螺旋槳工程決定了船舶、潛艇和其他船只的性能和水動效率。工程師不僅需要理解螺旋槳產(chǎn)生的推力和阻力，還需要了解空化和尾流噪聲等效應(yīng)。傳統(tǒng)上，這只能在水洞測試和海上試驗后通過建造原型來測量。優(yōu)化性能和解決問題是需要多次原型迭代，導(dǎo)致成本增加和開發(fā)時間延長。仿真提供了一種替代方案，使工程師能夠在真實螺旋槳的虛擬副本上分析和優(yōu)化性能，而無需物理原型。

 

 

 

為什么模擬螺旋槳？

螺旋槳是將發(fā)動機的動力轉(zhuǎn)化為水動力的關(guān)鍵部件。即使微小的優(yōu)化也能對整個船只的性能以及其將燃料能量轉(zhuǎn)化為推力的效率產(chǎn)生巨大影響。

 

螺旋槳必須承受巨大的力量，因為它推動數(shù)千噸的船只在水中前進，通常還要逆著波浪行駛。螺旋槳必須足夠堅固以承受這些力量，特別是它必須能夠承受由空化引起的損壞，因為葉片的快速運動會產(chǎn)生氣泡，這些氣泡會崩潰并產(chǎn)生強大的沖擊波。

 

螺旋槳也會產(chǎn)生極高的噪音水平 – 最大的船只在水中可以產(chǎn)生200分貝的噪音，螺旋槳是主要的噪音來源 – 這不僅影響船只的可檢測性，還會造成噪音污染并傷害或殺死海洋生物。

應(yīng)對螺旋槳工程挑戰(zhàn)需要設(shè)計師能夠分析和理解他們的設(shè)計。傳統(tǒng)上，這是通過在水道中使用物理原型或安裝在船只上來完成的。建造物理原型需要時間和金錢，并且每次設(shè)計迭代都需要一個新的原型。

 

模擬允許工程師在構(gòu)建物理原型之前分析設(shè)計性能。這使得設(shè)計迭代更快，減少了原型制作，加速了設(shè)計過程。如果發(fā)現(xiàn)任何問題，可以研究設(shè)計變更并優(yōu)化幾何形狀。

 

SIMULIA PowerFLOW非常適合螺旋槳模擬的挑戰(zhàn)。它使用了格子玻爾茲曼方法（LBM），這是一種強大的模擬技術(shù)，可以處理復(fù)雜的幾何形狀——例如，安裝在完整船只上的詳細(xì)螺旋槳——以及真實的湍流。PowerFLOW使用了一個完全可壓縮的、本質(zhì)上是瞬態(tài)的求解器，這意味著不需要額外的“聲學(xué)模型”或額外的第三方工具。物理模型是通用的，并且已經(jīng)針對廣泛的工業(yè)應(yīng)用進行了廣泛驗證。PowerFLOW既可以在CPU上運行，也可以在GPU上運行，允許在選擇的硬件方面具有靈活性。

 

鑒于近場和遠(yuǎn)場尾流區(qū)域的顯著特征，將問題拆分為兩個模擬更為高效。這種方法可以為每個區(qū)域使用最合適的模擬方法。PowerFLOW中實施的新型瞬態(tài)邊界種子技術(shù)可以高效地劃分模擬域，減少總體計算時間，同時不犧牲準(zhǔn)確性。這可以允許模擬非常大的域，這對于下游尾流的跟蹤非常有用。

 

一個長時間的尾跡跟蹤模擬，代表了一個10米長的水池.

 

螺旋槳模擬

為了展示PowerFLOW的螺旋槳仿真，我們將使用由INSEAN開發(fā)的INSEAN E1619螺旋槳，這是一款七葉片的通用潛艇螺旋槳。其水動力性能以及尾流行為在開放水域測試中分別通過力平衡系統(tǒng)和激光多普勒測速技術(shù)進行實驗分析。下表提供了螺旋槳的主要參數(shù)。

 

 

 

 

INSEAN E1619螺旋槳的正視圖和側(cè)視圖.

 

第一步是建模螺旋槳。為此，我們在3DEXPERIENCE平臺上使用了CATIA。CATIA在工業(yè)中廣泛用于設(shè)計和建模復(fù)雜的產(chǎn)物和系統(tǒng)，并通過統(tǒng)一建模和仿真（MODSIM）與SIMULIA產(chǎn)品集成。借助MODSIM，設(shè)計幾何體可以直接轉(zhuǎn)換為仿真模型，保持模型與仿真之間的可追溯性和關(guān)聯(lián)性。這確保了任何設(shè)計變更都會自動反映在模型中，仿真結(jié)果中的特征可以追溯到原始設(shè)計。

 

在PowerFLOW中，模擬設(shè)置盡可能接近真實的水箱測試。這包括準(zhǔn)確建模水箱的幾何形狀和尺寸、入口速度和壓力條件、壁面邊界條件以及靜水壓力出口條件。螺旋槳使用局部旋轉(zhuǎn)框架（LRF）內(nèi)的移動網(wǎng)格方法進行模擬，使實際幾何體在軸對稱域內(nèi)物理旋轉(zhuǎn)。這使得能夠準(zhǔn)確捕捉葉片與周圍流體之間的非穩(wěn)態(tài)相互作用，以及真實的尾流傳播。操作條件有所不同，入口速度從3 m/s到9.25 m/s不等。結(jié)果在兩圈內(nèi)平均。此工作流程的模擬時間與非穩(wěn)態(tài)RANS模擬相當(dāng)。同時保持對性能參數(shù)相同的準(zhǔn)確性。

