螺旋桨敞水性能数值计算
在全球经济一体化的背景下，船舶运输对经济发展至关重要。随着船舶运输业的快速发展，对船舶的性能提出了更高的要求，而螺旋桨敞水性能对船舶性能的重要性不言而喻 。同时 ，螺旋桨的更新换代速度也在不断的加快，所以在螺旋桨研究设计中，准确快速的预报螺旋桨敞水性能变得至关重要。在现代螺旋桨性能研究当中，CFD法（计算流体力学法）表现出了巨大的优势，能够快速准确的预报出螺旋桨的敞水性能。本文将运用CFD法对螺旋桨敞水性能进行简单的数值模拟计算。本文在建好螺旋桨模型后，运用Gambit处理软件对螺旋桨模型进行网格划分，然后再利用CFD软件中的Fluent软件对划分好网格的螺旋桨模型进行边界定义和数值模拟计算。本文通过计算，得到了螺旋桨桨叶的总压力分布和速度分布，并对桨叶的叶背和叶面进行了简单的分析。关键词：螺旋桨 ；敞水性能；数值计算AbstractKeywords: propeller ；open water performance ；numerical calculation 目录
第一章 螺旋桨的几何特征 1
1.1螺旋桨的外形及名称 1
1.2螺旋桨的几何特征 2
1.2.1桨叶切面 2
1.2.2桨叶的外形轮廓和叶面积 3
1.3螺旋桨水动力性能 4
第二章 螺旋桨性能研究方法及CFD法 8
2.1螺旋桨性能研究理论方法 8
2.2计算流体力学法研究螺旋桨性能 10
2.3螺旋桨性能预报的研究现状 12
2.4计算流体力学 14
2.4.1计算流体力学概述 14
2.4.2流动控制方程 15
第三章 螺旋桨模型网格划分 19
3.1 Gambit软件简介 19
3.2 流体网格划分 19
第四章 螺旋桨数值模拟计算及总压速度分析 22
4.1 Fluent软件的简单介绍 22
4.2运用FLUENT 6.3的模拟计算过程 22
4.3螺旋桨桨叶总压及速度分析 24
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 螺旋桨的几何特征
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
3.2 流体网格划分 19
第四章 螺旋桨数值模拟计算及总压速度分析 22
4.1 Fluent软件的简单介绍 22
4.2运用FLUENT 6.3的模拟计算过程 22
4.3螺旋桨桨叶总压及速度分析 24
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 螺旋桨的几何特征
1.1螺旋桨的外形及名称
我们先来简单的了解一下螺旋桨的几何特性，以方便我们对螺旋桨的水动力性能进行研究。
螺旋桨我们也叫做车叶，一般安装在船的尾部（也有一些螺旋桨安装在船的首位部，但一般只有特殊船舶这样做，比如港口工作船或者是渡船等船舶），所谓的单螺旋桨是在船尾部的中线处只装一只螺旋桨，当然也有双螺旋桨船，在两边各安装一只。除了这两种之外，还有3桨、4桨或者是5桨，这需要根据船只需要来安装。
桨叶和桨毂两部分组成了螺旋桨。桨毂是螺旋桨与尾轴相连接的部分，它是一个形似为截头的锥形体。为了减小水的阻力，在设计过程中，我们可以在它的后面加上一个整流罩，这样可以减少水对它的阻力，并与浆毂组成一个光滑流线的形体，这样就构成了毂帽。通过观察，我们可以看到，桨叶固定在桨毂上。叶面是我们站在船尾后面向前面看时看到的那一部分螺旋桨桨叶，它的背面称之为叶背。叶根是桨叶与桨毂连接的那部分，螺旋桨桨叶的最边缘处叫做叶梢，我们在进行螺旋桨正车旋转时，在前面看到的桨叶边缘叫做导边，随边就是另外一边。
在螺旋桨进行旋转时（设无前后运动），叶梢会产生一个圆形的轨迹，我们把它叫做梢圆，这个轨迹的直径就是通常所说的螺旋桨直径，我们用来表示表示。同理，螺旋桨的盘面积就是梢圆的面积，用表示：
在螺旋桨正车旋转时，我们从船的后面向前看时，如果看到的旋转方向是顺时针，我们就叫做右螺旋桨。左螺旋桨跟它相反。如果螺旋桨安装在船尾的两侧，在正车旋转时，它的上端朝船中线方向转动则叫做内旋浆，相反，则为外旋浆。
图1-1: 螺旋桨桨叶及桨毂示意图
1.2螺旋桨的几何特征
1.2.1桨叶切面
浆叶的切面就是与螺旋桨共轴的圆柱体跟桨叶相截截到的截面，我们一般把它叫做叶切面或者叶剖面。一般来说它的形状为圆背式切面或机翼切面，当然也有特殊的，比如：梭型切面和月牙形切面。
