﻿ 基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化
 舰船科学技术  2017, Vol. 39 Issue (8): 41-46 PDF

Performance analysis and parameter optimization of propeller based on fluid solid coupling
AN Bang, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, ZHANG Xi-sheng, YU Wei
School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
Abstract: In order to study a certain type of propeller and propeller strength characteristics. Firstly, the entity model, and then set the calculation conditions in CFX, the calculation and analysis of the thrust coefficient, different velocity of propeller by using CFD finite element method for torque coefficient, open water efficiency and blade pressure distribution characteristics of hydrodynamic parameters and its change trend; and then through the Workbench the application platform flow solid coupling method, CFX obtained the pressure surface of propeller load to the propeller structure strength analysis model, to calculate the strength of the propeller. Finally, by changing the pitch angle and the pitch of the propeller structure optimization, and simulation results will be compared with the original propeller, the results showed that the appropriate increase of the trim angle can increase propeller strength, appropriate to reduce the pitch can improve propeller open water efficiency, improve the anti cavitation performance of propeller and increase strength.
Key words: propeller     CFD     hydrodynamic performance     fluid structure interaction     strength analysis
0 引　言

1 螺旋桨模型的建立 1.1 建立实体模型

 图 1 螺旋桨三维模型 Fig. 1 3D propeller model
1.2 螺旋桨流场划区、网格划分与计算边界条件设定

 图 2 螺旋桨流场仿真模型示意图 Fig. 2 Schematic diagram of propeller flow field simulation model
1.3 螺旋桨实体网格划分

 图 3 螺旋桨网格划分图 Fig. 3 Meshing diagram of propeller
2 螺旋桨的水动力与强度分析 2.1 螺旋桨水动力特性分析

 图 4 螺旋桨敞水特性对比图 Fig. 4 Comparison of characteristics of propeller in open wate

1）推力系数分析。在不同进速系数下，CFX计算的仿真结果和经验公式计算结果变化趋势一致，仿真计算的推力系数小于公式计算值，当进速系数为0.6时，两者误差最小，约为4%，推力系数平均误差在7.2%以内

2）力矩系数分析。在不同进速的情况下，力矩系数仿真结果值和公式结果非常接近，变化趋势也一致，力矩系数平均误差在1.86%以内，进速系数大于0.7后可以预测两者差值有增大的趋势。

3）敞水效率分析。在不同进速情况下，螺旋桨敞水效率仿真值小于公式计算值，并且变化趋势与推力系数误差情况基本一致，敞水效率平均误差在7.11%以内，随着进速系数的增大，两者差值有增大的趋势。

2.2 桨叶压力分布情况分析

 图 5 不同半径弦向压力分布图 Fig. 5 Distribution of chord pressure at different radius

 图 6 螺旋桨表面压力分布图 Fig. 6 Surface pressure distribution of propeller

2.3 螺旋桨的强度分析

1）水动力对螺旋桨的强度影响

 图 7 螺旋桨最大应力与最大变形曲线图 Fig. 7 Maximum stress and maximum deformation curve of propeller

 图 8 螺旋桨应力、变形云图 Fig. 8 Stress and deformation nephogram of propeller

3 螺旋桨结构参数优化 3.1 不同纵倾角下螺旋桨性能对比分析

1）不同纵倾角下螺旋桨水动力性能对比分析

 图 9 不同纵倾角下螺旋桨敞水性能比较 Fig. 9 Comparison of open water performance of propellers at different vertical angles

 图 10 螺旋桨压力分布云图 Fig. 10 Nephogram of propeller pressure distribution

2）不同纵倾角下螺旋桨强度对比分析

3.2 不同螺距下螺旋桨性能对比分析

1）不同螺距下螺旋桨水动力性能分析

 图 11 不同螺距下螺旋桨敞水性能比较 Fig. 11 Comparison of open water performance of propeller under different pitch

 图 12 不同螺距下螺旋桨敞水性能比较 Fig. 12 Nephogram of pressure distribution

2）不同螺距下螺旋桨强度分析

4 结　语

1）螺旋桨模型复杂，因此对螺旋桨进行精确建模，通过合适的方式对螺旋桨周围流场和结构模型进行网格化分对提高螺旋桨性能仿真精度有较大影响。

2）通过CFD方法仿真AU型螺旋桨的性能，选择RNG k-ε湍流模型，得到不同进速情况下螺旋桨的性能参数，与公式计算值之间相比，仿真值误差小，计算精度满足要求。

3）通过对比研究发现适当增大螺旋桨纵倾角能提高桨叶强度，改善螺旋桨结构性能；适当降低螺距能提高螺旋桨敞水效率、提高抗空泡性能并且有助于提高桨叶强度，改善螺旋桨结构性能。

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