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本文基于CFD與經(jīng)驗(yàn)方法提出了一種針對(duì)雙槳雙舵內(nèi)河船舶的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過將模型仿真結(jié)果與一艘雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模自由自航模實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了該模型的有效性。本文采用CFD方法計(jì)算了模型船在不同進(jìn)速系數(shù)和舵角下的螺旋槳及舵的水動(dòng)力系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果回歸從而得到了考慮螺旋槳影響的舵力模型。

在當(dāng)前模型中，船體尾流對(duì)螺旋槳的影響簡(jiǎn)化為均勻來流的影響，且斜流的影響是通過經(jīng)驗(yàn)方法改變有效舵角來計(jì)及的。此外，由于螺旋槳側(cè)向力可能導(dǎo)致雙槳雙舵船舶左舷和右舷整流效應(yīng)的不對(duì)稱，因此后續(xù)研究中還應(yīng)考慮操縱運(yùn)動(dòng)過程中螺旋槳側(cè)向力的影響。由于頻繁的轉(zhuǎn)舵操作會(huì)使船后流場(chǎng)復(fù)雜化，因此本文的簡(jiǎn)化處理對(duì)Z形實(shí)驗(yàn)的影響較回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)更大，后續(xù)可考慮船-槳-舵耦合的CFD計(jì)算以提高建模精度。

下面以KP505槳模為案例，對(duì)螺旋槳模擬的主要步驟進(jìn)行介紹。

盡管如此，它仍然是 CFD 工程師必須解決的最具挑戰(zhàn)性的主題之一。它發(fā)生在許多領(lǐng)域，例如船用螺旋槳、水翼、魚雷、泵等。許多出版物都涵蓋了該主題，有時(shí)從另一個(gè)角度，從空化開始到其實(shí)際物理建模，使用實(shí)用的方法或更復(fù)雜的模型。Cadence 希望通過這篇博客文章分享其一些專業(yè)知識(shí)， 總結(jié)最先進(jìn)的 CFD 技術(shù) 用于氣蝕預(yù)測(cè)并涵蓋不同的應(yīng)用和 CFD 功能，以滿足工程師的需求。

螺旋槳噪聲是指高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳在水中振動(dòng)輻射產(chǎn)生的聲波, 其中包含螺旋槳空化噪聲及螺旋槳葉片振動(dòng)引發(fā)的噪聲, 如圖6所示, 如果采用安裝于船尾、浸沒于水中的全方位推進(jìn)裝置, 這類推進(jìn)器噪聲除了螺旋槳噪聲以外, 還有推動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的水下推進(jìn)電機(jī)或齒輪傳遞的噪聲。

自推進(jìn)測(cè)試：與開放水域螺旋槳分析不同，這里螺旋槳的效率取決于船的速度。當(dāng)螺旋槳放置在船后時(shí)，螺旋槳的行為會(huì)略有變化（與開放水域螺旋槳測(cè)試獲得的結(jié)果相比）。測(cè)試時(shí)，模型船內(nèi)部安裝測(cè)功機(jī)和電機(jī)，并以固定速度拖入水箱。經(jīng)過一個(gè)點(diǎn)后，拖車就不再有阻力，這個(gè)無阻力中性點(diǎn)有助于計(jì)算螺旋槳效率。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了多種球首、船尾、中線面尾鰭、雙尾鰭和推進(jìn)裝置，其中部分最終方案還進(jìn)行了伴流測(cè)量試驗(yàn)，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)?em>螺旋槳產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)形成空泡、螺旋槳腐蝕以及船舶尾鰭振動(dòng)問題。美國(guó)海軍近期建造的單槳船舶之一是AO-177，振動(dòng)問題的最終解決消耗了不低的成本，利用螺旋槳上方的縱向鰭改善伴流場(chǎng)和進(jìn)行螺旋槳重新設(shè)計(jì)才得以解決問題。

如何制造船舶電池組和電動(dòng)螺旋槳電機(jī)的詳細(xì)教程？了解如何優(yōu)化電動(dòng)船舶設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌踩６龋褂萌叽绶抡鏈y(cè)試其在各種海況下的性能，并獲得對(duì)整個(gè)電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)全新的洞察力？使用CFD模型進(jìn)行虛擬海試，弄清這艘船將如何在波浪中運(yùn)行？

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法成為船舶操縱性領(lǐng)域的重要研究手段。采用CFD方法能夠求解理論分析無法獲得的復(fù)雜流動(dòng)，且和物理試驗(yàn)相比，所需的人力、財(cái)力大為減少。但在多時(shí)間尺度物理場(chǎng)（例如，直升機(jī)飛行、船舶螺旋槳推進(jìn)）模擬中，采用CFD方法往往十分耗時(shí)，故而體積力法（bodyforcemethod，BFM）常被用于模擬槳葉的高速轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。