通过研究发现，机翼形切面的叶型效率是比较高的，可惜空泡性有点差，不能满足我们的需求。弓形切面跟它相反。在我们对普通弓形进行展开时，发现它的叶面是一条直线，叶背却是一条曲线，它的两端想当尖，中部是最厚的。同理，我们也对机翼形切面进行展开，但是它没有固定的形状，页面近似为一条直线或者曲线，叶背是一根曲线，而随边非常的尖，导边又有点钝，它的最大厚度非常靠近导边，大概距离导边0.25-0.40弦长处。内弦和外弦基本上构成了切面的弦长。内弦是指连接切面的导边与随边的直线，在系列图谱螺旋桨研究中，把外弦叫做弦线。如果是用理论研究方法来设计螺旋桨时，我们一般把内弦叫做弦线，并且我们可以利用弦线来定义弦长和螺距。
在研究中，我们可以以垂直于所取弦线方向与切面上下交点的距离来表示切面的厚度。叶厚是它的最大厚度，叶厚跟切面弦长的比值可以叫做切面的相对厚度或叶厚比。切面的中线或平均线称为拱线或线，拱线到内弦线的最大垂直距离称为切面的拱度，用来表示。拱度与弦长之比称为切面的拱度比
1.2.2桨叶的外形轮廓和叶面积
我们可以用螺旋桨的正视图和侧视图来展现出桨叶的外形轮廓。站在船的后面向前面看所看到的面为螺旋桨的正视图，从船侧视角看螺旋桨看到的是侧视图。正投影是桨叶在垂直于桨轴的平面上的投影，桨叶的外形轮廓称为投射轮廓。螺旋浆所有桨叶投射轮廓包含面积之总和称为螺旋桨投射面积，用表示。投射面积与盘面积的比值称为投射面比，即：
投射面比=
如果投射轮廓跟参考线对称的我们叫做对称叶形，反之，则叫做不对称叶形。不对称桨叶的叶梢与参考线之间的距离称为倾斜角。一般螺旋桨的转向与桨叶的侧斜方向是不相同的，并且相反。所以选择合适的桨叶的侧斜是有好处的，可以帮助我们减少螺旋桨诱导的船体震动。
桨叶在平行于包含轴线和辐射参考线的平面上的投影称为侧投影。与浆毂相连的切面最大厚度称为叶根厚度（除去两边填角料）。辐射参考线与最大厚度线的延长线在轴线上的交点的距离与直径的比值称为叶厚分数。螺旋桨浆毂的形状一般为圆锥体，我们可以通过它的视图发现它的各处的直径是不相等的。通常所说的浆毂直径是指辐射参考线与浆毂表面相交处（略去叶根处填角料）至轴线距离的两倍，并用来表示。毂径与螺旋桨直径的比值称为毂径比。
将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展开成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光滑连接端点所得的轮廓称为伸张轮廓。螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积只和称为伸张面积，用表示。伸张面积与盘面积的比值称为伸张面比，即：
伸张面比=
把桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓称为展开轮廓，各浆叶展开轮廓所包含的面积之和叫做展开面积，用表示。展开面积与盘面积的比值称为展开面比，即：
第一章 螺旋桨的几何特征 1
1.1螺旋桨的外形及名称 1
1.2螺旋桨的几何特征 2
1.2.1桨叶切面 2
1.2.2桨叶的外形轮廓和叶面积 3
1.3螺旋桨水动力性能 4
第二章 螺旋桨性能研究方法及CFD法 8
2.1螺旋桨性能研究理论方法 8
2.2计算流体力学法研究螺旋桨性能 10
2.3螺旋桨性能预报的研究现状 12
2.4计算流体力学 14
2.4.1计算流体力学概述 14
2.4.2流动控制方程 15
第三章 螺旋桨模型网格划分 19
3.1 Gambit软件简介 19
3.2 流体网格划分 19
第四章 螺旋桨数值模拟计算及总压速度分析 22
4.1 Fluent软件的简单介绍 22
4.2运用FLUENT 6.3的模拟计算过程 22
4.3螺旋桨桨叶总压及速度分析 24
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 螺旋桨的几何特征
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
3.2 流体网格划分 19
第四章 螺旋桨数值模拟计算及总压速度分析 22
4.1 Fluent软件的简单介绍 22
4.2运用FLUENT 6.3的模拟计算过程 22
4.3螺旋桨桨叶总压及速度分析 24
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 螺旋桨的几何特征
1.1螺旋桨的外形及名称
我们先来简单的了解一下螺旋桨的几何特性，以方便我们对螺旋桨的水动力性能进行研究。
螺旋桨我们也叫做车叶，一般安装在船的尾部（也有一些螺旋桨安装在船的首位部，但一般只有特殊船舶这样做，比如港口工作船或者是渡船等船舶），所谓的单螺旋桨是在船尾部的中线处只装一只螺旋桨，当然也有双螺旋桨船，在两边各安装一只。除了这两种之外，还有3桨、4桨或者是5桨，这需要根据船只需要来安装。
