螺旋槳敞水性能數(shù)值仿真與分析

張大朋，嚴 謹，趙博文，朱克強，侯 玲

（1.廣東海洋大學 船舶與海運學院，廣東湛江 524005；2.浙江大學 海洋學院，浙江舟山 316021；3.寧波大學 海運學院，浙江寧波 315211）

0 引言

螺旋槳是船舶的推進裝置，其敞水性能對于船舶的快速性極為重要。螺旋槳模型的敞水試驗不僅能測定和分析螺旋槳的性能，還可配合自航試驗對推進效率的成分進行分析。因此，研究螺旋槳的敞水性能非常重要。由于水池實驗較為繁瑣，若能對螺旋槳進行仿真建模，不僅能大大節(jié)省時間，還可提高經(jīng)濟性能、縮短研制周期。本文以KP505型螺旋槳為計算模型，將計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法與移動參考系法和滑移網(wǎng)格法相結(jié)合，建立螺旋槳模型并對其敞水性能和流場特性進行仿真計算和分析。

1 基本方法

目前，處理螺旋槳旋轉(zhuǎn)問題的常用方法包括移動參考系法和滑移網(wǎng)格法，下面分別對這兩種方法進行簡單介紹。

1.1 移動參考系法

移動參考系法，又稱多重參考系（Multi Reference Framework，MRF）法，該方法適用于網(wǎng)格區(qū)域邊界上各點的相對運動基本相同的問題。MRF法中的網(wǎng)格運動是相對于指定參考系定義的，該坐標系可相對于基準坐標系（固定坐標系）靜止、旋轉(zhuǎn)或平移。考慮恒定速度旋轉(zhuǎn)和平移的單一移動參考系見圖1。

圖1 單一移動參考系示意圖

P點相對于移動參考系的速度（相對速度）可表達為

式中：為絕對速度，即P點相對固定參考系的速度；為移動參考系的平移速度，即移動參考系的原點相對于固定參考系的速度；為移動參考系相對于固定參考系的角速度；為P點相對于移動參考系的位置矢量。

多重參考系示意圖見圖2。

圖2 多重參考系示意圖

P點相對于子參考系的速度可表達為

式中：為父參考系相對固定參考系的速度，計算公式見式（3）；為子參考系相對父參考系的速度，計算公式見式（4）。

式（3）和式（4）中：為父參考系的平移速度；為父參考系相對于固定參考系的角速度；為P點相對于父參考系的位置矢量；為子參考系相對于父參考系的角速度；為P點相對于子參考系的位置矢量。

在使用MRF法進行計算時，整個計算域被分成多個小的子域。每個子域有自己的運動方式。在每個子域內(nèi)求解流場控制方程，通過將相對速度換算成絕對速度的方式在子域的交界面上進行流場信息交換。

在進行螺旋槳的敞水性能預(yù)報之前，需在計算域中劃分一個能夠包絡(luò)整個螺旋槳槳葉與槳轂的圓柱形子區(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)建立與螺旋槳轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完全一致的旋轉(zhuǎn)參考系。在旋轉(zhuǎn)參考系內(nèi)，螺旋槳的動態(tài)旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)化為靜態(tài)問題進行計算分析。由于旋轉(zhuǎn)參考系的引入，固定參考系下的納維-斯托克斯方程（N-S方程）無法在旋轉(zhuǎn)參考系中直接使用。因此，必須建立2種參考系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。與固定參考系相比，旋轉(zhuǎn)參考系下的N-S方程多出了角速度項，可表示為

式中：為速度矢量；為旋轉(zhuǎn)參考系相對固定參考系的角速度；為旋轉(zhuǎn)參考系的位置矢量；為流體密度；為壓力；為動力黏滯系數(shù)；為時間。

大多數(shù)時均流動都可使用MRF法進行計算。對于運動網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱的時均流動（攪拌器、泵、風機內(nèi)流場等），MRF法可進行定常計算。此外，MRF法還可為滑移網(wǎng)格法的計算提供初始流場，即先用MRF法粗略算出初始流場，再用滑移網(wǎng)格法完成整個計算。

1.2 滑移網(wǎng)格法

滑移網(wǎng)格法，又稱為剛體運動法（Rigid Body Motion，RBM），是一種瞬態(tài)計算方法，可用于求解非定常流場?；凭W(wǎng)格法將幾何模型網(wǎng)格劃分為幾個子區(qū)域，并將運動區(qū)域與靜止區(qū)域的分界面設(shè)為2層交界面，分別求解各個節(jié)點，最后形成新的交界面。不同于其他動網(wǎng)格方法，滑移網(wǎng)格法只需交界面兩側(cè)的網(wǎng)格相互滑動、兩側(cè)通量保持一致，而不要求交界面兩側(cè)的網(wǎng)格節(jié)點相互重合。對于任意控制體，通量的積分形式守恒方程可表示為

