導管螺旋槳的案例
基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
兩種體積力分布形式下的導管推力系數幾乎相同，而槳推力系數則有所差異，這是因為分布1和分布2對決定導管推力的導管近流場影響較小，而對槳（入流面）所在區域的流場影響較大。改進體積力法1對的模擬較改進體積力法2更準確，但兩者的偏小與螺旋槳體積力法本身將某選定入流平面的平均速度取作進速的簡易處理有關。總之，改進體積力法整體上可以較好地實現對敞水導管螺旋槳水動力數值的模擬，優于傳統螺旋槳體積力法，可為準確模擬艇體?導管槳（體積力）耦合水動力奠定基礎。
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）。
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表 1 導管螺旋槳推力計算方法驗證
04 計算結果與分析
（1）基于改進體積力法的導管螺旋槳敞水水動力性能
使用經流量修正和分布修正的改進螺旋槳體積力模型對 No.19A+Ka4-70 導管螺旋槳進行敞水水動力性能數值模擬。總覽圖 6，發現經流量修正的均布形式的改進體積力法和經流量修正的分布 2 形式的改進體積力法所得導管螺旋槳的各參數皆與試驗值吻合較好。
圖 6 基于改進體積力法的導管螺旋槳敞水性能曲線對比
（2）基于改進體積力法的艇?導管螺旋槳耦合水動力性能
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。
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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。
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螺旋槳數值模擬常用的三種方法：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
若對這三種方法的特點、適用范圍和優缺點進行過對比可知：
所有的旋轉機械——螺旋槳、渦輪機械、水泵、攪拌機、海上風機等等，均可以采用這三種方法進行性能評估和預報。
今天小二就采用第二種方法，即剛體運動法/滑移網格法對一種特殊的槳——導管槳進行敞水性能的數值模擬。
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導管槳由螺旋槳和具有流線形剖面的導管組合而成，導管的存在能夠顯著改善工作在船后的螺旋槳的伴流場，并產生一定的額外推力，對提高重載荷船舶的螺旋槳效率效果尤為明顯。
因此，近年來，導管槳在現代水面艦船和水下運載器上的應用越來越廣泛了。
本次小二對某遙控式水下機器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）的導管槳進行敞水性能分析，其模型如下。
可以看出，該導管槳由安裝支架、驅動電機、柵格、導管和槳葉、槳轂等組成，各零件之間尺寸差異較大，后期在進行網格劃分時要注意區別控制。
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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？
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 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！
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
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 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
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