螺旋桨敞水性能研究方法

1. 螺旋桨敞水性能概述 

螺旋桨单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，对于模型试验，可以在船模拖曳水池、循环水槽或空泡水筒中进行。对于数值计算只需建立一个合适大小的计算域即可确保试验环境的符合试验要求。螺旋桨的敞水数值计算方法研究，由于近些年有众多研究者参与其中，已经完全具有工程实用的预报精度，基本可以达到替代螺旋桨模型试验的目的，一方面可以依据计算结果，系统的分析螺旋桨各个几何要素对性能的影响，以供设计时选择各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向；其二是可以作为校核和验证理论方法的手段之一；其三则是敞水试验数值方法的确定为其他螺旋桨相关的计算提供了技术基础，包括后文中要进行的螺旋桨非定常计算、空泡性能计算以及噪声性能计算；除此之外，对于自航试验、船桨舵干扰等于螺旋桨相关的研究都需要以螺旋桨敞水性能数值预报方法为基础，才能顺利行进。 

2. 理论基础 

螺旋桨周围流场流动的数学描述模型是N***ier-Stokes方程组，其数值仿真就是应用CFD理论求取螺旋桨流场的各个流动参数。

3. 控制方程

满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的微分方程组是流体力学的基本控制方程。对于所有流动，无论是热传导、可压缩的流动都需同时求解上述方程。螺旋桨流动的数值计算由于不涉及热传递、水也不可压缩，因为不涉及能量方程。

4. 离散方法 

对于在求解域内建立的微分方程组，理论上存在解析解，即数值计算的真解或称***解，但是直接求解方程组由于所处理问题的复杂性以及偏微分方程组本身的特点造成这几乎是一件无法完成的事。而通过数值的方法，将求解域离散成有限个节点，在节点之间建立关于未知量的代数方程组，通过求解相对简单的代数方程组即可获得节点位置上的流场物理量。流场其他位置的物理量则依据这些节点上的值可通过不同的插值方式获得。

将计算域离散成有限个节点的方法称为离散方法，而获得节点以外区域物理量的插值方式则称为离散格式。

5. 壁面函数 

壁面对流动的影响主要集中在近壁面区域（也成边界层，在该区域由于粘性作用壁面可以减弱流体切向速度，同时阻止法向速度，使得该区域速度梯度很大，同时该区域沿壁面法向的厚度却非常小，直接求解该区域流动需要非常精细的网格，对于一般的数值计算十分困难。不过由于该区域的流动总是成一定规律，所以在数值计算过程中，一般不直接求解该区域的流动参数而是使用半经验公式。数值计算中全部采用标准壁面函数。

6. 螺旋桨旋转运动模拟方法 

在FLUENT中，提供了三种方式，处理螺旋桨的周期性旋转运动，分别是多重参考系模型（MRF），滑移网格模型以及动网格。本文在稳态计算时采用MRF方法进行处理，瞬态模拟时采用动网格技术处理。螺旋桨的敞水性能通常仅需稳态模拟即可。

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