CN113779695B - 一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于螺旋桨性能计算相关技术领域，其公开了一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用，方法包括：建立螺旋桨三维敞水模型，并沿螺旋桨径向方向划分成多个同心圆环；采用粘流性方法获得各圆环处的升力系数和阻力系数，并获得螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型，获得螺旋桨的体积力源项；将螺旋桨三维叶片网格化，并将每一网格映射至螺旋桨叶片的二维翼型上，若网格在二维翼型上则网格被视为离散体；将体积力源项分布至非定常特征的离散体上，获得螺旋桨转动引起的总推力和总扭矩。本申请通过构建考虑螺旋桨复杂三维流场的螺旋桨力学性能与螺旋将性能参数的关系模型，可以快速准确的预测螺旋桨的推力性能。

Description

一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用
技术领域
本发明属于螺旋桨性能计算相关技术领域，更具体地，涉及一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用。
背景技术
在船舶设计阶段预先了解各种类型船舶的航行性能至关重要，而推进器作为船舶航行动力的核心与船舶的快速性、经济性和安全性等性能息息相关。螺旋桨是目前应用最为广泛的一种推进器，与船体构成一个完整的***，桨与船体的相互作用对船舶航行性能有着多方面的影响。船桨干扰会产生复杂的非定常粘性流场，主要采用模型试验和CFD方法进行研究。CFD计算中，螺旋桨的建模、网格以及其对空间连续性的严格要求使得其计算成本高昂，计算耗时较长。采用体积力方法可以大大减少计算成本，缩短计算时间，但会导致预报结果精度不足，而且现行的体积力方法都是一种平均的概念，无法考虑螺旋桨的非稳态流场特征。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用，通过构建考虑螺旋桨复杂三维流场的螺旋桨力学性能与螺旋将性能参数的关系模型，可以快速准确的预测螺旋桨的推力性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种螺旋桨推进性能获取方法，所述方法包括：S1，建立螺旋桨三维敞水模型，并沿螺旋桨径向方向划分成多个同心圆环；S2，采用粘流性方法获得各圆环处的升力系数和阻力系数，并根据多元回归拟合方程获得螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型，将所述关系模型代入叶元动力方程获得螺旋桨的体积力源项；S3，将螺旋桨三维叶片网格化，并将每一网格映射至螺旋桨叶片的二维翼型上，若所述网格在所述二维翼型上则所述网格被视为离散体；S4，重复执行步骤S2和S3将形状随时间变化的离散体视为非定常特征的离散体，将所述体积力源项分布至所述非定常特征的离散体上，获得螺旋桨转动引起的总推力和总扭矩。
优选地，步骤S2中螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型为：
螺旋桨沿半径方向升力系数CL与螺旋桨攻角α之间的关系模型为：
CL＝kαsinα+Cα
螺旋桨沿半径方向阻力系数CD与升力系数CL之间的关系模型为：
其中：
其中，kα为攻角系数；Cα为零攻角升力系数；k1为升阻特性系数；k2为最小阻力系数；kij为多元回归拟合系数，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4；cr＝c/r；c为弦长，r为剖面相对半径。
优选地，所述将每一网格映射至螺旋将叶片的二维翼型上具体为：
通过螺旋桨三维叶片网格的坐标反求出二维坐标，判断所述二维坐标是否在所述螺旋桨叶片的二维翼型上，若所述二维坐标在所述螺旋桨叶片的二维翼型上则所述网格被视为离散体。
优选地，所述螺旋桨三维叶片网格的坐标与二维坐标的对应关系式为：
其中，(xp,yp,zp)为述螺旋桨三维叶片网格的坐标，(xc,yu,l)为二维坐标，c为弦长，r为剖面相对半径，θnt为螺距角，iG为纵倾值，θs为侧斜角。
优选地，步骤S4中采用叶元动量方法获得所述螺旋将转动引起的总推力和总扭矩。
优选地，所述总推力T和总扭矩Q的关系式为：
其中，RH为螺旋桨桨毂半径，R为螺旋桨几何半径，fbx和fbθ为单位叶截面上产生的轴向力和周向力， fi和fv为叶截面的升力和阻力，/>N为螺旋桨叶片的数量，Δx为体积力点上轴向网格间距，r为剖面相对半径，θ为积分角度，ρ为水的密度，c为叶截面的弦长，Ur为CFD计算中的合速度，CL为升力系数，CD为阻力系数，βi为水动力螺距角。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的螺旋桨推进性能获取方法的应用，所述方法应用于船舶的推进性能计算过程中。
