螺旋槳模擬的案例
螺旋槳數值模擬方法
從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應用更為廣泛。
從網格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。
下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。
展開 螺旋槳數值模擬CFD方法
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從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
展開 旋轉機械 | 螺旋槳數值模擬方法
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從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應用更為廣泛。
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從網格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。
下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。
展開 船舶螺旋槳流動模擬 ￥5
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。更多細節稍后奉上。模擬文件也已附上，可供下載。祝您使用愉快！
壞泡泡——螺旋槳梢渦空泡的數值模擬
在完成上述兩次加密之后，形成螺旋槳梢渦模擬的初始網格劃分，網格剖面如下圖所示。
▲ 網格剖面示意圖
初始網格計算結果
以進速系數
J
= 0.71，空化數
σ
= 1.763工況為例，采用上述網格進行螺旋槳空泡流數值模擬，計算得到的螺旋槳梢渦和空泡形態分別如下圖所示。
▲ 計算結果：（a）梢渦；（b）空泡形態
結果所示，螺旋槳梢渦和轂渦均被較好地捕捉，梢渦呈光滑的螺旋管形狀向后延展一定的距離，在發展至環形加密區末端后消失，說明環形加密區網格尺寸可有效捕捉螺旋槳的梢渦形態。
同時可見，螺旋槳發生了明顯的空泡現象，但空泡主要集中槳葉表面，即片狀空泡，梢渦空泡卻不明顯。但根據試驗結果，當前工況下，螺旋槳已產生非常明顯的梢渦空泡，預報結果與試驗結果差別較明顯。
這說明環形加密區的網格尺寸雖可以有效模擬出螺旋槳的梢渦流動，但卻無法實現梢渦空泡流動的模擬。因此，需對螺旋槳梢渦處的網格進行再次加密。
網格二次加密
為盡量避免網格浪費，應選擇盡可能貼合梢渦形狀的幾何形狀進行網格加密。螺旋管加密是梢渦空泡加密中較常使用的方法。
由以上結果可見，螺旋槳梢渦在向下游發展的過程中，所呈現的并不是簡單的等徑螺旋管形狀，而是隨著向后發展，其旋轉直徑呈現出不斷縮小的趨勢。
因此，本研究通過修改螺旋管中心線公式，建立螺旋線旋轉半徑與前進距離之間的關系。
展開 【數值模擬】基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能
2） 由于各進速系數 J 下歸一化槳體積力值的變化趨勢近似，擇其一（取 J = 0.4 時的體積力分布）替代 Goldstein 最佳分布進行體積力分布修正。
03 實體導管螺旋槳敞水推力驗證
對 No.19A+Ka4-70(P/D = 1) 導管螺旋槳進行數值模擬，將導管推力、螺旋槳推力等的仿真結果與試驗值進行對比以驗證計算方法的合理性。導管螺旋槳的幾何模型和網格加密區域如圖 5 所示。
圖 5 No.19A+Ka4-70 (P/D = 1) 導管螺旋槳幾何模型及網格圖示
推力模擬結果及其與試驗值的對比如表 1 所示。由表可見，隨著網格數量的增大，螺旋槳推力系數和導管推力系數的相對誤差整體上呈遞減趨勢。
展開 分布式電推進飛行器高性能螺旋槳設計
如美國X-57全電飛機所采用的分布式螺旋槳就與傳統螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機滑跑起降狀態下的升力特性為目標進行設計，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進一步結合分布式電推進飛行器發展，探討新型高性能動力單元和分布式動力系統的設計思想和設計方法，為下一步開展創新性研究提供建議和指引。