桨叶和桨毂两部分组成了螺旋桨。桨毂是螺旋桨与尾轴相连接的部分，它是一个形似为截头的锥形体。为了减小水的阻力，在设计过程中，我们可以在它的后面加上一个整流罩，这样可以减少水对它的阻力，并与浆毂组成一个光滑流线的形体，这样就构成了毂帽。通过观察，我们可以看到，桨叶固定在桨毂上。叶面是我们站在船尾后面向前面看时看到的那一部分螺旋桨桨叶，它的背面称之为叶背。叶根是桨叶与桨毂连接的那部分，螺旋桨桨叶的最边缘处叫做叶梢，我们在进行螺旋桨正车旋转时，在前面看到的桨叶边缘叫做导边，随边就是另外一边。
在螺旋桨进行旋转时（设无前后运动），叶梢会产生一个圆形的轨迹，我们把它叫做梢圆，这个轨迹的直径就是通常所说的螺旋桨直径，我们用来表示表示。同理，螺旋桨的盘面积就是梢圆的面积，用表示：
在螺旋桨正车旋转时，我们从船的后面向前看时，如果看到的旋转方向是顺时针，我们就叫做右螺旋桨。左螺旋桨跟它相反。如果螺旋桨安装在船尾的两侧，在正车旋转时，它的上端朝船中线方向转动则叫做内旋浆，相反，则为外旋浆。
图1-1: 螺旋桨桨叶及桨毂示意图
1.2螺旋桨的几何特征
1.2.1桨叶切面
浆叶的切面就是与螺旋桨共轴的圆柱体跟桨叶相截截到的截面，我们一般把它叫做叶切面或者叶剖面。一般来说它的形状为圆背式切面或机翼切面，当然也有特殊的，比如：梭型切面和月牙形切面。
通过研究发现，机翼形切面的叶型效率是比较高的，可惜空泡性有点差，不能满足我们的需求。弓形切面跟它相反。在我们对普通弓形进行展开时，发现它的叶面是一条直线，叶背却是一条曲线，它的两端想当尖，中部是最厚的。同理，我们也对机翼形切面进行展开，但是它没有固定的形状，页面近似为一条直线或者曲线，叶背是一根曲线，而随边非常的尖，导边又有点钝，它的最大厚度非常靠近导边，大概距离导边0.25-0.40弦长处。内弦和外弦基本上构成了切面的弦长。内弦是指连接切面的导边与随边的直线，在系列图谱螺旋桨研究中，把外弦叫做弦线。如果是用理论研究方法来设计螺旋桨时，我们一般把内弦叫做弦线，并且我们可以利用弦线来定义弦长和螺距。
在研究中，我们可以以垂直于所取弦线方向与切面上下交点的距离来表示切面的厚度。叶厚是它的最大厚度，叶厚跟切面弦长的比值可以叫做切面的相对厚度或叶厚比。切面的中线或平均线称为拱线或线，拱线到内弦线的最大垂直距离称为切面的拱度，用来表示。拱度与弦长之比称为切面的拱度比
1.2.2桨叶的外形轮廓和叶面积
我们可以用螺旋桨的正视图和侧视图来展现出桨叶的外形轮廓。站在船的后面向前面看所看到的面为螺旋桨的正视图，从船侧视角看螺旋桨看到的是侧视图。正投影是桨叶在垂直于桨轴的平面上的投影，桨叶的外形轮廓称为投射轮廓。螺旋浆所有桨叶投射轮廓包含面积之总和称为螺旋桨投射面积，用表示。投射面积与盘面积的比值称为投射面比，即：
投射面比=
如果投射轮廓跟参考线对称的我们叫做对称叶形，反之，则叫做不对称叶形。不对称桨叶的叶梢与参考线之间的距离称为倾斜角。一般螺旋桨的转向与桨叶的侧斜方向是不相同的，并且相反。所以选择合适的桨叶的侧斜是有好处的，可以帮助我们减少螺旋桨诱导的船体震动。
桨叶在平行于包含轴线和辐射参考线的平面上的投影称为侧投影。与浆毂相连的切面最大厚度称为叶根厚度（除去两边填角料）。辐射参考线与最大厚度线的延长线在轴线上的交点的距离与直径的比值称为叶厚分数。螺旋桨浆毂的形状一般为圆锥体，我们可以通过它的视图发现它的各处的直径是不相等的。通常所说的浆毂直径是指辐射参考线与浆毂表面相交处（略去叶根处填角料）至轴线距离的两倍，并用来表示。毂径与螺旋桨直径的比值称为毂径比。
将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展开成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光滑连接端点所得的轮廓称为伸张轮廓。螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积只和称为伸张面积，用表示。伸张面积与盘面积的比值称为伸张面比，即：
伸张面比=
把桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓称为展开轮廓，各浆叶展开轮廓所包含的面积之和叫做展开面积，用表示。展开面积与盘面积的比值称为展开面比，即：
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