优选地于，采用粘性流方法计算船体周围流场，将所述流场与所述螺旋桨的总推力和总扭矩进行耦合获得所述船舶的推进性能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种螺旋桨推进性能获取方法及其应用具有如下有益效果：
1.通过径向分割而后进行回归拟合的方式获得螺旋桨的体积力，考虑了不同半径位置处不同的体积力，相较于现有技术中的平均算法该方法计算精准。
2.通过步骤S2和S3的迭代过程可以很多的模拟实际中螺旋桨的转动，可以获得变动的非定常特征的离散体，该新型非稳态离散体方法可以更好地模拟螺旋桨的非定常特征，与实际情况更加符合，其考虑了螺旋桨复杂的三维流场，得到的离散体更加符合实际，计算更加精准。
3.通过螺旋桨三维叶片网格的坐标反求出二维坐标可以快速获得离散体，计算速度更加迅速，显著缩短了计算时间。
4.通过螺旋桨力学特征数学模型的构建和螺旋桨几何特征的快速提取方法，弥补现有数值推进模型的不足，考虑螺旋桨复杂的三维流场，提高快速预报方法的精度，帮助船桨之间的相互作用的快速研究，在船型的优化设计、新船型开发和船舶航行性能改善等方面将起到重要的作用，具有一定的理论意义和工程实践价值。
附图说明
图1是本实施例螺旋桨推进性能获取方法的步骤图；
图2A是本实施例螺旋桨沿半径方向划分成若干份后的几何示意图；
图2B是本实施例螺旋桨沿半径方向划分成若干份后的流场示意图；
图3是本实施例离散体求解示意图；
图4是本实施例的体积力示意图；
图5A是本实施例螺旋桨推进性能获取方法获取的稳态离散体的工作状态图；
图5B是本实施例螺旋桨推进性能获取方法获取的非稳态离散体的工作状态图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种螺旋桨推进性能获取方法，所述方法包括以下步骤S1～S4。
S1，建立螺旋桨三维敞水模型，并沿螺旋桨径向方向划分成多个同心圆环。
将螺旋桨的三维敞水模型沿半径方向划分成若干份，本实施例中，如图2A和图2B所示，将其划分成10等份。
S2，采用粘流性方法获得各圆环处的升力系数和阻力系数，并根据多元回归拟合方程获得螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型，将所述关系模型代入叶元动力方程获得螺旋桨的体积力源项。
各圆环处的升力系数和阻力系数可以通过粘流性方法很容易获得，求取得到每一份上的升力系数和阻力系数作为该半径处的升力系数和阻力系数，可以采用多元回归拟合方程拟合出每一份上的升力系数和阻力系数与半径和攻角的关系式，进而获得螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型：
螺旋桨沿半径方向升力系数CL与螺旋桨攻角α之间的关系模型为：
CL＝kα sinα+Cα
螺旋桨沿半径方向阻力系数CD与升力系数CL之间的关系模型为：
其中：
其中，kα为攻角系数；Cα为零攻角升力系数；k1为升阻特性系数；k2为最小阻力系数；kij为多元回归拟合系数，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4；cr＝c/r；c为弦长，r为剖面相对半径。
S3，将螺旋桨三维叶片网格化，并将每一网格映射至螺旋桨叶片的二维翼型上，若所述网格在所述二维翼型上则所述网格被视为离散体。
螺旋桨叶片的二维翼型一般是在构建螺旋桨三维模型时建立。通过螺旋桨三维叶片网格的坐标反求出二维坐标，判断所述二维坐标是否在所述螺旋桨叶片的二维翼型上，如图3所示，若所述二维坐标在所述螺旋桨叶片的二维翼型上则所述网格被视为离散体，从而确定该高精度体积力推进模型的离散体。
所述螺旋桨三维叶片网格的坐标与二维坐标的对应关系式为：
其中，(xp,yp,zp)为述螺旋桨三维叶片网格的坐标，(xc,yu,l)为二维坐标，c为弦长，r为剖面相对半径，θnt为螺距角，iG为纵倾值，θs为侧斜角。
S4，重复执行步骤S2和S3将形状随时间变化的离散体视为非定常特征的离散体，将所述体积力源项分布至所述非定常特征的离散体上，获得螺旋桨转动引起的总推力和总扭矩。
本实施例优选采用叶元动量方法获得所述螺旋将转动引起的总推力和总扭矩。
所述总推力T和总扭矩Q的关系式为：
其中，RH为螺旋桨桨毂半径，R为螺旋桨几何半径，fbx和fbθ为单位叶截面上产生的轴向力和周向力， fi和fv为叶截面的升力和阻力，/>N为螺旋桨叶片的数量，Δx为体积力点上轴向网格间距，r为剖面相对半径，θ为积分角度，ρ为水的密度，c为叶截面的弦长，Ur为CFD计算中的合速度，CL为升力系数，CD为阻力系数，βi为水动力螺距角。
