螺旋槳水動力
關注創建者：叫我滌生 創建時間：2016-12-05
螺旋槳水動力的視頻教程
基于STAR-CCM+的旋轉機械計算流程講解演示——以自由液面下旋轉螺旋槳數值計算為例
，研究螺旋槳水動力性能情況以及自由液面演化問題，期間涉及數值造流，多相流體建模，滑移網格技術，旋轉機械模擬，場函數計算設置等內容。
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螺旋槳水動力的實例教程
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）。采用改進體積力法準確預報艇體?導管螺旋槳的耦合水動力可為模擬水下航行器的操縱性動態打下基礎。另外，由圖12（b）～圖12（d）可見，隨著來流速度逐漸增大，基于Goldstein分布方法的導管推力TD、回轉體阻力fm和質量流量Q與實體螺旋槳模型間的誤差逐漸減小。這是因為當進速增大時，螺旋槳水動力螺距角減小，由體積力源所模擬的槳葉升力這一水動力效應減弱，進而導致槳?導管耦合水動力效應減弱，從而使得因模擬耦合效應失真而產生的誤差也隨之減小。
展開 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。
展開 本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網格進行劃分。
具體網格劃分設置如下：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
由于是MRF靜態求解問題，此處設置為穩態計算模式。
4.2 材料定義
本案例模擬螺旋槳的水動力性能，因此選擇的材料為水。
4.3 模型設置
采用k-w SST 湍流模型。將螺旋槳所在的區域進行如下設置。使其實現旋轉功能。
4.4 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，主要是依據進速系數進行入口速度大小設置。本案例中，僅計算了進速系數為0.4的情況，依據進速系數公式，此時的入口速度為1.22m/s。
將4119槳設置為移動壁面。
4.5 計算設置
進行初始化，初步計算100步。
開啟阻力監測，對螺旋槳水動力性能展開監測。
進一步進行流場計算，直到阻力值趨于穩定。由下圖可知，本案例推力計算結果為270-280N之間。與實驗值接近。誤差在5%之內。
4.6 后處理設置
對計算完成后的壓力云圖與流線圖進行繪制。
展開 本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網格進行劃分。
具體網格劃分設置如下：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
由于是MRF靜態求解問題，此處設置為穩態計算模式。
4.2 材料定義
本案例模擬螺旋槳的水動力性能，因此選擇的材料為水。
4.3 模型設置
采用k-w SST 湍流模型。將螺旋槳所在的區域進行如下設置。使其實現旋轉功能。
4.4 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，主要是依據進速系數進行入口速度大小設置。本案例中，僅計算了進速系數為0.4的情況，依據進速系數公式，此時的入口速度為1.22m/s。
將4119槳設置為移動壁面。
4.5 計算設置
進行初始化，初步計算100步。
開啟阻力監測，對螺旋槳水動力性能展開監測。
進一步進行流場計算，直到阻力值趨于穩定。由下圖可知，本案例推力計算結果為270-280N之間。與實驗值接近。誤差在5%之內。
4.6 后處理設置
對計算完成后的壓力云圖與流線圖進行繪制。
展開 5 初步應用
本文將以DTRC4119螺旋槳為例測試平臺系統的合理性、可用性和可靠性，建立槳型生成、性能計算和結構分析模板庫，并生成設計流程管理系統。其中，集成的工具和開發的模板庫如表1、表2所示，系統主界面和主流程如圖7和圖8所示。
表1 集成工具列表
表2 模板庫列表
圖7 系統主界面
圖8 系統主流程
以其中的水動力分析（圖9、圖10）為例進行闡述。通過理論方法建立型值表，然后通過CATIA進行三維幾何模型的建立、網格劃分、水動力分析和結果文件輸出等，以實現其設計分析功能。
圖9 幾何模型的建立
圖10 網格和水動力結果
6 結語
通過運用模板技術創建螺旋槳設計平臺，改進了建模方式，提高了數據流處理的效率，實現了知識的管理和多學科關聯設計。螺旋槳設計平臺涉及理論設計方法、螺旋槳三維建模、CFD分析方法和有限元法的強度分析等多種設計分析手段。在理論設計方法中，可為升力線、升力面及面元法的核心計算程序提供簡易、直觀的前處理界面，保證了螺旋槳理論設計方法的準確性、便捷性，使得螺旋槳專業工程人員能夠高效地研發出優良的螺旋槳。在螺旋槳三維建模及CFD分析方法中，通過SYSWARE集成工具軟件CATIA，ICEM和FLUENT，可實現螺旋槳實體模型的快速構建，創建出符合流體分析工程需要的優良網格模型，求解出螺旋槳的敞水性能并得到槳葉所受到的水動力載荷分布。在使用有限元法的強度校核分析中，得到了高質量槳葉有限元網格模型，開發出了螺旋槳槳葉表面節點信息提取程序以及槳葉水動力載荷插值有限元單元節點計算程序，突破了水動力載荷向有限元節點傳遞的信息壁壘。
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本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
本案例利用Fluent中的滑移網格模型（RBM)，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了瞬態仿真計算。該案例僅對4119槳的瞬態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
與Fluent MRF 旋轉機械（一）的結果相比，瞬態計算結果與實驗值更為接近。
本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
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。
5 計算結果與分析
5.1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。
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。
圖5某客箱船聲腔子系統
圖6某客箱船聲學材料施加
4.船舶模型激勵輸入
船舶的噪聲源[11-13]主要包括主機噪聲、螺旋槳噪聲及水動力噪聲，其中主機噪聲和主螺旋槳又是重中之重。
采用剖面為NACA-0024翼形的后置定子, 改變后置定子的弦徑比和距離螺旋槳末端的距離比, 分析不同定子結構對螺旋槳空化性能和水動力性能的影響。后置定子采用四葉式結構, 按“十”字形布置, 如圖13所示。