式中：為流動速度；為網(wǎng)格速度；為表面積；為擴散系數(shù)；為源項，用于描述控制體邊界。

滑移網(wǎng)格法對區(qū)域運動的描述是相對于固定參考系的，計算域未附加運動參考系，控制體的體積導數(shù)始終為0。

靜止網(wǎng)格與滑移網(wǎng)格間數(shù)據(jù)傳遞的過程見圖 3。單元1和單元2構(gòu)成交界區(qū)域1，單元3和單元4構(gòu)成交界區(qū)域2，交界區(qū)域1和交界區(qū)域2的交界面可分為b-c、c-d和d-e 3個部分。若要計算單元4的通量，則在計算過程中使用c-d和d-e來替代E-F，這樣就能將流場信息通過單元1和單元2引入單元4中。

圖3 靜止網(wǎng)格與滑移網(wǎng)格間數(shù)據(jù)傳遞過程

滑移網(wǎng)格法雖然可以進行非定常計算，但其本質(zhì)上仍是一種簡化方法，該方法計算的區(qū)域運動是指獨立區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格一起運動，并非真正意義上的網(wǎng)格運動。此外，滑移網(wǎng)格法不涉及網(wǎng)格的變形和重生，但會涉及交界面的數(shù)據(jù)傳遞。因此，滑移網(wǎng)格法的最大計算誤差會出現(xiàn)在交界面位置，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)注意交界面的網(wǎng)格密度以及不同區(qū)域間的網(wǎng)格過渡。

對于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)問題，MRF法和滑移網(wǎng)格法均能得到較為精準的計算結(jié)果，本文對比分析2種方法的計算結(jié)果，以便為螺旋槳的設(shè)計提供參考。

2 螺旋槳計算模型

2.1 模型介紹

KP505型螺旋槳幾何外形和三維模型分別見圖4和圖5，幾何主尺度見表1。

表1 KP505型螺旋槳幾何主尺度

圖4 KP505型螺旋槳幾何外形

圖5 KP505型螺旋槳三維模型

2.2 坐標系

本算例采用以大地為參考的固定參考系，原點位于槳轂中心，軸以指向槳壓力面為正向。

2.3 計算域建立與網(wǎng)格劃分

螺旋槳的計算模型包括2個計算域：1）包絡(luò)整個螺旋槳的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，該區(qū)域跟隨螺旋槳一起做旋轉(zhuǎn)運動；2）除旋轉(zhuǎn)區(qū)域外的靜止區(qū)域。2個區(qū)域間通過交界面?zhèn)鬟f流場信息。

為消除交界面對旋轉(zhuǎn)區(qū)域的影響，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界不應(yīng)距離螺旋槳過近。一般情況下，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的半徑選取為1.25～1.50（為螺旋槳直徑）。旋轉(zhuǎn)區(qū)域的上游到螺旋槳壓力面的距離為 0.3～0.4，下游到螺旋槳吸力面的距離為 1～2。為更好地捕捉螺旋槳的渦結(jié)構(gòu)，下游到螺旋槳吸力面的距離可根據(jù)實際情況適當增大。

為降低遠場邊界條件的影響，靜止區(qū)域應(yīng)設(shè)置得盡可能大一些。通常情況下，靜止區(qū)域的上游到螺旋槳壓力面的距離為 3～5，下游到螺旋槳吸力面的距離為 10～15，靜止區(qū)域側(cè)面到槳中心的距離為3～5。

旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多面體網(wǎng)格，靜止區(qū)域采用切割體網(wǎng)格。除全局應(yīng)用的網(wǎng)格設(shè)置外，還應(yīng)該在邊界面和旋轉(zhuǎn)區(qū)域周圍進行局部網(wǎng)格細化，以保證旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域之間網(wǎng)格的過渡光順。仿真結(jié)果的準確性很大程度上取決于網(wǎng)格對螺旋槳周圍流場特征的捕捉能力。因此，需要對螺旋槳附近的網(wǎng)格進行加密。此外，為更好地捕捉梢渦和轂渦，也應(yīng)該對相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格進行加密。螺旋槳的導邊和隨邊也需要一定程度的加密，在加密之前需要先在幾何處理階段生成導邊和隨邊的特征線。最終生成的旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量約548萬個，靜止區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量約62萬個，總計約610萬個。

