螺旋槳優化的案例
仿真驅動的螺旋槳最優化方案
螺旋槳的三維模型參數化（動圖）
以下圖片記錄了基于CFD（計算流體力學）數值仿真技術優化螺旋槳的過程：
4、優化后結果
根據以上過程和優化方法，對某款32寸商業多旋翼用螺旋槳進行了仿真優化，最終在特定拉力下，得到了槳效率提升8.5%的效果，如下表所示。
用于優化的商業螺旋槳模型
仿真結果-翼尖渦
此外，多旋翼槳葉應用環境特殊，由于無來流，葉素工作面所處的雷諾數較低，對CFD計算的要求較高。另外，槳葉翼型仍然有優化空間，針對不同半徑位置可對翼型進一步優化以提高效率。
本文僅對依靠數值仿真技術的螺旋槳優化過程進行了介紹，未來一段時間內將持續更新與CFD數值仿真技術、螺旋槳優化和氣動布局優化的系列文章，包括翼尖小梢作用、共軸反槳螺旋槳的優化、固定翼螺旋槳的優化、常見靜態螺旋槳測試平臺的問題等文章，敬請瀏覽，點贊，分享。
文章來源：無人機
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 eVTOL飛行器螺旋槳多學科設計分析與優化
圖3 在VOLTA SPDM平臺利用ESTECO的modeFRONTIER仿真過程自動化工作流程
該工作流程實現了eVTOL螺旋槳的優化框架，目標是滿足四個學科相關目標。就氣動推進力學學科而言，項目組感興趣的是最大化推力，同時最小化螺旋槳的扭矩。從聲學學科來看，目標是盡可能安靜，所以項目組對最大限度地降低聲壓級感興趣。最后，項目組納入了有限元分析（FEA）學科，項目組希望最大限度地減少螺旋槳質量，并確保項目組的應力在允許的范圍內，從而滿足要求。
使用ESTECO專有的pilOPT算法為eVTOL螺旋槳找到了最佳幾何形狀，并在上述目標之間進行了最佳權衡。專有的pilOPT算法是ESTECO最先進的優化策略之一。它可以自適應您的設計問題；根據需要隨時調整策略，在合理的時間內獲得具有折衷空間覆蓋的帕累托邊界。
一旦建立了MDAO工作流，它就會被發布到ESTECO VOLTA企業平臺上來執行。由于其網絡界面和SPDM的協作環境，VOLTA加快了學科專家和利益相關者之間的溝通。該框架還加強了仿真和業務流程的標準化和形式化，將其作為一種制度化方法，促進了知識重用，并促進了所需資源的共享。
展開 CAESES船用螺旋槳參數化建模淺析
四、特征參數曲線的定義
在CAESES中，用來控制螺旋槳徑向參數主要由特征參數曲線控制，通過調整特征參數曲線，曲線控制參數的分布規律，從根部到頂部，X坐標從0-1對應相對半徑位置，Y坐標就是相應參數的具體數值，以實現控制螺旋槳幾何的目的。下圖是從0.2r到1.0r的控制曲線示例：
五、螺旋槳葉片幾何的生成
葉面幾何的生成，可以通過generic blade的方式生成螺旋槳的幾何，結合上述流程，再次總結
也可以自定義各個r/R位置的二維葉剖面形狀，同過空間轉化（一般會用到cylinder transformation）將平面轉換到圓柱面，變成三維曲線，，最終使用lofted surface功能生成螺旋槳葉片曲面。
六、螺旋槳專屬格式PFF
CAESES支持一種名為PFF的數據格式，通過PFF格式可以導入和導出螺旋槳文件。PFF格式已被船舶和螺旋槳設計公司以及船級社廣泛使用。
導入后，CAESES中會自動生成對應的特征參數曲線，我們可以根據設計需要指定新的特征參數曲線，進而得到新的螺旋槳設計。
使用CAESES進行螺旋槳優化的一般步驟，如下參考：
七、螺旋槳的幾何逆向
1）Blade Analysis
CAESES中提供了自帶的blade analysis功能，針對導入的螺旋槳幾何進行自動的逆向分析，自動生成對應的參數化模型，用戶可以基于生成的參數化模型進行進一步的分析優化工作。需要注意的是blade analysis中，使用NAC66作為默認的剖面形式，這樣某種程度上限制了該工具的應用范圍。
展開 
基于模板技術構建船舶螺旋槳設計平臺
運用模板技術構建統一關聯模型，集螺旋槳理論設計、螺旋槳快速建模、螺旋槳水動力性能分析及螺旋槳結構強度分析于一體，形成基于流程和知識驅動的螺旋槳集成設計與分析一體化應用平臺。
0 引言
隨著三維設計技術及其工具軟件的發展，螺旋槳三維幾何模型已建立起來，并通過相應的分析軟件對其進行了仿真評估。但螺旋槳三維設計CAD系統與仿真分析CAE軟件之間的數據轉換和信息集成問題還未得到有效解決，導致三維模型無法直接用于螺旋槳的工程分析。另外，螺旋槳設計的經驗和知識都掌握在少數人手中，很難重復利用，易對企業造成很高的知識風險。螺旋槳設計工具相互孤立，不成體系，異常復雜的數據流主要依賴人工勞動，設計并行度低，管理難度大，嚴重影響了設計質量和效率，使得設計過程很難實現關聯設計和優化設計。因此，螺旋槳設計平臺的建立勢在必行。
國際上的研究機構基于以前發展的各種方法建立了有效的螺旋槳設計系統。20世紀90年代，美國泰勒水池就開展了螺旋槳優化設計集成系統的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列軟件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三個模塊，分別用于解決船舶推進系統分析、螺旋槳設計和計算機輔助螺旋槳生產等領域的實際問題。美國AMI公司的VSAERO和USAERO軟件提供螺旋槳水動力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系統和MARIN的EXCALIBUR和PROCAL系統都是設計和分析螺旋槳的集成系統。
國內的科研院所和船廠利用ISIGHT和數據庫等方式建立了初步的螺旋槳集成設計系統，但目前僅限于三維幾何模型的建立和水動力分析，沒有考慮結構強度校核等方面，而且集成度不高，不能根據經驗和知識進行設計，同時，流程的管控也不理想，沒有專門的數據管理模塊，致使數據無法向下游傳遞。
