 rps。
2
STAR-CCM+設置
（1）在使用MRF 對螺旋槳的運動建模。起始模擬文件包含兩個區域，一個用于旋轉的螺旋槳，另一個用于靜態流體域。使用拉伸網格模型來擴展靜態區域。
（2）將為旋轉區域及其周圍使用切割體網格生成器網格模型。使用拉伸網格網格生成器網格化軸周圍的靜態區域，因為這樣可以最大程度地降低計算成本。本案例采用的網格化策略采用基于零部件的網格化（PBM）方法。這種網格化策略在幾何零部件上執行網格操作生成流程；因此，用戶可對輸入零部件進行修改，并通過生成流程將變化傳輸到體網格。拉伸網格也是生成流程操作的一部分。右鍵單擊Geometry> Operations節點，選擇New> Mesh > Automated Mesh，在生成的對話框中，選擇網格重構，切割體網格單元，棱柱層網格。
（3）右鍵點擊Operations >Automated Mesh > Custom Controls，選擇New > Surface，Curve Control.對螺旋槳葉片進行細網格細化。
展開 在之前的建模案例中，已經針對梁單元的長軸及螺旋槳進行了建模和零界狀態分析，形成了含有有限元網格的模型。在本案例中，將會把之前的模型作為次級模型導入，并通過置位，裝配形成一個完整的帶有傳動軸的螺旋槳推動器。通過隱式非線性求解運算，獲得2s內的模型瞬態響應。
通過本案例，可以了解到：
（1）
如何將已有各個次級模型導入形成整體模型；
（2）
如何重新調整次級模型的位置，包括幾何模型及網格；
（3）
如何更改原有約束并重新設置；
（4）
如何進行隱式非線性求解；
視頻：優酷視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XOTQ4NzE2NjAw.html
百度網盤：http://pan.baidu.com/s/1c0CnKR2
前期部件分析準備：http://forums.caenet.cn/showtopic.aspx?topicid=623928&typeid=116
展開 研究背景及內容
螺旋槳是船舶的主要推進器之一，具有良好的水動力性能、較高的推進效率和簡單的結構等特點。然而，在船舶設計和運行中，螺旋槳的噪聲問題一直是一個重要且復雜的挑戰。
本研究使用仿真手段對旋轉槳的非空化噪聲進行研究。研究分為流體動力學仿真計算和聲學仿真計算，流體計算以縮比的DMPT P4119標準槳為研究對象。在穩態計算中，采用SST 湍流模型。瞬態計算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計算不同工況下螺旋槳的水動力性能。所得流場結果與文獻中的試驗數據誤差在5%以內。聲學計算采用聲學商業軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計算螺旋槳在進速系數J=0.833時的非空化噪聲，所得聲場結果與文獻中的試驗數據誤差在10dB以內。
Research Methods
研究方法
01
槳葉模型
根據獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數為3。完成標準尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準點，按比例縮小，縮放因子為0.657894。縮放后的直徑為D=0.2米。縮小比例的螺旋槳的主要特征如表1所示。
02
流體動力學模型
如圖1所示在螺旋槳周圍創建三個流體域，即螺旋槳周圍均勻包裹小流體域，中間流體域及最外層流體域。螺旋槳周圍均勻包裹小流體域為旋轉域，包裹住螺旋槳。中間流體域（Mid region）為靜止域專為Actran計算時數據提取。采用速度進口邊界（velocity inlet）模擬流體的流動，流體流動方向垂直于進口表面。螺旋槳表面被設定為無滑移邊界（wall），而計算域的外圓柱面被設定為對稱邊界（symmetry）。流體出口被設定為壓力出口邊界（pressure outlet），不同區域之間的交界面設定為Interface邊界，如下圖2示。
展開 1
虛擬盤模型
虛擬盤體模型基于將螺旋槳、渦輪機、轉子和風扇等表示為執行器盤體的原則。當提供有關轉子/螺旋槳行為的信息且需要它對周圍的流場產生影響時，執行器盤體就有用。流場中執行器盤體的操作以虛擬盤體上分布的源項形式進入動量方程。根據應用領域對執行器操作進行建模。對于虛擬盤體模型，當前可實現四種方法：體積力螺旋槳法，葉片單元法，1D動量法，用戶自定義法。作為虛擬盤體模型的一部分，體積力螺旋槳法對船舶螺旋槳的效應進行模擬。
體積力螺旋槳法主要對船體和螺旋槳的流場相互作用進行仿真。螺旋槳引起的流態取決于船體周圍的流態。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動態流體相互作用）模擬的一部分。使用此方法具有明顯的優勢，可減小網格尺寸，從而降低執行模擬（包括螺旋槳幾何）的計算成本。如果不需要螺旋槳周圍的詳細流場、但需要正確推進指定，此方法十分有用。
2
問題描述
船舶工程的挑戰之一是，預測在旋轉螺旋槳產生推力的作用下，船體穿水移動的速度。本案例演示模擬船舶在螺旋槳產生推力的作用下穿過靜水的運動。螺旋槳布置在船尾中部，轉速為2300 rpm。由于渦流和壓力梯度的原因，這些類型模擬中的螺旋槳效力會顯著影響船身性能，因此非常重要。