MRF法屬于定常計算，不涉及時間步長的選擇。在停止標準中指定最大步數(shù)為10 000，在0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)設(shè)置10個進速，每個進速迭代1 000步以保證收斂。

滑移網(wǎng)格法屬于非定常計算，對于高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的螺旋槳計算問題，需保證在每個時間步內(nèi)槳葉旋轉(zhuǎn)1°或2°。本算例中螺旋槳的轉(zhuǎn)速為9.5 rad/s，屬于中低轉(zhuǎn)速，對時間步長的要求并不嚴格。綜合考慮計算時間和收斂性，設(shè)定時間步長為0.01 s，最大時間為20 s，內(nèi)部最大迭代次數(shù)為5次。

螺旋槳水動力性能有2種測定方法：1）保持螺旋槳模型的轉(zhuǎn)速不變，測量不同進速情況下的水動力性能；2）保持螺旋槳模型的進速不變，測量不同轉(zhuǎn)速情況下的水動力性能。本文采用第二種方法，在入口處設(shè)置不同的進速。在仿真模型中，利用進速系數(shù)來表征進速的大小，其表達式為

式中：為進速；為轉(zhuǎn)速。

本算例中的起始值為0.1，每迭代1 001次增加0.1。對任意值，迭代1 000次足以收斂。

3 后處理和數(shù)據(jù)分析

3.1 敞水性能曲線

螺旋槳敞水試驗的主要目的是測得推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和效率，計算公式分別為

式中：為推力；為扭矩；為水的密度。

KP505型螺旋槳的敞水特征曲線見圖6。同試驗值相比，MRF法和滑移網(wǎng)格法得到的敞水特征曲線均符合正常的曲線分布，這說明2種方法對螺旋槳敞水性能的預(yù)報結(jié)果是基本可靠的。MRF法計算得到的值和10值均低于滑移網(wǎng)格法，這是由于MRF的計算精度不如滑移網(wǎng)格法。MRF法是一種基于旋轉(zhuǎn)坐標系的定常計算方法，螺旋槳靜止不動，周圍流場運動；而滑移網(wǎng)格法是包括螺旋槳在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域一起運動，更能真實反映螺旋槳周圍的流場狀態(tài)。

圖6 KP505型螺旋槳的敞水特征曲線

值得注意的是，無論是MRF法還是滑移網(wǎng)格法，其敞水特性曲線均呈現(xiàn)出誤差隨進速系數(shù)增大而增大的特點，尤其是當＞0.8時，KP505型螺旋槳效率值的最大誤差超過了50%，分析此現(xiàn)象的原因非常重要。當進速較大時，湍流和渦的變化較為劇烈，此時計算精度對網(wǎng)格和湍流模型有更高的要求。本算例采用的SST-湍流模型不能精準捕捉高進速條件下槳葉前后細小的渦結(jié)構(gòu)，因此會造成一定程度上的偏差。部分文獻指出RNG-湍流模型對渦結(jié)構(gòu)的捕捉更為精準。但在大多數(shù)情況下，不同螺旋槳模型的雷諾數(shù)和邊界層均不相同，最有效的方法是對比所有湍流模型的計算結(jié)果，選取與試驗值誤差最小的湍流模型。若選用更加合適的網(wǎng)格尺寸和湍流模型，則會有效提高高進速條件下的預(yù)報精度，但這也會消耗更多的計算資源。此外，在高進速情況下，槳葉會發(fā)生形變，會產(chǎn)生空泡等現(xiàn)象，考慮到高進速條件下的推力和扭矩較小，故計算結(jié)果容易出現(xiàn)較大的誤差。