展開 中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！
“中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！”這是一項令全球航空領域為之震撼的重大突破。隨著科技的不斷進步，人類對于飛行器的需求也日益增長，而螺旋槳作為飛行器重要的動力源之一，其性能的提升一直是研究者們追求的目標。
中國的科學家們，憑借著堅韌不拔的精神和無與倫比的創新力，終于在巨型風力發電領域取得了突破性的進展。這種體積龐大、重達數噸的巨型螺旋槳，正憑借其獨特的設計和巨大的推力，被運用于各個領域，不僅改變了飛行器的性能表現，還為生態環保提供了新的解決方案。
中國巨型螺旋槳的突破：制造技術與性能優勢
中國在巨型螺旋槳制造技術方面實現了重要突破。通過引進先進的制造設備和工藝，中國螺旋槳企業在制造工藝、模具設計和材料選擇等方面進行了全面升級。特別是在模具設計方面，中國企業采用了CAD/CAM技術，實現了數字化的設計和加工，大大提高了制造效率和產品質量。
中國螺旋槳企業在材料選擇上也進行了大膽嘗試，使用了高強度、耐磨、耐腐蝕的特種材料，使巨型螺旋槳的使用壽命和性能大幅提升。
中國巨型螺旋槳在性能方面具有明顯優勢。一方面，中國巨型螺旋槳的尺寸更大，能夠適應更廣泛的使用需求。從小型風力發電機到大型船舶，中國螺旋槳企業都可以根據客戶需求定制更大尺寸的巨型螺旋槳，滿足各個行業的要求。
另一方面，中國巨型螺旋槳的運行效率和節能性也大幅提升。通過對設計和制造工藝的不斷優化，中國企業實現了巨型螺旋槳的動力輸出更為高效和穩定，減少了不必要的能源浪費。
中國巨型螺旋槳還具備良好的可靠性和安全性。中國螺旋槳企業在制造過程中注重質量控制，嚴格按照國際標準進行檢測和認證，確保產品的可靠性。
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。
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 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 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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什么是 “環形”螺旋槳，它能改變無人機的未來嗎？
在相同條件下，環形螺旋槳與設計良好的傳統螺旋槳相比有何優勢，這仍是個問題，因為改進后的優勢總是相對于基準（benchmark）而言的——而基準可能不是最有效的設計出發點。
將環形螺旋槳在相同推力下與不同螺旋槳進行比較似乎是比較合理的，只有這樣，我們才能看到螺旋槳在減少噪音和驅動螺旋槳所需能量方面的真正優勢,但目前還沒有相關文獻。
03
實驗室結果不理想
MIT今年早些時候宣布環形螺旋槳贏得了MIT林肯實驗室（Lincoln Laboratory）2022年100項研發大獎之一，引起了極大反響。3D打印的環形螺旋槳的實驗已經廣泛展開，但并非所有的實驗都取得了理想的結果。
實驗結果不理想可能是螺旋槳幾何結構未經優化以及公眾進行某些實驗時缺乏科學嚴謹性所致，這就為科學界提供了一個契機，優化和評估環形螺旋槳和傳統螺旋槳，以提高其性能。此前科學家已經展開了部分優化研究，其中一些科學家甚至使用機器學習技術來識別適合螺旋槳的幾何形狀。工程師們也將人類對聲音的感知方式納入設計過程，最大限度降低螺旋槳的噪聲。
圖5.
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 論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
引言
螺旋槳在高速運轉時, 其槳葉會對水流造成擾動, 從而形成渦旋渦振現象, 若螺旋槳的轉速繼續增加, 其周圍水流的能量會從壓力能迅速轉換為動能, 使其動能升高, 壓強降低。當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現空化現象[1-6]?？栈F象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應網格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
展開 某輪可調距螺旋槳進水事件原因查找分析
考慮到船舶臨近中修,進行如下維修:
(1)拆檢槳葉,對槳葉根部密封面進行加工處理,更換槳葉密封圈,按照工藝要求進行裝復;
(2)清潔調距槳重力油柜、主油柜,更換液壓油;
(3)全面檢修配油器;
(4)外觀檢查試驗螺距未發現調距槳滲油。
后續中修,將對2臺主機調距槳全面檢修,徹底解決故障隱患。
五、結束語
此次故障快速排查、準確定位、有效處置,最大程度降低故障影響。
針對此次故障,后續崗位管理人員應重點關注以下3點:
(1)密切關注調距槳液壓油,定期取樣檢查,記錄液位情況。
(2)適當優化螺旋槳螺距調節、反饋設定值,由原來的調節精度(偏差值)±0.7%和反饋響應±1.0%分別調整為±0.5%和±1.5% ,降低螺距自動調節頻度;同時,航行中盡量減少螺距變化,減緩槳葉根部磨損。
(3)調整主機的聯控曲線,增加主機超負荷余量,降低大風浪條件下調距槳槳葉運動的頻率。
原創作者：
中國衛星海上測控部
曹新玉 劉 昕 張小波 左紅穩
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