螺旋桨工程决定了船舶、潜艇和其他船只的性能和水动效率。工程师不仅需要理解螺旋桨产生的推力和阻力，还需要了解空化和尾流噪声等效应。传统上，这只能在水洞测试和海上试验后通过建造原型来测量。优化性能和解决问题是需要多次原型迭代，导致成本增加和开发时间延长。仿真提供了一种替代方案，使工程师能够在真实螺旋桨的虚拟副本上分析和优化性能，而无需物理原型。

 

 

 

为什么模拟螺旋桨？

螺旋桨是将发动机的动力转化为水动力的关键部件。即使微小的优化也能对整个船只的性能以及其将燃料能量转化为推力的效率产生巨大影响。

 

螺旋桨必须承受巨大的力量，因为它推动数千吨的船只在水中前进，通常还要逆着波浪行驶。螺旋桨必须足够坚固以承受这些力量，特别是它必须能够承受由空化引起的损坏，因为叶片的快速运动会产生气泡，这些气泡会崩溃并产生强大的冲击波。

 

螺旋桨也会产生极高的噪音水平 – 最大的船只在水中可以产生200分贝的噪音，螺旋桨是主要的噪音来源 – 这不仅影响船只的可检测性，还会造成噪音污染并伤害或杀死海洋生物。

应对螺旋桨工程挑战需要设计师能够分析和理解他们的设计。传统上，这是通过在水道中使用物理原型或安装在船只上来完成的。建造物理原型需要时间和金钱，并且每次设计迭代都需要一个新的原型。

 

模拟允许工程师在构建物理原型之前分析设计性能。这使得设计迭代更快，减少了原型制作，加速了设计过程。如果发现任何问题，可以研究设计变更并优化几何形状。

 

SIMULIA PowerFLOW非常适合螺旋桨模拟的挑战。它使用了格子玻尔兹曼方法（LBM），这是一种强大的模拟技术，可以处理复杂的几何形状——例如，安装在完整船只上的详细螺旋桨——以及真实的湍流。PowerFLOW使用了一个完全可压缩的、本质上是瞬态的求解器，这意味着不需要额外的“声学模型”或额外的第三方工具。物理模型是通用的，并且已经针对广泛的工业应用进行了广泛验证。PowerFLOW既可以在CPU上运行，也可以在GPU上运行，允许在选择的硬件方面具有灵活性。

 

鉴于近场和远场尾流区域的显著特征，将问题拆分为两个模拟更为高效。这种方法可以为每个区域使用最合适的模拟方法。PowerFLOW中实施的新型瞬态边界种子技术可以高效地划分模拟域，减少总体计算时间，同时不牺牲准确性。这可以允许模拟非常大的域，这对于下游尾流的跟踪非常有用。

 

一个长时间的尾迹跟踪模拟，代表了一个10米长的水池.

 

螺旋桨模拟

为了展示PowerFLOW的螺旋桨仿真，我们将使用由INSEAN开发的INSEAN E1619螺旋桨，这是一款七叶片的通用潜艇螺旋桨。其水动力性能以及尾流行为在开放水域测试中分别通过力平衡系统和激光多普勒测速技术进行实验分析。下表提供了螺旋桨的主要参数。

 

 

 

 

INSEAN E1619螺旋桨的正视图和侧视图.

 

第一步是建模螺旋桨。为此，我们在3DEXPERIENCE平台上使用了CATIA。CATIA在工业中广泛用于设计和建模复杂的产物和系统，并通过统一建模和仿真（MODSIM）与SIMULIA产品集成。借助MODSIM，设计几何体可以直接转换为仿真模型，保持模型与仿真之间的可追溯性和关联性。这确保了任何设计变更都会自动反映在模型中，仿真结果中的特征可以追溯到原始设计。

 

在PowerFLOW中，模拟设置尽可能接近真实的水箱测试。这包括准确建模水箱的几何形状和尺寸、入口速度和压力条件、壁面边界条件以及静水压力出口条件。螺旋桨使用局部旋转框架（LRF）内的移动网格方法进行模拟，使实际几何体在轴对称域内物理旋转。这使得能够准确捕捉叶片与周围流体之间的非稳态相互作用，以及真实的尾流传播。操作条件有所不同，入口速度从3 m/s到9.25 m/s不等。结果在两圈内平均。此工作流程的模拟时间与非稳态RANS模拟相当。同时保持对性能参数相同的准确性。

