螺旋槳水動力的案例
基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
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 【數值模擬】基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能
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 Fluent MRF 旋轉機械（二） ￥5
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 Fluent MRF 旋轉機械（一）
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 
基于模板技術構建船舶螺旋槳設計平臺
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。
展開 射流抑制水翼/螺旋槳梢渦空化研究
本研究面向水翼/螺旋槳梢渦空化抑制的實際工程需求，聚焦于共性技術和基礎原理探索，為我們與海軍工程大學合作完成。
論文以 NACA0012型橢圓水翼為研究對象，對全濕流和空化流工況下的水翼梢渦流場進行了研究，并重點分析了主動射流位置、角度及速度對橢圓水翼升阻力系數、梢渦流場演化以及梢渦空泡結構所產生的影響。
▲ 橢圓水翼幾何及射流開口位置
什么是梢渦空化？
空化，是局部區域內流體壓力低于飽和蒸汽壓時，液體由液相向氣相轉變的過程。根據結構不同，空化可分為游移空化、片空化、云空化、渦空化和超空化等。
梢渦空化（Tip Vortex Cavitation, TVC），是渦空化的一種，該空化現象常見于螺旋槳、橢圓水翼等易產生梢渦的設備之上。
▲ 試驗時水翼梢渦空泡結構
主動射流什么鬼？
主動射流是流動控制方法的一種，該方法的主要思路是將質量以及動量引入流場來干擾流動，通常是向空化區域附近流場噴射水、空氣、難溶氣體或其他抑制空化產生的聚合物等來改善其流動條件從而達到控制空化的目的。
該方法可通過在螺旋槳等設備內部布設流道并在表面開設射流孔，從而實現向局部流場內噴射高速流體進而實現空化抑制效果。
▲ 螺旋槳中布置的主動射流流道
經試驗驗證，主動射流可以有效降低梢渦空化的發展長度。但是，其內部的流動機理和作用機制還不甚清晰，因此進行主動射流對水翼梢渦及其空化抑制作用的模擬工作，探究主動射流對空泡抑制作用的機理具有非常重要的理論和實際意義。
展開 螺旋槳敞水特性及單向應力分布計算
模擬完流場后，打開workbench12.0.
把流體fluent分析 和結構靜力分析拉到工作區。
在fluent里面導入剛才計算好的case和date，在結構區導入相應的固體文件。
的是stp接口。
建模時，由于分斷面比較多，添加一下面融合。結果如圖。
可以進入下一步分網格，如果不融合的話 網格質量不高。
先分了面網格，然后分體網格。
添加一個約束條件。在自由態的結構分析可以不加這個，但是由于“剛體位移”原因，會造成結果失真，應該加上這個約束，況且我們主要分析葉片應力場。
然后回到workben主界面。添加流體到固體的數據交換線，用鼠標拖過去。我的那個多了一條 是因為材料庫原因沒弄好。順便鄙視一下12.0，材料庫 我無語了。
計算，出結果，分析。
展開 一種變軸螺旋槳水空跨域無人航行器設計和控制技術
圖2 水空無人機航行控制系統結構框圖
Fig.2 Structure block diagram of the navigation control system of the water-air UAV
2 水下無人航行器形態與控制
本文無人航行器在水下主要執行的任務是對海洋養殖物、海洋水下環境、水雷、無人水下航行器等的監測。因此，僅要求無人航行器在水下懸停或慢速巡察。為此，本無人航行器在水下主要需控制姿態與位置，以及慢速航行，其主要應能保持浮沉穩定和克服航行阻力。鑒于此，無人航行器水下基本形態為：機身下部為弧形三角截面體，有利于橫向穩定和從空中入水穩定；機身上部為近似矩形截面體，機身前后艙為密封空倉產生一定的浮力。本無人航行器動力系統為特殊設計：機身前部有橫桿支撐兩側各一個空氣螺旋槳及其驅動電機和傾轉機構；機身后部中間設置有一個空氣螺旋槳；機身尾后設置了一個水下推進螺旋槳。機身尾部設置有方向舵和升降舵（水下與空中公用）。
從圖3可以看到，機翼設置為可折疊的上單翼；尾部有可全動垂直尾翼（方向舵）和高平尾（升降舵）。機尾設置為典型的三葉水推進螺旋槳。空氣螺旋槳安裝在機身的兩側和后部，而不是安裝在機翼上。這樣的設計不影響機翼折疊。同時，在水下航行時螺旋槳也可作為控制動力。
圖3 無人航行器水下形態三視圖
Fig.3 Three views of the underwater shape of the unmanned vehicle
水下航行主要需要克服阻力和升降控制。無人航行器在水下航行時設計兩側機翼折疊收攏在機身上表面，以減少航行水阻力。
作為水下監視或慢行的無人航行器，最主要的是根據航行阻力特性來設計水下螺旋槳推進器。首先根據阻力系數經驗參數估計阻力大小量級。
展開 船舶設計：船舶推進軸系方案設計的關鍵技術