展開 1
虛擬盤模型
虛擬盤體模型基于將螺旋槳、渦輪機、轉子和風扇等表示為執行器盤體的原則。當提供有關轉子/螺旋槳行為的信息且需要它對周圍的流場產生影響時，執行器盤體就有用。流場中執行器盤體的操作以虛擬盤體上分布的源項形式進入動量方程。根據應用領域對執行器操作進行建模。對于虛擬盤體模型，當前可實現四種方法：體積力螺旋槳法，葉片單元法，1D動量法，用戶自定義法。作為虛擬盤體模型的一部分，體積力螺旋槳法對船舶螺旋槳的效應進行模擬。
體積力螺旋槳法主要對船體和螺旋槳的流場相互作用進行仿真。螺旋槳引起的流態取決于船體周圍的流態。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動態流體相互作用）模擬的一部分。使用此方法具有明顯的優勢，可減小網格尺寸，從而降低執行模擬（包括螺旋槳幾何）的計算成本。如果不需要螺旋槳周圍的詳細流場、但需要正確推進指定，此方法十分有用。
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問題描述
船舶工程的挑戰之一是，預測在旋轉螺旋槳產生推力的作用下，船體穿水移動的速度。本案例演示模擬船舶在螺旋槳產生推力的作用下穿過靜水的運動。螺旋槳布置在船尾中部，轉速為2300 rpm。由于渦流和壓力梯度的原因，這些類型模擬中的螺旋槳效力會顯著影響船身性能，因此非常重要。
展開 
螺旋槳建模的最新內容
船舶螺旋槳流動模擬5個月前
船舶螺旋槳流動模擬Flow-Simulation-Ship-Propeller.cfx
船舶需要推力才能前進，這可以通過旋轉船體后方的螺旋槳產生。傳統上，預測螺旋槳推力和扭矩需要進行模型試驗，但這耗時費力，需要人力和空間，而且成本高昂。相比之下，流體動力學設計可以采用流體動力學模擬，因為它能相對節省時間、人力和空間。本文模擬了船舶螺旋槳周圍的流體動力學流動
A.螺旋槳穩態滑流建模
快速計算螺旋槳產生的功率推力和效率。在飛機模擬中生成螺旋槳滑流效果。
支持任意數量/尺寸的螺旋槳。將它們放置在任何方向，或局部坐標系中。
用戶僅須輸入螺旋槳的推力曲線、功率和 RPM 來模擬穩態效應。
天洑軟件CAESES技術支持工程師張永興就CAESES新版本中的靜水力計算功能，模塊化船體建模功能，模塊化螺旋槳建模功能做了詳細的演示與操作培訓，幫助參會工程師快速掌握新工具的高效使用方法。
船舶需要推力才能前進，這可以通過船體后面旋轉的螺旋槳產生。傳統上通過模型試驗來預測螺旋槳的推力和扭矩，這種方法耗時、需要人力和空間且成本高昂。或者，流動模擬可用于流體動力學設計，因為它相對節省時間、人力和空間。在這個項目案例中，CFX模擬了船舶螺旋槳周圍的流動。
案例文件如下
Research Methods
研究方法
01
槳葉模型
根據獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數為3。完成標準尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準點，按比例縮小，縮放因子為0.657894。縮放后的直徑為D=0.2米。縮小比例的螺旋槳的主要特征如表1所示。
摘 要:
［目的］旨在解決傳統Goldstein體積力法在導管螺旋槳水動力仿真中的適用局限性問題。
［方法］首先，基于機翼理論，分析導管水動力模擬失真的原因，并以質量流量和體積力分布模型為切入點，提出修正思想和方法；然后，采用RANS方法探究經質量流量修正后的2種體積力分布模型的模擬精度。
［結果］結果顯示，2種改進體積力法在敞水工況下其總推力系數的平均相對誤差均為5%左右；在艇后工況下
基于機翼理論，分析導管水動力模擬失真的原因，并以質量流量和體積力分布模型為切入點，提出修正思想和方法；然后，采用 RANS 方法探究經質量流量修正后的 2 種體積力分布模型的模擬精度。
01數值模擬方法
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器實際上是電動版的復合式直升機。電動多旋翼相當于復合式直升機的單/雙旋翼，是專門用于提供升降力的推進器，電動螺旋槳是專門用于前向飛行的推進器，多旋翼的支撐結構可作為飛行短翼，在前向飛行時減輕多旋翼的升力負擔。
共軸雙槳復合式直升機
同多旋翼型 eVTOL飛行器和機翼+螺旋槳+多旋翼型eVTOL
為了減少計算成本，在Simcenter STAR-CCM+中采用BEM（Blade Element Method）方法將螺旋槳建模為作動盤，從而消除了求解葉片幾何形狀的需要，大大降低了模型所需的網格數量。
測試這種構型的第一階段是建造全尺寸的機翼、螺旋槳和發動機，并將它們安裝在一輛改裝過的半掛卡車上，卡車在加利福尼亞州愛德華茲市的美國宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心的跑道上以起飛速度行駛。
自1903年萊特（Wright）兄弟首次進行動力飛行以來，傳統螺旋槳的基本結構沒有發生過根本性改變。隨著工程師對空氣動力學的了解越來越深入、新實驗的不斷進行，螺旋槳形狀正在向更復雜的方向發展，時至今日螺旋漿具有多葉片、大掠角、帶葉梢裝置等特點