圖1 X-57分布式電推進飛行器
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主要內容
以類X-57分布式電推進飛行器為研究對象，脫離了傳統螺旋槳僅僅追求高推進效率的思路，提出并發展了以單位能量下獲得螺旋槳/機翼綜合氣動效率最優為目標的高性能螺旋槳優化設計思路和方法。
文章首先對模擬螺旋槳旋轉運動的數值方法進行介紹和算例驗證，包括多重參考坐標系方法、面源法和葉素動量理論方法3種，保證螺旋槳數值模擬和數值設計的準確性和可靠性。其次，對所發展的如下圖所示高性能螺旋槳優化設計方法框架和設計步驟進行介紹和分析，設計過程主要包括螺旋槳槳葉氣動載荷分布獲取，螺旋槳槳葉氣動載荷分布優化設計，以及任意環量分布下的高性能螺旋槳槳葉快速反設計。
圖2 分布式電推進飛行器高性能螺旋槳混合設計
流程框架
之后，如下圖所示，以某最小誘導損失螺旋槳作為基準，通過等拉力約束條件下的螺旋槳氣動載荷分布優化，獲得益于下游機翼升阻特性的氣動載荷分布結果，然后以此為目標，反設計得到不同幾何尺寸約束下的新型高性能螺旋槳。
展開 平穩航行：使用CONVERGE分析船用螺旋槳
船舶性能的核心因素之一就是螺旋槳。
CONVERGE作為一款優秀CFD分析工具在船用發動機分析領域已經為人熟知，事實上，它在分析和優化螺旋槳設計上也具備很多優勢。通過完全自主的網格劃分，即便是最復雜的螺旋槳幾何形狀，CONVERGE也可以快速生成高質量的計算網格。同時，CONVERGE可以在每個時間步內對局部空間的網格實現重構，達到無縫適應螺旋槳運動的網格效果。此外，CONVERGE包括了穩健的多相流、流固交互（FSI）和空化模型，這些都是三維評估和分析螺旋槳性能所必需的工具。
如何使用CONVERGE應用于螺旋槳分析呢？我們首先在波茨坦螺旋槳測試案例（Potsdam Propeller Test Case, PPTC）上驗證CONVERGE穩態和瞬態建模能力，其中螺旋槳是完全浸沒的。然后，我們會將CONVERGE應用于物理上更復雜的半浸式螺旋槳模擬。
展開 基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
5.2基于改進體積力法的艇?導管螺旋槳耦合水動力性能
導管螺旋槳體積力模型的提出最終是為了提高搭配導管螺旋槳的航行器數值模擬的精度和效率，故本節將導管螺旋槳體積力模型與實體導管螺旋槳模型搭配回轉體后的仿真值進行了對比，以進一步研究艇后改進體積力法1和改進體積力法2的適用性。模擬時，組合體保持靜止，螺旋槳轉速恒定為1500r/min，通過改變來流速度計算不同工況下的水動力性能。槳推力、導管推力、回轉體阻力和質量流量Q的性能曲線如圖12所示。圖中：實體導管槳表示實體導管螺旋槳模型搭配回轉體的工況；下標B表示艇后工況，以區別于敞水工況；下標1，2，G分別表示改進體積力法1、改進體積力法2和Goldstein分布方法。
由圖12可見，相較艇后實體導管螺旋槳工況，基于Goldstein分布方法、改進體積力法1和改進體積力法2的槳推力的平均相對誤差分別為?12%，1.3%和14.0%；基于改進體積力法1和改進體積力法2的導管推力、質量流量Q，尤其是回轉體阻力fm，皆與艇后實體導管螺旋槳相應的仿真值吻合較好，相對誤差僅約0.5%，與Goldstein分布方法相比精度提升較大。質量流量模擬的準確性不僅影響著導管推力，還影響著回轉體尾部壓力場（回轉體阻力）。采用改進體積力法準確預報艇體?導管螺旋槳的耦合水動力可為模擬水下航行器的操縱性動態打下基礎。另外，由圖12（b）～圖12（d）可見，隨著來流速度逐漸增大，基于Goldstein分布方法的導管推力TD、回轉體阻力fm和質量流量Q與實體螺旋槳模型間的誤差逐漸減小。這是因為當進速增大時，螺旋槳水動力螺距角減小，由體積力源所模擬的槳葉升力這一水動力效應減弱，進而導致槳?導管耦合水動力效應減弱，從而使得因模擬耦合效應失真而產生的誤差也隨之減小。
展開 CFX船舶螺旋槳流動模擬 ￥10
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
螺旋槳葉片的旋轉過程模擬 ￥20
螺旋槳葉片的旋轉過程模擬
螺旋槳有什么作用？將偵察機的螺旋槳放在尾部，它的利弊是什么？
早期的飛機沒有合適的發動機，就只有靠高速旋轉的螺旋槳帶來動力，到了現在，渦輪發動機技術也更為成熟，大型運輸客機都是通過渦輪發動機提供動力，那為什么一些偵察機還沒有替換掉螺旋槳呢？
