空氣螺旋槳的案例
現場公開課 | Ansys空氣螺旋槳設計、仿真與優化專題
本次培訓包含了空氣螺旋槳設計理論、翼型氣動理論及氣動計算、槳葉的建模、氣動性能、氣動噪聲和流固耦合的數值計算及優化設計的完整流程。
一、培訓目標
1.掌握空氣螺旋槳流體設計、數值計算驗證、優化的完整流程;
2.掌握空氣螺旋槳的數值計算驗證技術；
3.掌握空氣螺旋槳氣動噪聲、流固耦合等高級仿真技術；
4.可成為獨立軸流旋轉機械設計或仿真工程師，如風機、壓氣機、渦輪、泵等。
一種變軸螺旋槳水空跨域無人航行器設計和控制技術
為此，我們設計了前空氣螺旋槳軸線可傾轉的功能（圖7）。在一定的飛行高度時，將前空氣螺旋槳軸線從斜角度傾轉到水平角度，實現像普通固定翼無人機一樣作快速飛行。由于螺旋槳前傾過程中，螺旋槳的垂直升力會迅速下降，如何穩定實現傾轉螺旋槳的整個無人機空中飛行是關鍵。
4.1 可傾轉螺旋槳無人機的受力分析與運動建模
已升空的無人航行器不再受到水的浮力和阻力，可折疊水槳也收起，全部受到空氣動力的作用，實際已成為一架無人飛行器。本無人飛行器與常規固定翼飛行器一樣，除了設計有平尾及升降舵、垂尾及方向舵外，還設計有機翼后緣左右各一個副翼，起橫向控制作用。不同的是，本無人機設計有三個空氣螺旋槳，前兩個螺旋槳可以傾轉。設三個螺旋槳拉力分別為T1，T2，T3，前螺旋槳向前傾轉角度為φ；飛行器氣動升力為L,氣動阻力為D；則整個無人機受力為
整個無人機對重心的受力矩為
式中：（X1,Y1），（X2,Y2），（X3,Y3）分別表示三個螺旋槳旋轉中心相對于無人機重心的坐標。
如圖12所示，無人機的螺旋槳傾轉過渡過程主要是在傾轉螺旋槳無人機的縱向對稱平面內完成[4]。因此過渡運動特征分析可以忽略無人機的橫航向運動，通過將6 自由運動模型中所有的橫航向變量置零，可以得到簡化的 3 自由度運動模型如下。
圖12 無人飛行器傾轉過渡狀態的受力示意圖
Fig.12 Schematic diagram of force in the transition state of UAV tilting
式中：上標“1”表示機體坐標系；q 為對機體坐標系y 軸的角速度；IY 是對y 軸的轉動慣量。
4.2 可傾轉螺旋槳無人機過渡狀態的俯仰控制
姿態穩定是飛行器實現穩定飛行的前提。
展開 中國全球最大螺旋槳成功問世！附空氣螺旋槳理論及其應用下載
對中國航母和其他超大型船舶而言，螺旋槳就是這樣偉大而又不可或缺的細節。中國制造，必將讓國產航母更大更強！
下載地址：空氣螺旋槳理論及其應用
認識航海項目——航海模型
A組 ：水中螺旋槳圓周競速艇模型。模型由鋼絲牽引，繞回旋柱在水面上航行競速，場地為圓周長31.864米Χ3.14=100米，每次競速航行5圈，共500米。
A1級：內燃機汽缸工作容積不超過3.5毫升。
A2級：內燃機汽缸工作容積3.5以上至6.5毫升。
A3級：內燃機汽缸工作容積6.5以上至10毫升。
B組：空氣螺旋槳圓周競速艇模型。
B1級：內然機汽缸工作容積不超過2.5毫升。
F1組：無線電遙控三角航道競速艇模型。
F1-E1kg級：電動機動力水中螺旋槳模型總重量不超過1公斤。
F1-E+1kg級：電動機動力水中螺旋槳，模型總重量大于1公斤。
F1-V3.5級：汽缸工作容積不超過3.5毫升的內燃機動力水中或空氣螺旋槳。
F1-V7.5級：螺旋槳汽缸工作容積7.5毫升的內然機動力水中螺旋槳。
F1-V15級：汽缸工作容積6.5毫升以上至15毫升的內然機動力水中螺旋槳。
F3組 無線電遙控三角航道繞標競速艇模型。
F3-E級：電動機動力水中螺旋槳。
F3-V級：內燃機動力（汽缸工作容積不限），水中或空氣螺旋槳（采用空氣螺旋槳時，發動機汽缸工作容積不得超過3.5毫升）。
ECO組 五分鐘內在三角航道上以航行圈數計算成績，多艇競爭的競速艇模型，一輪航行中，最多允許六只模型參賽。
ECO提高級：電動機動力水中螺旋槳，模型總重量不小于1公斤。
ECO普及級：限用永磁鐵氧體540型電動機（電機長度不小于50毫米，直徑小于36毫米）水中螺旋槳，模型重量不小于1公斤。
FSRE組 電動機動力水中螺旋槳多艇耐久競速艇模型。在FSRE“M”型航道上，以15分鐘（指FSR-E2kg級）或10分鐘（FSR-E+2kg級）航行圈數決定名次。每次航行為3-8只模型參賽。
FSR-E2kg級：模型總重量不超過2公斤。
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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 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？
飛機的機翼就是飛鳥的翅膀，能在空氣中飛行靠的就是機翼與空氣之間的作用。出國旅行飛機是最適合的用作長途移動的交通工具，除了出行的飛機以外，在軍事領域常用的就有戰斗機、偵察機等。
飛行表演
戰斗型飛機和民用運輸飛機有很大的不同，戰斗型飛機容納不下較多數量的人員，而且在飛機上還安裝了許多武器設備。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。
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.
