螺旋槳仿真的案例
航空發動機槳發匹配試驗仿真技術概述
航空螺旋槳仿真技術
航空螺旋槳的三維仿真技術主要有氣動流體仿真（CFD）、結構仿真（CAE）、流固耦合仿真。CFD可以模擬復雜的非線性流動，全面考慮影響螺旋槳效率的各種因素，通過對螺旋槳周圍的流場進行分析計算，得到螺旋槳的氣動特性數據。
螺旋槳槳葉在氣動力及離心力的作用下會發生變形，另外空氣的壓力脈動及發動機輸出軸會造成螺旋槳振動。螺旋槳設計中不僅要分析其強度，還需要了解其動力特性，尤其是槳葉-槳轂-槳軸耦合動力特性。CAE可以求解其模態，并對其在相同激勵工況下的振動頻率響應進行分析。復合材料在槳葉上的應用，使得槳葉的比強度和比剛度大大提高，但復合材料的各向異性，使其力學性能的研究比金屬槳葉復雜的多，需使用CAE來研究槳葉纖維鋪層與強度的關系及復材的失效過程。
螺旋槳槳葉的仿真，還需要考慮流固耦合，螺旋槳流場的氣動力影響槳葉結構的變形，而槳葉的變形又會引氣流場的變化，反復作用，形成兩個不同物理場之間的耦合作用。建立 CFD/CSD 耦合方法，成為螺旋槳數值模擬研究的重點。
總結
活塞式發動機的非航空領域的試驗仿真技術已經非常完善，只需結合已有的成熟技術與航空發動機的應用特點，進行適當的側重與優化。螺旋槳的零部件組成相對活塞發動機更趨簡單，但其材料的復合性、運動特性的多變性使得仿真分析難度更高。
展開 STAR-CCM+運動建模案例：開放水域中的船用螺旋槳
通過定義場函數來定義出螺旋槳進口的進速系數。
（6）創建性能報告。螺旋槳性能數據包括前進系數、推力系數、扭矩系數和敞水效率。利用自定義場函數定義出四個變量，進行仿真，最終四個數據與實驗結果的對比如下：
螺旋槳仿真性能與實驗性能的對比
螺旋槳壓力分布
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文章來源有限猿仿真
STAR-CCM+案例：開放水域中的船用螺旋槳
通過定義場函數來定義出螺旋槳進口的進速系數。
（6）創建性能報告。螺旋槳性能數據包括前進系數、推力系數、扭矩系數和敞水效率。利用自定義場函數定義出四個變量，進行仿真，最終四個數據與實驗結果的對比如下：
螺旋槳仿真性能與實驗性能的對比
螺旋槳壓力分布
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文章來源：有限猿仿真
[案例分析]STARCCM+入門系列之——開放水域中的船用螺旋槳
通過定義場函數來定義出螺旋槳進口的進速系數。
（6）創建性能報告。螺旋槳性能數據包括前進系數、推力系數、扭矩系數和敞水效率。利用自定義場函數定義出四個變量，進行仿真，最終四個數據與實驗結果的對比如下：
螺旋槳仿真性能與實驗性能的對比
螺旋槳壓力分布
本文轉自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權請立即聯系刪除。
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 仿真驅動的螺旋槳最優化方案
棲云科技憑借對氣動仿真技術的理解，近期推出了一套面向無人機企業的螺旋槳定制設計、制造服務。
眾所周知，計算流體力學模擬仿真技術在飛機、無人機設計上早已有了深入應用，在螺旋槳設計優化上也屢見不鮮，可以很容易查到相關文章、論文，然而很少有成熟的商業應用方案。棲云基于已有研究基礎，結合CFD仿真工具和三維建模軟件開發出一套數字化、全自動的螺旋槳設計、優化方法，極大減少了設計周期，降低了開發成本。
3、優化方案過程、方法
首先，采用三維軟件對螺旋槳進行參數化建模，將關鍵參數如槳距角、弦長等進行參數化；其次，將三維軟件和CFD仿真軟件進行交互，以參數化形式交換螺旋槳數據。數字化后的螺旋槳三維模型自動進行數值仿真，反饋結果后重新調整三維模型自動重建，輸入仿真軟件進行二次計算，如此迭代反復。最后，依靠遺傳算法、神經網絡等優化算法獲得最優的螺旋槳幾何參數。整個過程自動完成，來流、槳距角等關鍵參數自動尋優。
展開 論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
3.2 PIV實驗與仿真對比分析
對Whale1212型號深海推進器進行PIV實驗, 得到深海推進器工作時的螺旋槳尾流速度云圖, 如圖23所示。在相同轉速下, 通過CFD流體仿真軟件獲得螺旋槳仿真速度場分布云圖, 如圖24所示。比較可知, 2個速度云圖特征大致相同, 在水流通過導管外部時顏色為深藍色, 說明此處的流場緩慢而穩定; 當水流通過導管內部時, 整體速度呈加快的趨勢; 當水流通過導管內部后, 整體速度逐漸緩慢并成擴散狀向周圍散去, 最終與槳后靜水區碰撞形成漩渦。
圖23 螺旋槳PIV實驗速度場分布云圖
圖24 螺旋槳仿真速度場分布云圖
通過觀察1號區域與2號區域可以發現: 當水流通過導管內部時, 水流速度逐漸增加, 在接觸螺旋槳槳葉時水流速度達到最大, 越靠近葉梢部分的水流速度越大, 越靠近槳轂部分水流速度越低; 水流通過螺旋槳后, 在螺旋槳的后面形成噴射狀, 越靠近槳葉中心位置的水流速度越快, 越靠進導管與槳轂位置的水流速度越慢; 水流通過螺旋槳后與槳轂尾流相交時, 其速度場分布云圖中的速度邊界層變成明顯的波浪形狀, 隨著尾流遠離槳葉, 波浪由大變小直至消失不見。
3.3 計算結果驗證