圖6所示為上海交通大學的某槳—軸原理試驗平臺［58-59］，其主要功能包括：1）測量螺旋槳推力、軸系振動特性和軸系負荷等參數；2）分析螺旋槳激勵力對軸系狀態參數（軸系校中質量和軸系振動特性）的影響；3）螺旋槳可拆卸，可研究其材料、尺寸和幾何結構等對其水動力特性及軸系振動性能的影響。
圖6 某槳—軸原理性試驗平臺
為了研究艦艇推進裝置的振動特性及噪聲控制方法，海軍工程大學以某潛艇電力推進軸系為模型，搭建了艦艇推進裝置（Marine Propulsion Unit，MPU）和氣囊隔振系統（Air Spring Mounting System，ASMS）試驗平臺［60］，如圖7 所示。為了保證推進軸系的各軸承負荷在合理范圍之內，可以通過控制程序自動調節軸承的補償位移。試驗結果表明，ASMS可以有效衰減MPU的聲振特性，從而提高軸系運行的可靠性。
圖7 艦艇推進裝置和氣囊隔振系統試驗平臺
為深入研究螺旋槳激勵力對潛艇推進軸系縱向振動和槳—軸—艇體耦合振動的影響，國防科技大學搭建了軸系模擬試驗平臺［61-63］，其主要部件包括：推進電機、彈性聯軸器、軸承（推力軸承、艉軸承）、軸段、螺旋槳和水箱（用于近似模擬螺旋槳旋轉海域）等，如圖8所示。該軸系試驗平臺可通過電機驅動軸系，從而帶動螺旋槳在水箱中旋轉以產生推力。
圖8 某潛艇槳—軸—艇體模擬試驗平臺布置圖
通過搭建軸系模擬試驗平臺，可以較好地驗證軸承變位、減振器和船體變形等因素對軸系運行性能的影響，并為改善軸系設計質量提供數據支撐。
展開 研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
在當前模型中，船體尾流對螺旋槳的影響簡化為均勻來流的影響，且斜流的影響是通過經驗方法改變有效舵角來計及的。此外，由于螺旋槳側向力可能導致雙槳雙舵船舶左舷和右舷整流效應的不對稱，因此后續研究中還應考慮操縱運動過程中螺旋槳側向力的影響。由于頻繁的轉舵操作會使船后流場復雜化，因此本文的簡化處理對Z形實驗的影響較回轉實驗更大，后續可考慮船-槳-舵耦合的CFD計算以提高建模精度。考慮到內河船舶會收到狹窄航道的影響，可以在未來的研究中評估受限水域對螺旋槳-舵水動力性能的影響。
文章來源：留理科研
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]。空化現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 
研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
在當前模型中，船體尾流對螺旋槳的影響簡化為均勻來流的影響，且斜流的影響是通過經驗方法改變有效舵角來計及的。此外，由于螺旋槳側向力可能導致雙槳雙舵船舶左舷和右舷整流效應的不對稱，因此后續研究中還應考慮操縱運動過程中螺旋槳側向力的影響。由于頻繁的轉舵操作會使船后流場復雜化，因此本文的簡化處理對Z形實驗的影響較回轉實驗更大，后續可考慮船-槳-舵耦合的CFD計算以提高建模精度。考慮到內河船舶會收到狹窄航道的影響，可以在未來的研究中評估受限水域對螺旋槳-舵水動力性能的影響。
本文來自：留理科研
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 Fluent 旋轉機械瞬態計算（一）
螺旋槳流線軌跡動畫
水下聲輻射機理與仿真分析
一、前言
水下航行器噪聲的主要聲源有：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。這三種聲源根據產生的部位和機理，相互之間相互獨立也相互有所關聯。在低速隱蔽航行工況，機械噪聲是其最主要的噪聲源，其譜結構特征也最容易被敵方探測到。機械噪聲的主要來源是：動力設備與管路系統和艉部推進傳動系統；在巡航和高速工況，螺旋槳噪聲和水動力噪聲的貢獻量逐漸增大以至于占主導地位。有時為了簡化，水聲研究人員也會將這兩種噪聲統稱為流制噪聲，將螺旋槳作為最重要的流噪聲聲源。本文研究內容是對水下聲輻射機理進行詳細論述，并針對這5種機理采用不同的方法和流程來進行聲學仿真分析。
二、水下聲輻射機理
2.1 結構振動輻射聲
結構振動輻射聲的聲源特征可以視為結構輻射面上一個個具有一定相位關系的活塞輻射，結構表面振動引起附近流體的壓縮和擴張，密度變化而形成聲波傳播出去。因此，在考慮煤質振動速度時需要考慮煤質對結構振動的影響，在水聲學中稱為附連水的影響。
在進行水下結構振動聲輻射時，通常將結構振動與聲輻射分開處理（這與流固耦合中聲振區分是兩個不同的概念）。在結構動力學模型中，基于結構的固有屬性（干模態）建立附連水的模型從而獲得濕模態，并在此基礎上加載載荷、流體力或傳遞的振動來計算獲得結構表面的振動位移、速度或加速度。這些參量就是聲輻射仿真的聲源量，它已經考慮了聲煤質對結構的影響，于是聲仿真就可以采用聲學波動仿真直接求解聲場。
2.2流體繞流噪聲
流體動力噪聲屬于流體力學和聲學的交叉學科領域。當飛機、艦艇、魚雷等運載武器在流體介質中運動時，物體邊界層由層流發展為湍流，即在時間上和空間上都會有隨機變化的不穩定流動狀態。這種非定常的流動一方面直接產生輻射噪聲，另一方面，湍流邊界層內隨機的速度擾動產生隨機的脈動壓力，激勵物面彈性結構振動并產生二次輻射噪聲。
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