潛艇螺旋槳的案例
【數值與實驗分析】某型潛艇螺旋槳尾流特性
前 言
采用實驗和計算方法研究了潛艇螺旋槳在開闊水域中的性能和流體動力學。使用激光多普勒測速儀（LDV）測量流速，并使用大渦模擬（LES）計算流速。尾流動力學主要通過研究在三種加載條件下，尾流的三個橫向平面上的速度場進行了研究。實驗結果也被用來驗證最重要的流動特征的模擬準確性。
01 螺旋槳模型
螺旋槳是由INSEAN設計的7葉片螺旋槳型號E1619(如圖1)。該模型是在一塊鋁合金'avional'上建造的，并使用6自由度的CMM進行了檢查，外皮被黑色陽極氧化以減少在測試過程中被激光束反射。
圖1 INSEAN E1619螺旋槳的幾何形狀
02 計算方法
FOI使用開源庫OpenFOAM，控制方程的離散是基于有限體積法（FVM）。
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 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 
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
值得注意的是，中國近年來在超巨型船用螺旋槳領域中取得了技術突破，不但打破了早年間西方的技術封鎖，甚至還實現了對原有先進國家的反超。根據目前中國最大型螺旋槳的規格來看，噸位甚至超過福特級的未來國產核動力航母已不再是遙不可及的幻夢。
▲中國大型船用螺旋槳已位居世界頂尖水平
螺旋槳的本質是什么？有何特點
螺旋槳是一種常見的動力機械，其重要組成部分、槳葉會在空氣或水里按照特定規律和速度進行旋轉，常見于飛機和艦船。艦船螺旋槳包括輪轂、槳葉、葉根、隨邊、葉稍和導邊。會有兩個或多個槳葉與轂連接，而槳葉向后的一面就是其螺旋面。在圍繞軸承運轉時，螺旋槳必須要使其各剖面在升阻比較大的仰角工作，這樣才能讓拉力達到最大值，最終讓動力效率達到提升。因此，螺旋槳的槳葉角會從槳尖到根部逐漸加大，從這一點上看，螺旋槳類似可以扭轉的飛行器機翼。
▲螺旋槳是艦船動力系統的關鍵組成部分
隨著艦船技術的發展，它們使用的螺旋槳也有了自己的特點，各國技術人員在均衡加工難度、成本、靜動平衡以及推進效率后，基本確定了三葉槳和五葉槳的發展模式（也有7槳葉和11槳葉的設計）。一些追求速度的特殊推進器一般采用三葉槳，而五葉槳則一般都用于大型艦船，例如美國尼米茲級航母的四個螺旋槳都各有五片槳葉。一般而言，槳葉越少，轉速就越高，此外螺旋槳本身直徑越大，拉力也就越大，這對于巨型艦船而言至關重要。
艦船的螺旋槳位于水線以下，因此它不但要克服水體阻力，而且還要具有很高的抗腐蝕性。隨著技術的發展，螺旋槳的制作材料也有了明顯變化。早年間的船用螺旋槳的主要材料是銅合金，當艦船噸位和動力得到迅速提升后，不銹鋼則逐步取代了銅合金，而馬氏體不銹鋼更是在今天得到了廣泛應用。
展開 【技術】潛艇船首形式的水聲學和水動力學優化
潛艇的水下阻力特性和輻射噪聲特性是衡量潛艇性能的重要指標，需要盡可能優化。本次研究的主要目的是利用高保真的 CFD 模擬和自動化的工作流程，通過優化船首形式來提高潛艇的水聲和水動力性能。
前 言
潛艇自發噪聲的來源可分為三大類。螺旋槳噪聲是當潛艇航速達到足以產生空泡時，由潛艇螺旋槳產生的噪聲。水動力噪聲包括潛艇在水中運動產生的各種噪聲源。機械噪聲是由潛艇上的推進、操縱和輔助機械產生的噪聲。水動力噪聲是主要的噪聲源，也是本次研究的主要研究對象。而潛艇模型是基于稱為DARPA SUBOFF的標準幾何模型。
本次研究利用高保真的CFD求解器 STAR-CCM + 求解流動的非定常RANS方程 和水聲學的 Ffowcs-William 和 Hawkings (FW-H)方程，開發了一個迭代設計過程，以降低水動力噪聲水平。利用CAESES軟件創建艇體的參數化幾何模型，由此，艇體的變體模型可以在搭建的自動化工作流程中被自動化的創建和利用。潛艇船首的形狀已用下列方程參數化，該方程創建了一條對稱曲線:
*參數化的對稱船首
多目標優化的目的是減少船體的總阻力以及螺旋槳槳轂后一米處產生的噪聲。所選擇的優化方法有一個使用 Sobol 算法的 DoE 初始步驟，得到的結果用作輸入，然后使用大家熟知的開放源碼 Python 庫中的LinearNDInterpolator方法建立代理模型。最后，用 NSGA-II 算法對目標函數進行求解。CAESES 軟件本身包含一個算法庫，算法有 Sobol 和 NSGA-II等。
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！
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
螺旋槳數值模擬CFD方法
1
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 飛機的螺旋槳是怎樣產生拉力的呢？