采用瀚海藍帆水下推進器測試平臺進行實驗驗證。測試水箱長度=3.0 m, 寬度=1.0 m, 高度=1.0 m, 采用杠桿原理對推進器的推力進行測試, 力臂長度m, 推進器位于水面以下0.4 m處。采用艾德堡HP-500型號拉力計對推力進行測量和記錄, 測量精度為±0.1%, 如圖25所示。
展開 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。
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 基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
對施加了體積力源項的導管內螺旋槳盤面附近區域進行加密，以提高體積力源項分布精度。在導管及回轉體壁面設置邊界層網格，以使其y+值整體處于60附近。
2 傳統螺旋槳體積力法原理與失真分析
2.1傳統螺旋槳體積力法原理
傳統的螺旋槳體積力法是指目前使用最普遍的以Goldstein最佳分布為分布模型的描述型體積力法，亦即經典的H-O模型[7]，本文稱“Goldstein分布”方法。
該體積力沿圓柱形虛擬盤軸向均勻分布，徑向分布遵循Goldstein最優化分布：
其中：
以上式中：，分別為體積力的軸向分量與切向分量；r為徑向坐標；為槳轂半徑；梢圓半徑；Δ為虛擬盤厚度；T，Q分別為螺旋槳的推力和扭矩。
2.2敞水性能模擬失真分析
對No.19A導管搭配Goldstein分布型螺旋槳的體積力模型（以下簡稱“導管+G”）進行數值模擬，探究該模型對導管螺旋槳敞水性能的數值模擬精度以及適用性。仿真場景如圖4所示，體積力源分布于導管內部以模擬實體螺旋槳的水動力效應。仿真中，敞水性能曲線取Ka4-70單槳敞水曲線值，進速系數J取導管螺旋槳設計區間0.1～0.7，螺旋槳體積力模型轉速n恒為1500r/min。導管+G的敞水性能曲線仿真結果如圖5（a）所示。圖中，KTPG和KTDG分別為槳推力系數及導管推力系數，KTP0和KTD0為相應的試驗值[17]。
由圖5（a）可見，槳推力系數與試驗值的變化趨勢一致，平均相對誤差為?8%；而導管推力系數與試驗值的變化趨勢則相去甚遠，平均相對誤差在50%以上。為了探究導管推力仿真值精度較低的原因，對導管的受力進行了分析。導管流場和導管切面的受力分析如圖6所示。圖中，和分別為翼型升力與阻力，F為合力。
展開 設計仿真 | 基于Actran的螺旋槳非空化噪聲仿真研究
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 
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 使用 CFD 仿真預測流體空化，進行精確的全尺寸螺旋槳仿真（免費領文檔）
本白皮書探討船舶推進器空化仿真的重要方面。它評估準確仿真潛在錯誤的相對影響、如何降低其影響以及在比例模型物理測試過程中模擬全尺寸推進器的優勢所在。
使用 CFD 仿真預測流體空化并降低其影響
空化是由流體壓力驟降引起的，這樣液體就會產生相變和氣泡。許多液體流動時都會發生這一現象，尤其是在泵、閥門和推進器之類旋轉機械中。流體空化會導致振動、噪聲和腐蝕，并因而導致結構磨損和損壞。在船舶應用中，推進器空化會降低推進效率并對船體和推進器葉片造成腐蝕。因此，準確預測是否會發生空化、在推進器的哪個部位發生、確保減少推進器設計次數或盡可能防止流體空化，都至關重要。
借助計算流體力學 (CFD) 進行多相建模，對于理解空化而言是不可或缺的工具。對于比例推進器模型進行的物理測試用途有限，因為預測和真實世界的全尺寸操作條件之間存在差異。CFD 可以準確預測空化并迅速用于多種設計研究。
了解如何執行準確的空化仿真
通過 Simcenter STAR-CCM+ 之類 CFD 代碼中的通用空化模型，可以準確預測船舶推進器的空化。本白皮書詳細探討運行空化仿真過程中可能遇到的難題。了解如何評估以下對象：
湍流模型
柵格解析度
推進器幾何形狀
尺度效應
對于空化仿真結果的影響。本白皮書囊括了 SVA Potsdam 公司的 CFD 仿真和實驗數據對比。
借助船舶 CFD 仿真推動船舶設計流程
我們堅信，全面的數字孿生對于船舶創新的未來和效率至關重要。我們的仿真和測試工具產品組合靈活、開放、可擴展，并且可以在船舶設計流程的每一步提供支持輔助。我們的解決方案提供集成設計環境、自動化船舶 CFD 工作流程和智能設計探索工具。這樣可以對許多設計變型進行快速分析，并從最早的設計階段就可以進一步了解推進器和船舶性能。
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？
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 案例分享 | 利用MSC Cradle進行考慮邊界層轉捩現象的船用螺旋槳性能預測
螺旋槳敞水效率預測
船舶的推進裝置主要由螺旋槳承擔，它的效率即便是百分之幾的改進都對大幅度降低二氧化碳排出，提高燃油經濟性產生莫大的影響。開發高效螺旋槳需要在開發階段進行高精度的性能預測，本研究中通過與實驗結果的比較[1]，對CFD仿真的有效性進行了驗證。
[1] Fujiyama et al., Turbomachinery, 40th volume, pp.212-217, 2012 (in Japanese)
仿真模型
使用能夠考慮邊界層從層流過度到湍流的LKE k-kL-ω 湍流模型[2]。