 

验证与测量

图2展示了螺旋桨的性能指标，包括推力 (KT)、扭矩 (10KQ) 和效率 (?)，并将数值结果与实验数据进行比较。模拟结果与测量结果非常接近，最大误差仅为8%。对于较高的前进比，结果尤其出色，这表明LBM技术在高马赫数流中具有有效性。测量数据来自螺旋桨模型INSEAN E1619，INSEAN测试：2006年3月16日，由Andrea Mancini完成，归CNRI-INSEAN所有。

 

推力 (KT)、扭矩 (10KQ) 和效率 (?)，如 INSEAN 基准测试 (橙色) 中的测量值和 PowerFLOW (蓝色) 中的模拟值。

 

以下是来自PowerFLOW模拟的螺旋桨周围轴向速度场的视觉表示，捕捉到了一个瞬间的快照。这个详细的可视化展示了螺旋桨叶片生成的复杂流动结构，强调了需要像LBM这样的模拟方法来准确高效地模拟湍流流动和复杂几何结构。

 

 

螺旋桨模型截面轴向速度的快照。

 

迈向全集成的仿真过程，从建模到制造

设计并未结束。工程师可以考虑其他几个方面。借助MODSIM流程，所有的模拟技术都可以在一个工作流程中使用，并且螺旋桨可以与设计的各个方面进行集成，例如船体和传动装置，以进行进一步分析。需要考虑的事项包括：

 

噪音

螺旋桨是大多数船只产生噪音的主要来源。螺旋桨噪音一直是一个重要的考虑因素，特别是在可检测性和被动声呐方面，但现在还有越来越大的压力需要?；ひ吧铩４徊脑胍粼谒写ナ⒗?，不仅会惊扰野生动物，甚至会杀死它们。一个潜在的下一步是进行声学分析，以模拟和减轻由螺旋桨的空化或近尾流波动引起的噪音污染。

 

螺旋桨不是单独存在的——它是大型船只的一个组成部分。螺旋桨需要在船只船体的兴波中高效运行。MODSIM工作流程有助于在真实的海洋条件下计算螺旋桨的性能，而不仅仅是测试环境中。该模拟可以包括整个船只及其兴波，帮助确定所谓的自推进点，即船只的阻力等于螺旋桨的前进推力的点。

 

耐久性和空化

螺旋桨需要在推动数千吨的物体通过水体时持续使用数年。耐久性是一个重要的问题——螺旋桨损坏会降低其性能并增加船舶的燃料消耗，而在服务中断裂将使运营中断数周或数月。疲劳仿真模型在极短的时间内模拟了螺旋桨在数年服务中的性能，使工程师能够预测螺旋桨在整个使用寿命中的抗疲劳能力。

 

一个特别的关注点是空化：快速旋转的螺旋桨会产生气泡，这些气泡会崩溃并产生冲击波。这些冲击波会损坏螺旋桨表面，留下增加阻力的凹痕，并可能导致裂缝。模拟可以捕捉到空化效应，使工程师能够优化螺旋桨几何形状以减少这些效应。

 

可制造性

除非设计能够被制造出来，否则它是没有用的。工程师需要确保制造过程不会在螺旋桨中引入弱点，这可能导致过早失效。仿真可以模拟制造过程和制造出的螺旋桨。一个特别关注的领域是增材制造（“3D打印”），它可以使新的螺旋桨设计得以实现，但需要对制造过程进行仔细分析。

 

结论

仿真使海洋工程师能够设计更安静和更高效的螺旋桨。PowerFLOW非常适合螺旋桨仿真挑战，使用格子玻尔兹曼方法准确高效地建模螺旋桨周围的流体流动，包括空化效应和声波传播。PowerFLOW的准确性已经通过已建立的基准测试验证，显示与测量结果的密切一致。仿真可以通过统一建模和仿真（MODSIM）方法纳入设计流程中。SIMULIA PowerFLOW与诸如CATIA和其他SIMULIA仿真工具集成于3DEXPERIENCE平台。