早期飛機大多使用槳葉角固定不變的螺旋槳，它的結構簡單，但不能適應飛行速度變化。現代的螺旋槳飛機多采用槳葉角可調的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行需要調整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。
由于螺旋槳在旋轉時，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處于最佳氣動力狀態，所以把槳根的槳葉角設計成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小。工作狀態的槳葉是一根懸壁梁受力態勢，為了增加槳根的強度，槳根的截面積設計為最大。一架飛機上槳葉數目根據發動機的功率而定，有2葉、3葉和4葉的，也有5葉、6葉的。
裝于飛機頭部的螺旋槳為拉力式螺旋槳，裝于飛機后部的螺旋槳為推力式螺旋槳，還有既裝有拉力式螺旋槳又裝有推力式螺旋槳的飛機。
第二次世界大戰以前的飛機，基本上是使用活塞式發動機作動力裝置驅動螺旋槳。近代在渦輪噴氣發動機的基礎上研制出了渦輪螺旋槳發動機和渦輪槳扇發動機。用這兩種發動機驅動螺旋槳使螺旋槳的工作效率大大提高，同時也提高了飛機的性能。
螺旋槳飛機最大飛行速度在700千米/小時左右，如果飛行速度再提高，飛行中產生的激波阻力是螺旋槳飛機無法克服的。
文章來源：紅星云無人機科技
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仿真驅動的螺旋槳最優化方案
1、一件反經驗的螺旋槳實測結果
最近，發生了一件有趣的事，筆者接到客戶關于多旋翼螺旋槳的測試反饋，在實測商業系列槳時觀察到一個有趣的現象，當無人機處于有風條件或低速巡航狀態時其巡航能力反而強于懸停狀態。這種反經驗的現象看似奇怪，實際上卻恰恰反映了商業螺旋槳的固有特性，由于商業槳要面向大多數客戶，所以其性能必然處于中間狀態以適應大多數場景，因此也就意味著常規應用時，企業很難獲得螺旋槳的極限最優狀態。針對特定的應用場景，螺旋槳的定制優化是無人機平臺性能提升的必經之路。
螺旋槳，作為小型飛機、無人機、多旋翼機的重要動力部件，同飛機平臺性能密切相關。經過上百年的發展，各類型航空類螺旋槳層出不窮，其性能也參差不齊。對于大多數無人機企業來說，開發新型號飛機時，只要和選定的發動機、電機相匹配，依靠經驗確定大概的槳徑，槳距，然后選擇成熟廠家的系列產品槳即完成了螺旋槳的選型。然而螺旋槳和動力系統是無人機系統中極為重要的一環，其對整體效率的影響，甚至不弱于飛機機體的氣動影響。（有關動力系統優化相關文章將于近期推出）
2、螺旋槳優化商業方案
在傳統載人航空飛行器設計中，螺旋槳和動力系統的設計至關重要，通常針對特定型號飛機的飛行包線、發動機需要定制設計相應的螺旋槳，這樣才可保證最優效率和性能。然而對于大多數無人機公司來說，無論是成本還是技術能力上考慮，實現針對特定型號飛機的螺旋槳定制化設計、制造非常困難。
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 淺談航空螺旋槳的發展歷程
本文轉載自：航瑞動力
淺談航空螺旋槳的發展歷程
1、螺旋槳的發展歷史
航空螺旋槳是一種將發動機輸出動力轉化成為推力/拉力的一種動力裝置。自1903年萊特兄弟發明“飛行者一號”至今，航空螺旋槳技術的發展就與飛機的發展密切相關。
圖1 通用航空飛機
圖2 典型無人機
螺旋槳技術的發展可追溯到我國古代的竹蜻蜓玩具。在16世紀Leonardo daVinci根據阿基米德螺旋面原理造出了產生升力的裝置。當然，早期的裝置僅僅體現出了螺旋槳的基本特征。
在19世界中葉，提出了螺旋槳的兩種基本理論：動量理論（1865年）及葉素理論（1878年）。動量理論揭示了流過槳盤的流體動量變化率和螺旋槳拉力之間的關系。葉素理論直接研究了流體和固體之間的局部相互作用，從而確定了槳葉和流體之間的氣動力。但是，兩種理論仍然不足以支撐螺旋槳的設計和性能分析。
圖3 動量理論示意圖
圖4 葉素理論示意圖
20世紀初，螺旋槳的設計均是按照經驗設計的木質螺旋槳。在1917年，F. Durend通過大量的風洞試驗，總結數據，引入量綱分析的方法對螺旋槳氣動性能進行研究，提出了螺旋槳效率η是前進比λ、馬赫數Ma及雷諾數Re等參數的函數。總結出一套螺旋槳設計方法，所設計的螺旋槳槳效達到70%以上。
20世紀30年代是螺旋槳蓬勃發展的時期。冶金技術的發展以及采用了更先進的槳葉應力分析技術和測試技術，鋁合金槳葉得到普遍應用。螺旋槳的結構形式也從定矩螺旋槳逐步發展到液壓恒速變距螺旋槳，槳距角的連續可調，使得螺旋槳的吸收功率和發動機的輸出功率之間很好的平衡，在各個飛行階段均能保持較高的槳效。
第二次世界大戰期間，飛機飛行速度以及發動機功率的大幅提升，推動了螺旋槳技術的進一步發展。
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