本申请另一方面提供一种上述螺旋桨推进性能获取方法的应用，所述方法应用于船舶的推进性能计算过程中。
进一步优选的，采用粘性流方法计算船体周围流场，将所述流场与所述螺旋桨的总推力和总扭矩进行耦合获得所述船舶的推进性能。
船体运动可以被视为刚体运动，船后附加的高精度体积力的加速过程则用于计算各种水动力因子。高精度体积力在每一步计算总推力和总扭矩时，不断从虚拟螺旋桨部分网格中读取该时刻的瞬时速度，再将更新后的瞬时速度代入上式中，最终求解出该时刻的总推力和总扭矩，在船后形成一个合力为T，扭矩为Q的圆柱区域，如图4所示。船体周围的流场计算采用粘性流理论，而体积力部分的虚拟螺旋桨的计算采用上述势流理论中的升力线理论。新型非稳态离散体方法可以更好地模拟螺旋桨的非定常特征，考虑螺旋桨复杂的三维流场，如图5A和图5B所示。
综上所述，本申请通过螺旋桨力学特征数学模型的构建和螺旋桨几何特征的快速提取方法，弥补现有数值推进模型的不足，考虑螺旋桨复杂的三维流场，提高快速预报方法的精度，帮助船桨之间的相互作用的快速研究，在船型的优化设计、新船型开发和船舶航行性能改善等方面将起到重要的作用，具有一定的理论意义和工程实践价值。充分利用现代高速发展的计算机仿真分析技术，建立以仿真分析为基础的舰艇设计、航行性能高精度快速预报和评估方法，为进一步提高新一代水面舰艇的航行性能提供坚实的理论基础和技术支撑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种螺旋桨推进性能获取方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，建立螺旋桨三维敞水模型，并沿螺旋桨径向方向划分成多个同心圆环；
S2，采用粘流性方法获得各圆环处的升力系数和阻力系数，并根据多元回归拟合方程获得螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型，将所述关系模型代入叶元动力方程获得螺旋桨的体积力源项；
S3，将螺旋桨三维叶片网格化，并将每一网格映射至螺旋桨叶片的二维翼型上，若所述网格在所述二维翼型上则所述网格被视为离散体；
所述将每一网格映射至螺旋将叶片的二维翼型上具体为：
通过螺旋桨三维叶片网格的坐标反求出二维坐标，判断所述二维坐标是否在所述螺旋桨叶片的二维翼型上，若所述二维坐标在所述螺旋桨叶片的二维翼型上则所述网格被视为离散体；
所述螺旋桨三维叶片网格的坐标与二维坐标的对应关系式为：
其中，(xp,yp,zp)为述螺旋桨三维叶片网格的坐标，(xc,yu,l)为二维坐标，c为弦长，r为剖面相对半径，θnt为螺距角，iG为纵倾值，θs为侧斜角；
S4，重复执行步骤S2和S3将形状随时间变化的离散体视为非定常特征的离散体，将所述体积力源项分布至所述非定常特征的离散体上，获得螺旋桨转动引起的总推力和总扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中螺旋桨沿半径方向升力系数和阻力系数与螺旋桨性能参数的关系模型为：
螺旋桨沿半径方向升力系数CL与螺旋桨攻角α之间的关系模型为：
CL＝kαsinα+Cα
螺旋桨沿半径方向阻力系数CD与升力系数CL之间的关系模型为：
其中：
其中，kα为攻角系数；Cα为零攻角升力系数；k1为升阻特性系数；k2为最小阻力系数；kij为多元回归拟合系数，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4；cr＝c/r；c为弦长，r为剖面相对半径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中采用叶元动量方法获得所述螺旋将转动引起的总推力和总扭矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总推力T和总扭矩Q的关系式为：
其中，RH为螺旋桨桨毂半径，R为螺旋桨几何半径，fbx和fbθ为单位叶截面上产生的轴向力和周向力， fi和fv为叶截面的升力和阻力，/>N为螺旋桨叶片的数量，Dx为体积力点上轴向网格间距，r为剖面相对半径，θ为积分角度，ρ为水的密度，c为叶截面的弦长，Ur为CFD计算中的合速度，CL为升力系数，CD为阻力系数，βi为水动力螺距角。
5.一种权利要求1～4任意一项所述的螺旋桨推进性能获取方法的应用，其特征在于，所述方法应用于船舶的推进性能计算过程中。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，采用粘性流方法计算船体周围流场，将所述流场与所述螺旋桨的总推力和总扭矩进行耦合获得所述船舶的推进性能。
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