3.2 表面壓強分析

為深入探究進速系數(shù)對螺旋槳槳葉表面壓強及周圍流場的影響，本文對=0.6、0.7、0.8、0.9等4種工況進行計算。

圖7為不同工況下槳葉的表面壓強分布云圖，左側(cè)為葉面（壓力面），右側(cè)為葉背（吸力面）?？偟膩砜?，槳葉葉面的壓強均大于葉背的壓強，在壓力差的作用下，螺旋槳產(chǎn)生軸向推力，這與實際情況相符。對于葉面，壓強在槳葉先入水的導邊附近達到最大值，由導邊向隨邊逐漸減??；葉背與葉面的變化趨勢正好相反，壓強在導邊靠近葉梢的位置處達到最小值，由導邊向隨邊逐漸增加。其原因在于：來流在槳葉導邊附近速度梯度變化大，形成壓強峰值。隨后水流急速進入葉間通道，壓強隨之降低。從槳葉的徑向來看，葉面的壓強從葉根到葉梢先不斷增大，再逐漸減小，最后在葉梢處達到最小值。壓強的分布在徑向方向上呈現(xiàn)明顯的分層，葉面的高壓區(qū)集中在0.50～0.85（為螺旋槳半徑）。幾乎整個葉背均處于低壓區(qū)，只有導邊靠近槳轂的部分出現(xiàn)了較大的壓強。由于葉梢兩側(cè)和槳轂附近存在較大的壓力差，故易形成梢渦和轂渦。

圖7 槳葉表面壓強分布圖

續(xù)圖7 槳葉表面壓強分布圖

隨著進速系數(shù)逐漸增大，螺旋槳葉面的壓強整體呈減小趨勢，但壓力分布并未有明顯改變，這說明來流進速對螺旋槳葉面壓力分部沒有造成太大影響。然而，隨著進速系數(shù)逐漸增大，螺旋槳葉背的壓強分布出現(xiàn)顯著變化。當=0.6時，葉背的最小壓強出現(xiàn)在導邊靠近葉梢的位置，隨著逐漸增大，低壓區(qū)會在葉梢附近沿著最大厚度線向槳轂擴展，槳轂附近的低壓區(qū)不斷擴大，槳葉兩側(cè)的壓力差也越來越小。根據(jù)空泡理論和仿真結(jié)果，判斷葉背低壓區(qū)具備產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的條件。槳葉表面產(chǎn)生的空泡不僅會影響螺旋槳的水動力性能，使螺旋槳達不到預(yù)期的推動需求，還會造成槳葉表面的物理性破壞。

3.3 流場結(jié)構(gòu)分析

渦結(jié)構(gòu)是螺旋槳周圍流場的重要特征之一。目前主要有3種方法對螺旋槳的渦結(jié)構(gòu)進行定義和描述，分別是渦管法、Lambda2準則法和準則法。渦管法通過由速度張量計算得到漩渦中心位置的連線對渦結(jié)構(gòu)進行定義，見圖8。Lambda2準則法根據(jù)由速度梯度張量矩陣得到的+來定義漩渦，為應(yīng)變率張量（正應(yīng)力張量），為渦旋張量（切應(yīng)力張量），Lambda2準則法捕捉的渦結(jié)構(gòu)見圖9。準則法根據(jù)速度梯度張量的第二矩陣不變量來定義渦旋，一般為正值。的大小與螺旋槳的轉(zhuǎn)速相關(guān)，通常情況下轉(zhuǎn)速越高，越大。準則法捕捉的渦結(jié)構(gòu)見圖10。

圖8 渦管法定義的渦結(jié)構(gòu)

圖9 Lambda2準則法捕捉的渦結(jié)構(gòu)

圖10 Q準則法捕捉的渦結(jié)構(gòu)（Q=200）

由圖10可知，采用準則法可清晰捕捉螺旋槳葉梢處產(chǎn)生的梢渦和槳轂處產(chǎn)生的轂渦。梢渦呈螺線形，靠近葉梢部位的梢渦細小且尖銳，沿周向旋轉(zhuǎn)并逐漸變得粗大，在距葉梢最遠端達到最大。梢渦在5個槳葉的葉梢尖端均會脫離出一股截面比梢渦略小、螺距比梢渦略大的片狀尖渦，這說明螺旋槳的葉梢尖端對周圍流場的擾動作用十分復雜。隨著進速系數(shù)逐漸增大，片狀尖渦會逐漸向梢渦靠攏、交匯直至融合，葉梢尖端對周圍流場的擾動作用逐漸衰減。轂渦呈粗大的圓柱狀，轂渦周圍往往會伴隨槳轂邊緣線產(chǎn)生的渦。這種轂邊渦主要是由于水體和槳轂邊緣線之間的相對滑移作用而產(chǎn)生的。中進速下轂邊渦薄且細碎，高進速下呈現(xiàn)出一種圍繞在轂渦四周的規(guī)則螺線狀。除此之外，在遠離螺旋槳背流面的地方，轂渦直徑逐漸增大，隨后在某處發(fā)生斷裂式收縮。不同進速系數(shù)對應(yīng)的轂渦直徑發(fā)生斷裂式收縮的位置和程度也不一致，總的來看，進速系數(shù)越大，斷裂式收縮的位置距離螺旋槳背流面越遠，斷裂程度越低。值得注意的是，當=0.9時，轂渦末端不僅會出現(xiàn)細長的尖點，整個轂渦的直徑也大幅縮小，這說明隨著進速系數(shù)的提高，來流攻角降低，導致渦的強度和螺旋槳的載荷也隨之減小。相較其他3個工況，=0.9時只捕捉到了少量的渦結(jié)構(gòu)，梢渦細且轂渦有少量變形，這說明當進速較大時，湍流和渦的變化較為劇烈，此時計算精度對網(wǎng)格和湍流模型有更高的要求。

