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1 問題描述 本教程介紹如何模擬船用螺旋槳在開放水域中的工作過程。螺旋槳置于一個如下所示的虛擬水池中。螺旋槳是一個可變螺距螺旋槳，在前緣和尾緣處的槳轂和螺旋槳葉片之間有一個 0.3 mm 的間隙，在模擬中保持此間隙。使用 MRF 對螺旋槳的旋轉建模。

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。

1 問題描述 本教程介紹如何模擬船用螺旋槳在開放水域中的工作過程。螺旋槳置于一個如下所示的虛擬水池中。螺旋槳是一個可變螺距螺旋槳，在前緣和尾緣處的槳轂和螺旋槳葉片之間有一個 0.3 mm 的間隙，在模擬中保持此間隙。使用 MRF 對螺旋槳的旋轉建模。

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？

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。

Sharrow Marine公司的船用環形螺旋槳（圖片來自網絡） 環形螺旋槳最大限度地減少了發生在螺旋槳葉梢渦流（空氣、水或其它流體的螺旋運動）的強度，因此噪聲更小。環形螺旋槳葉片下方有一個高壓區域，上方有一個低壓區域。

螺旋槳的性能與徑向環量分布有關，吳家鳴等[8]的研究表明，Goldstein最佳環量分布不適用于導管螺旋槳。導管螺旋槳的水動力性模擬精度較普通螺旋槳低。Feng等[9]基于葉素理論，將采用CFD計算得到的槳盤面處當地速度場直接用于計算各半徑處葉片的推力和扭矩，獲得了與實體離散槳模型幾乎相同的流場分布情形。

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。

近年來，麻省理工學院（MIT）的林肯研究所發表聲明稱，環形螺旋槳具有低噪音和高效率的特性(1)。同年，日本航天局JAXA也證實了其獨特技術開發的低噪音螺旋槳“Looprop”有很好的靜音效果(2)。Sharrow Marine公司已經實現了船用環形螺旋槳的商業化，但無人機用環形螺旋槳目前仍在研究中。

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。

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

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。

03 實體導管螺旋槳敞水推力驗證 對 No.19A+Ka4-70(P/D = 1) 導管螺旋槳進行數值模擬，將導管推力、螺旋槳推力等的仿真結果與試驗值進行對比以驗證計算方法的合理性。

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。

對于虛擬盤體模型，當前可實現四種方法：體積力螺旋槳法，葉片單元法，1D動量法，用戶自定義法。作為虛擬盤體模型的一部分，體積力螺旋槳法對船舶螺旋槳的效應進行模擬。體積力螺旋槳法主要對船體和螺旋槳的流場相互作用進行仿真。螺旋槳引起的流態取決于船體周圍的流態。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動態流體相互作用）模擬的一部分。

于是本案例計算點螺旋槳的性能參數如下，也就是當裝備的流動阻力等于螺旋槳的推力時，螺旋槳的工作點參數如下： 可以通過計算不同的來流速度（亦即裝備航行速度），獲得螺旋槳的性能曲線（橫坐標為J），縱坐標為KT，KQ和η0如下，當J=0.7，亦即裝備航行速度2.8m/s時，本案例的螺旋槳效率最高，此時推力（裝備航行阻力）734.3N，螺旋槳扭矩339N·m，輸入功率3.549kW

遇有強風干擾，電動螺旋槳能夠逆風推進，提高飛行器的抗風性能。 起降狀態飛行：垂直起飛時，電動螺旋槳能夠快速強力推進飛行器，加快從懸停到前飛狀態的過渡時間，減少懸停能量消耗；降落進近時，電動螺旋槳能反向推進為飛行器剎車，避免機頭上揚影響駕駛員著陸操縱視線。

本研究中，利用CFD仿真對船舶的螺旋槳周圍的氣穴，尤其是翼端部渦流的再現進行了預測，并進行了仿真結果與實驗的比較[1]。

這類飛行器的螺旋槳必須在巡航以及垂直和過渡飛行模式下運行。一些設計使用一組電動高升力螺旋槳（HLP）來增加流量，以在低速飛行條件下增加升力，而其他設計可以為垂直或短距起飛和著陸（V/STOL）提供額外的推力。幾個概念旨在實現機身空氣動力學和戰略集成推進器之間的良好相互作用，實現迄今為止無法實現的性能優勢。這些螺旋槳必須結構良好，以應對復雜的飛行器過渡。

一、故障現象 某船采用雙機雙槳推進,螺旋槳選用五葉可調螺距螺旋槳(以下簡稱調距槳),其螺距的改變是通過獨立的液壓系統驅動槳葉安裝盤面下的曲柄銷實現的。