 

驗證與測量

圖2展示了螺旋槳的性能指標(biāo)，包括推力 (KT)、扭矩 (10KQ) 和效率 (?)，并將數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較。模擬結(jié)果與測量結(jié)果非常接近，最大誤差僅為8%。對于較高的前進比，結(jié)果尤其出色，這表明LBM技術(shù)在高馬赫數(shù)流中具有有效性。測量數(shù)據(jù)來自螺旋槳模型INSEAN E1619，INSEAN測試：2006年3月16日，由Andrea Mancini完成，歸CNRI-INSEAN所有。

 

推力 (KT)、扭矩 (10KQ) 和效率 (?)，如 INSEAN 基準(zhǔn)測試 (橙色) 中的測量值和 PowerFLOW (藍(lán)色) 中的模擬值。

 

以下是來自PowerFLOW模擬的螺旋槳周圍軸向速度場的視覺表示，捕捉到了一個瞬間的快照。這個詳細(xì)的可視化展示了螺旋槳葉片生成的復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)，強調(diào)了需要像LBM這樣的模擬方法來準(zhǔn)確高效地模擬湍流流動和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。

 

 

螺旋槳模型截面軸向速度的快照。

 

邁向全集成的仿真過程，從建模到制造

設(shè)計并未結(jié)束。工程師可以考慮其他幾個方面。借助MODSIM流程，所有的模擬技術(shù)都可以在一個工作流程中使用，并且螺旋槳可以與設(shè)計的各個方面進行集成，例如船體和傳動裝置，以進行進一步分析。需要考慮的事項包括：

 

噪音

螺旋槳是大多數(shù)船只產(chǎn)生噪音的主要來源。螺旋槳噪音一直是一個重要的考慮因素，特別是在可檢測性和被動聲吶方面，但現(xiàn)在還有越來越大的壓力需要保護野生動物。船只產(chǎn)生的噪音在水中傳播數(shù)英里，不僅會驚擾野生動物，甚至?xí)⑺浪鼈?。一個潛在的下一步是進行聲學(xué)分析，以模擬和減輕由螺旋槳的空化或近尾流波動引起的噪音污染。

 

螺旋槳不是單獨存在的——它是大型船只的一個組成部分。螺旋槳需要在船只船體的興波中高效運行。MODSIM工作流程有助于在真實的海洋條件下計算螺旋槳的性能，而不僅僅是測試環(huán)境中。該模擬可以包括整個船只及其興波，幫助確定所謂的自推進點，即船只的阻力等于螺旋槳的前進推力的點。

 

耐久性和空化

螺旋槳需要在推動數(shù)千噸的物體通過水體時持續(xù)使用數(shù)年。耐久性是一個重要的問題——螺旋槳損壞會降低其性能并增加船舶的燃料消耗，而在服務(wù)中斷裂將使運營中斷數(shù)周或數(shù)月。疲勞仿真模型在極短的時間內(nèi)模擬了螺旋槳在數(shù)年服務(wù)中的性能，使工程師能夠預(yù)測螺旋槳在整個使用壽命中的抗疲勞能力。

 

一個特別的關(guān)注點是空化：快速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會產(chǎn)生氣泡，這些氣泡會崩潰并產(chǎn)生沖擊波。這些沖擊波會損壞螺旋槳表面，留下增加阻力的凹痕，并可能導(dǎo)致裂縫。模擬可以捕捉到空化效應(yīng)，使工程師能夠優(yōu)化螺旋槳幾何形狀以減少這些效應(yīng)。

 

可制造性

除非設(shè)計能夠被制造出來，否則它是沒有用的。工程師需要確保制造過程不會在螺旋槳中引入弱點，這可能導(dǎo)致過早失效。仿真可以模擬制造過程和制造出的螺旋槳。一個特別關(guān)注的領(lǐng)域是增材制造（“3D打印”），它可以使新的螺旋槳設(shè)計得以實現(xiàn)，但需要對制造過程進行仔細(xì)分析。

 

結(jié)論

仿真使海洋工程師能夠設(shè)計更安靜和更高效的螺旋槳。PowerFLOW非常適合螺旋槳仿真挑戰(zhàn)，使用格子玻爾茲曼方法準(zhǔn)確高效地建模螺旋槳周圍的流體流動，包括空化效應(yīng)和聲波傳播。PowerFLOW的準(zhǔn)確性已經(jīng)通過已建立的基準(zhǔn)測試驗證，顯示與測量結(jié)果的密切一致。仿真可以通過統(tǒng)一建模和仿真（MODSIM）方法納入設(shè)計流程中。SIMULIA PowerFLOW與諸如CATIA和其他SIMULIA仿真工具集成于3DEXPERIENCE平臺。