為了進(jìn)一步提高性能，CFD 模擬還可以用于分析不同的螺旋槳設(shè)計(jì) - 它們的形狀和位置。 船型優(yōu)化的計(jì)算分析 用于分析流體-結(jié)構(gòu)相互作用的船體形式模擬 CFD 求解器（如 Fidelity 和 Fidelity Pointwise）支持虛擬設(shè)計(jì)和優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)，但假設(shè)是真實(shí)世界的操作環(huán)境。

目前，船型優(yōu)化主要基于SBD(Simulation Based Design)技術(shù)，如圖1所示，將CFD性能評(píng)估、幾何重構(gòu)/變形技術(shù)和智能優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一定約束條件下船體性能的最優(yōu)化。船型優(yōu)化技術(shù)一般可實(shí)現(xiàn)節(jié)能2%-5%。

此外，用戶還可以選擇通過鼓動(dòng)盤使用真實(shí)螺旋槳性能的公開水域數(shù)據(jù)，這進(jìn)一步提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，同時(shí) CPU 成本較低。 在模擬過程中，Omnis Marine 可以通過鼓動(dòng)盤讀取公開水域性能數(shù)據(jù)。

5、轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)用于操作 PropCad中的螺旋槳設(shè)計(jì)適合長(zhǎng)久使用，例如創(chuàng)建FEA，CFD或者CAD/CAM模型。

此外，用戶還可以選擇通過鼓動(dòng)盤使用真實(shí)螺旋槳性能的公開水域數(shù)據(jù)，這進(jìn)一步提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，同時(shí) CPU 成本較低。 在模擬過程中，Omnis Marine 可以通過鼓動(dòng)盤讀取公開水域性能數(shù)據(jù)。

海洋結(jié)構(gòu)中的渦流脫落 當(dāng)船舶或潛艇等海洋結(jié)構(gòu)在流體中行進(jìn)時(shí)，相互作用會(huì)導(dǎo)致朝向阻流體（例如船體或螺旋槳）的下游側(cè)形成低壓區(qū)域。高壓區(qū)也朝向上游側(cè)形成。兩側(cè)的壓力差會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦會(huì)交替地散落在身體的兩側(cè)。這種渦流脫落對(duì)海洋結(jié)構(gòu)具有廣泛的影響。

對(duì)于虛擬盤體模型，當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)四種方法：體積力螺旋槳法，葉片單元法，1D動(dòng)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(duì)船舶螺旋槳的效應(yīng)進(jìn)行模擬。體積力螺旋槳法主要對(duì)船體和螺旋槳的流場(chǎng)相互作用進(jìn)行仿真。螺旋槳引起的流態(tài)取決于船體周圍的流態(tài)。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動(dòng)態(tài)流體相互作用）模擬的一部分。

船舶和螺旋槳性能的預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)優(yōu)化過程、尾流分析以及推進(jìn)器-船體相互作用的研究只是 CFD 應(yīng)用于船舶流體動(dòng)力學(xué)的幾個(gè)例子。STM于 1991 年根據(jù)國(guó)防工業(yè)執(zhí)行委員會(huì)的法令成立，為土耳其武裝部隊(duì) (TAF) 和國(guó)防工業(yè)副部長(zhǎng) (SSM) 提供系統(tǒng)工程、技術(shù)支持、項(xiàng)目管理、技術(shù)轉(zhuǎn)讓和后勤支持服務(wù)。此外，為國(guó)防系統(tǒng)開發(fā)軟件技術(shù)，并建立/運(yùn)營(yíng)用于軟件開發(fā)、維護(hù)或支持的國(guó)家軟件中心。

參與者必須提交在給定條件下預(yù)測(cè)的船速、軸扭矩、動(dòng)態(tài)平衡和螺旋槳空化擴(kuò)展的數(shù)值結(jié)果。然后將這些結(jié)果與海上試航期間在貨船“REGAL”上進(jìn)行的船上測(cè)量和觀察結(jié)果進(jìn)行比較。考慮中的船舶是一艘1994年在波蘭建造的138m雜貨船，總重量11542噸，配備一個(gè)四葉右旋定距螺旋槳。

[3] 左歲寒,楊永.螺旋槳滑流對(duì)帶后緣襟翼機(jī)翼氣動(dòng)特性影響的數(shù)值分析[J].航空計(jì)算技術(shù),2007(1):54-57.[4] 張小莉,張一帆.螺旋槳滑流對(duì)增升裝置氣動(dòng)特性影響研究[J].航空計(jì)算技術(shù),2011,41(4):1-3,7.