由圖10可知，各個工況下螺旋槳轂渦強度均高于梢渦。轂渦會增大螺旋槳尾流的能量損失，降低螺旋槳的整體效率，在高速旋轉(zhuǎn)的水流中極易發(fā)生轂渦空泡現(xiàn)象。目前，船舶設(shè)計師們研發(fā)出很多安裝在螺旋槳后方的水動力附加節(jié)能裝置以減小尾流旋轉(zhuǎn)動能的損失，進而提高推進效率。在槳轂帽處安裝與螺旋槳葉數(shù)相同的導流鰭可減小轂渦引起的誘導阻力。在螺旋槳后方安置一個外形與螺旋槳相似的自由葉輪，可將螺旋槳尾流能量轉(zhuǎn)換為推動自由葉輪旋轉(zhuǎn)的機械能。諸如此類的水動力節(jié)能裝置外形各異，原理相似，合理地使用節(jié)能裝置可在一定程度上提高螺旋槳的推進效率。

不同工況下中縱剖面的渦量圖見圖11。渦量是描述渦旋運動最重要的物理量之一，通常用來觀測螺旋槳尾跡的發(fā)展和變化。由圖11可知，各工況下葉梢后端均會出現(xiàn)大小不一的球狀小渦，渦量的大小隨著距離的增大而衰減，該現(xiàn)象是由于滑流區(qū)域中的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的。槳轂后的渦量呈現(xiàn)射流狀，其渦量的極大值發(fā)生在槳轂后方0.2～0.3處。隨著進速系數(shù)增大，槳轂后的渦量不僅會衰減，還會逐漸脫離槳轂，在槳轂后方出現(xiàn)極小值。

圖11 中縱剖面渦量云圖

不同工況下中縱剖面處的速度場見圖12。由于整個螺旋槳最先接觸水流的是槳轂，因此在槳轂前端會產(chǎn)生一個封閉的低速區(qū)域。隨后螺旋槳的轉(zhuǎn)動會對槳盤外的水流產(chǎn)生較大的抽吸作用，這會使水流加速進入螺旋槳槳盤，并不斷向螺旋槳后方擴散，這種擴散作用將會隨著槳后距離的增大而衰減。由圖12可知，當=0.6時，槳葉梢的尖端處會產(chǎn)生一個極小的球狀低速區(qū)域，隨著進速系數(shù)逐漸增大，該球狀低速區(qū)會逐漸與葉面后的羽狀速度場融合，直至完全消散。槳轂后端會產(chǎn)生一個沿槳轂邊緣線周向分布的低速區(qū)域，該環(huán)形低速區(qū)會隨著進速系數(shù)的增大向槳轂中心線處匯攏，最終交匯成一個大的封閉低速區(qū)。從動量守恒方面進行考慮，螺旋槳之所以產(chǎn)生向前的推力是因為流經(jīng)槳葉的流體帶有等量的動量變化，故螺旋槳在向后推水的同時會產(chǎn)生向前的推力。

圖12 中縱剖面速度云圖

續(xù)圖12 中縱剖面速度云圖

流入螺旋槳的水流在葉背的正前方增加速度并通過葉面流出，形成截面比槳盤面小、速度比來流大的管狀水流，即螺旋槳滑流。來流速度越小，滑流現(xiàn)象越明顯。螺旋槳的旋轉(zhuǎn)不僅會增大軸向速度，還會激起周向速度，使得滑流產(chǎn)生強烈旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)水流作用于槳葉，使螺旋槳軸產(chǎn)生扭矩。本算例充分考慮了流體的黏性，該黏性會降低滑流速度與滑流區(qū)域中渦的強度，還會擴大滑流區(qū)域。這種黏性效應(yīng)在槳轂中線及后方的區(qū)域最為明顯。槳盤面后的速度場被槳轂中線分割成兩部分，且這兩部分基本呈對稱趨勢?；鲄^(qū)域內(nèi)的軸向速度大于滑流區(qū)域外的軸向速度，這種速度差會在流邊界上產(chǎn)生剪切邊界層?；鲄^(qū)域內(nèi)存在周向旋轉(zhuǎn)水流，而滑流區(qū)域外沒有，故滑流邊界上會產(chǎn)生很多與螺旋槳旋向相反的小渦。