螺旋槳飛機
二戰時期飛機成為了最主要的戰斗武器，在戰爭發生前后都會派出飛機進行全面的搜索，發現敵人的時候，進行遠程機q掃射或投擲彈藥。那時候幾乎所有的飛機都是采用的螺旋槳提供動力，螺旋槳推動了飛機飛向天空。
二戰時候的戰斗機
螺旋槳旋轉的速度越快，那么飛行的速度也就越快，旋轉的動力變成能夠使飛機飛行的動力。在當時，想要在空中成功飛行的飛機要具備以下幾點：飛機的自重和尺寸不大、飛行速度也比較慢、飛行高度也比較低等，只有螺旋槳飛機符合全部的要求。在現代螺旋槳飛機仍然有著重要的作用。不管飛機的發動機如何改進，螺旋槳飛機都占有一席之地，現在用作飛行員訓練的初教機都是統一使用的螺旋槳飛機。
塞斯納飛機
早期飛機上的螺旋槳的槳葉角都是固定的，稱作定距螺旋槳，不過在飛行的時候很容易受到氣流的影響；而現在槳葉角的位置是可以進行調節的，也就是變距螺旋槳。但是，想要打造變距螺旋槳十分復雜，還需要花費大量成本，目前只用在一些功率大的飛機上。
螺旋槳的結構作用
飛機上的螺旋槳是由槳葉和槳轂兩個部分組成。槳葉在高速旋轉下會產生動力，需要多片槳葉和槳轂才可以組成一個完整的螺旋槳。槳葉即葉、葉尖、前緣和后緣組成。早期飛機上的螺旋槳只有少數的槳葉，而現代經過不停地改進，出現了多種槳葉的螺旋槳。
各種螺旋槳
飛機想要順利地向前飛行，就必須要有外力進行推動，而且外力還必須要大于飛機向前的阻力，同時在空中飛機移動的角度不同，就會飛向不同的方向。
展開 大型船舶螺旋槳生產技術再突破！螺旋槳關鍵工序數控加工
大型船舶的螺旋槳生產技術目前只有少數國家掌握，在相當長的時間里，是阻礙中國大型船舶發展的一個“攔路虎”。
大型船用螺旋槳一般包括輪轂、槳葉、葉根、隨邊、葉稍和導邊，超大型螺旋槳的制造涉及到鑄造技術（防止空泡產生）、機械加工技術等多項難點，特別是形狀復雜、精度要求較高的螺旋槳，要用到高端的多軸聯動機床設備。中船瓦錫蘭螺旋槳公司掌握了大型螺旋槳的制造技術并獲得突破。
今天介紹螺旋槳關鍵工序數控加工。
央視曾經報道過遼寧號航母更換螺旋槳的資料，這表明我國在大型船舶螺旋槳精密焊接、制造、安裝等一體化的系統制造技術，已經完全獲得突破。
視頻資料，建議WiFi觀看
大型船舶螺旋槳生產制造視頻
遼寧號航母的螺旋槳直徑至少在4.5米，總重也在400噸左右。這是一個考驗大國工業巨型構件技術水準的領域，從某種程度上講，我國在大型船舶建造技術領域已經獲得了質的飛躍。
中國的大型螺旋槳突破，是從鎮江中船瓦錫蘭螺旋槳公司開始的。這家公司是由中國船舶工業集團公司和芬蘭瓦西蘭集團公司共同投資組建的中外合資企業，而且是中國同行業中規模最大之一。其研發的新型七軸五聯動數控機床為國產航母螺旋槳的制造打下基礎。這家企業花了長達三年多的時間，進行技術攻關。最終，中船瓦錫蘭螺旋槳公司掌握了大型螺旋槳的制造技術。
展開 STAR-CCM+ 案例：體積力螺旋槳法
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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 案例分享 | 利用螺旋槳MSC Cradle和無限葉片數螺旋槳理論進行方向舵干涉時的性能仿真研究
螺旋槳與方向舵的干涉
利用CFD仿真進行船舶推進性能預測時，考慮船體與螺旋槳，方向舵的相互干涉是要點。用實際形狀的螺旋槳旋轉來進行考察雖然可行，但是計算負荷成為障礙。本研究中，基于計算負荷低，且已經有實際應用案例的無限葉片數螺旋槳理論[1,2,3]，在MSC Cradle上配置了簡易螺旋槳模型，在螺旋槳敞水性能分析的基礎上進一步實施了方向舵的干涉仿真并與實驗結果作了比較驗證。
[1] Kuniharu Nakatake. 1967. Report of the West-Japan Society of Naval Architects, 34th volume: p25-36
[2] Fumio Moriyama.1979. Report of the Japan Ship Technology Research Association. 16th volume, 6th issue: p361-376
[3] Takero Tamada, Jun Ando. 2015.
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