展開 螺旋槳建模
在samcef環境下，首先分別對葉片及輪轂進行幾何建模，并單獨進行屬性定義及網格劃分，然后分別將他們的sfield文件導入到新項目中進行裝配。
操作視頻：http://pan.baidu.com/s/1o6DTjn0
操作文檔及練習文件：http://pan.baidu.com/s/1eQzqT3O
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
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！
FLUENT水下推進器螺旋槳計算
定義如下幾個參數，用以評價螺旋槳的性能：
其中Va為來流速度（m/s），本案例為0.3m/s；D為螺旋槳葉片外徑（m），本案例為1.2m，n為轉速（轉/秒），本案例為（200/60）轉/秒T為推力（N），Q為扭矩（Nm），ρ為介質密度（kg/m3），水的密度998.2 kg/m3。
于是本案例計算點螺旋槳的性能參數如下，也就是當裝備的流動阻力等于螺旋槳的推力時，螺旋槳的工作點參數如下：
可以通過計算不同的來流速度（亦即裝備航行速度），獲得螺旋槳的性能曲線（橫坐標為J），縱坐標為KT，KQ和η0如下，當J=0.7，亦即裝備航行速度2.8m/s時，本案例的螺旋槳效率最高，此時推力（裝備航行阻力）734.3N，螺旋槳扭矩339N·m，輸入功率3.549kW，裝備航行的功率2.056kW。注意，本案例的螺旋槳為隨意畫的，性能參數沒有實際應用意義。
參考文獻
[1] CFD ANALYSIS OF CONTROLLABLE PITCH PROPELLER USED IN MARINE VEHICLE
[2] Marine Propellers
文章來源：南流坊
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飛機的螺旋槳是怎樣產生拉力的呢？
飛機螺旋槳在發動機驅動下高速旋轉，從而產生拉力，牽拉飛機向前飛行。這是人們的常識。可是，有人認為螺旋槳的拉力是由于螺旋槳旋轉時槳葉把前面的空氣吸入并向后排，用氣流的反作用力拉動飛機向前飛行的，這種認識是不對的。 那么，飛機的螺旋槳是怎樣產生拉力的呢？如果大家仔細觀察，會看到飛機的螺旋槳結構很特殊，如圖所示，單支槳葉為細長而又帶有扭角的翼形葉片，槳葉的扭角（槳葉角）相當于飛機機翼的迎角，但槳葉角為槳尖與旋轉平面呈平行逐步向槳根變化的扭角。
雙槳葉螺旋槳
槳葉的剖面形狀與機翼的剖面形狀很相似，前槳面相當于機翼的上翼面，曲率較大，后槳面則相當于下翼面，曲率近乎平直，每支槳葉的前緣與發動機輸出軸旋轉方向一致，所以，飛機螺旋槳相當于一對豎直安裝的機翼。
槳葉在高速旋轉時，同時產生兩個力，一個是牽拉槳葉向前的空氣動力，一個是由槳葉扭角向后推動空氣產生的反作用力。
由于前槳面與后槳面的曲率不一樣，在槳葉旋轉時，氣流對曲率大的前槳面壓力小，而對曲線近于平直的后槳面壓力大，因此形成了前后槳面的壓力差，從而產生一個向前拉槳葉的空氣動力，這個力就是牽拉飛機向前飛行的動力。 另一個牽拉飛機的力，是由槳葉扭角向后推空氣時產生的反作用力而得來的。槳葉與發動機軸呈直角安裝，并有扭角，在槳葉旋轉時靠槳葉扭角把前方的空氣吸入，并給吸入的空氣加一個向后推的力。與此同時，氣流也給槳葉一個反作用力，這個反作用力也是牽拉飛機向前飛行的動力。
由槳葉異型曲面產生的空氣動力與槳葉扭角向后推空氣產生的反作用力是同時發生的，這兩個力的合力就是牽拉飛機向前飛行的總空氣動力。
展開 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 samcef螺旋槳傳動建模
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 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。
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