不同工況下中縱剖面處的壓力云圖見圖13。來流遭遇槳轂后速度滯止，在槳轂前端范圍形成一個封閉的低壓區(qū)。此外，葉背的前端形成一個低壓區(qū)，而葉面的后端形成一個高壓區(qū)，可判斷出槳葉在流體域中壓力場的作用下產(chǎn)生了一個向前的推力。葉梢的尖端附近有一個壓強極小值區(qū)域，該區(qū)域易產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，且在葉梢兩側(cè)的壓力差作用下會產(chǎn)生梢渦。由于轂渦在槳轂后端產(chǎn)生、匯集，在遠離槳轂的后方減弱、消失，故形成了不同梯度的壓強分布情況：槳轂處壓強最小，距離槳轂越遠壓強越大。

圖13 中縱剖面壓力云圖

選取距離槳盤面/=0、/=0.4和/=0.8（為測點到螺旋槳盤面的距離）3個位置的橫剖面軸向速度云圖進行對比分析，見圖14～圖16。

圖14 橫剖面軸向速度云圖（x/R=0）

圖15 橫剖面軸向速度云圖（x/R=0.4）

圖16 橫剖面軸向速度云圖（x/R =0.8）

由圖14～圖16可知，不同工況下螺旋槳均會在葉梢尖端處形成一個封閉的低速區(qū)域，槳葉背流面在0.6附近形成一個封閉的高速區(qū)域。此外，周向會出現(xiàn)極不均勻的等速線徑向梯度，最大值出現(xiàn)在葉背位置處，最小值出現(xiàn)在槳葉中間的流域。隨著進速系數(shù)逐漸增大，0.6附近的高速區(qū)面積隨之縮小，槳葉背流面速度梯度也相應(yīng)減小。槳轂上方進流面的速度與來流速度大致相同，但與槳葉背流面的高速區(qū)相差較大。當=0.9時，區(qū)域中心會產(chǎn)生一個速度極小值區(qū)域，這會破壞葉面和槳轂之間流場的穩(wěn)定性，增大槳葉的扭矩，降低螺旋槳的效率。

當/＞0.4時，尾流已經(jīng)脫離螺旋槳，此時可更加清晰直觀地觀測螺旋槳對槳后水流的扭轉(zhuǎn)作用。擺脫了槳轂的束縛后，低速區(qū)域面積增大，區(qū)域中心處的速度會顯著減小，且低速區(qū)域位置沿中心向外移動。當=0.6時，槳葉后方的速度最大值只分布在葉梢附近，隨著逐漸增大，槳后高速區(qū)會沿著徑向向槳轂處增大，且分層愈發(fā)不明顯，這是由于槳葉和槳轂之間存在著能量交換。此外，黏性耗散的作用隨著來流速度的增大愈發(fā)不明顯。槳葉間的高速區(qū)域逐漸融合，且軸向速度在背流面高速區(qū)的衰減幅度也相應(yīng)減小，這說明葉面和槳轂間能量交換的形式發(fā)生了變化。

4 結(jié)論

本文以KP505型螺旋槳為計算模型，將計算流體動力學方法與移動參考系法和滑移網(wǎng)格法相結(jié)合，建立螺旋槳模型并對其敞水性能和流場特性進行仿真計算和分析，得到以下結(jié)論：

1）MRF法的計算精度不如滑移網(wǎng)格法，滑移網(wǎng)格法在模擬螺旋槳周圍的流場時更具優(yōu)勢。

2）無論是MRF法還是滑移網(wǎng)格法，其敞水特性曲線的誤差均隨進速系數(shù)增大而增大。

3）螺旋槳葉面的壓強大于葉背的壓強。在壓力差作用下，螺旋槳產(chǎn)生了軸向向前的推力。來流對將螺旋槳葉面的壓力分布沒有顯著影響，但對葉背的影響較大。螺旋槳流域中縱剖面處的壓力場和速度場有一定的相似之處

4）槳葉和槳轂之間存在能量交換，且黏性耗散的作用隨著來流速度的增大愈發(fā)不明顯。