使用 SIMULIA PowerFLOW 验证水下螺旋桨性能

在这篇博文中，我们展示了使用 SIMULIA 工具仿真螺旋桨的工作流程，并根据测量的基准验证仿真。

螺旋桨的工程决定了船舶、潜艇和其他船舶的性能和流体动力效率。工程师不仅需要了解螺旋桨产生的推力和阻力，还需要了解气蚀和尾流噪声等影响。传统上，这只能在建造用于水隧道测试和海试的原型后才能测量。优化性能和解决问题需要多次原型迭代，从而导致成本增加和开发时间延长。仿真提供了另一种选择，允许工程师在没有物理原型的情况下分析和优化真实螺旋桨的虚拟孪生的性能。

为什么要模拟螺旋桨？

螺旋桨是将动力从发动机传输到水中的关键部件。即使是很小的优化也会对整艘船的性能以及将燃料能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，因为它推动数千吨的船只穿过水中，通常是面对巨大的海浪。螺旋桨必须足够坚固以承受这些力，特别是它必须能够承受气蚀造成的损坏，因为叶片的快速运动会导致气泡破裂并产生强大的冲击波。

螺旋桨还会产生极高的噪音水平——最大的船舶在水中可以产生 200 分贝的噪音水平，螺旋桨是主要噪音源——这不仅影响船舶的可探测性，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，这是使用水隧道中的物理原型或安装在船上来完成的。构建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。

仿真允许工程师在构建物理原型之前分析设计的性能。这允许更快的设计迭代，减少原型制作并加速设计过程。如果发现问题，可以调查设计更改并优化几何形状。

SIMULIA PowerFLOW 非常适合应对螺旋桨仿真的挑战。它使用晶格玻尔兹曼法 （LBM），这是一种强大的仿真技术，可以处理复杂的几何形状（例如，安装在整艘船上的详细螺旋桨）和逼真的湍流。PowerFLOW 使用完全可压缩的、固有的瞬态求解器，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，并且已在广泛的工业应用中进行了广泛验证。PowerFLOW 可在 CPU 和 GPU 上使用，从而可以灵活地选择所选硬件。

鉴于近尾流和远尾流区域的不同特征，将问题分成两个模拟会更有效。这种方法可以为每个区域使用最合适的模拟方法。PowerFLOW中实现的新型瞬态边界播种技术可以有效地划分仿真域，在不影响精度的情况下减少整体计算时间。这可以允许模拟非常大的域，这对于跟踪下游尾流很有用。

长尾流跟踪模拟，代表一个 10 米长的坦克。

螺旋桨模拟

为了演示使用 PowerFLOW 进行螺旋桨仿真，我们将使用 INSEAN E1619 螺旋桨，这是 INSEAN 开发的七叶通用潜艇螺旋桨。在开放水域测试期间，分别使用力平衡系统和激光多普勒测速仪对其流体动力学性能和尾流行为进行了实验分析。下表提供了螺旋桨的主要参数。

INSEAN E1619 螺旋桨的正面和倾斜视图。

第一步是对螺旋桨进行建模。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品和系统，并通过统一建模和仿真（MODSIM）与SIMULIA产品集成。使用 MODSIM，可以将设计几何形状直接转换为仿真模型，从而保持模型和仿真之间的可追溯性和关联性。这确保了任何设计更改都会自动反映在模型中，并且仿真结果中的特征可以追溯到原始设计。

螺旋桨的参数化模型，展示了如何立即重新设计几何形状。

在 PowerFLOW 中，设置仿真以尽可能接近地复制真实的水箱测试。这包括精确建模水箱的几何形状和尺寸、流入速度和压力条件、壁边界条件以及静水压力出口条件。螺旋桨在局部旋转框架 （LRF） 中使用移动网格方法进行模拟，从而实现轴对称域内实际几何形状的物理旋转。这样可以准确捕获叶片与周围流动之间的不稳定相互作用，以及逼真的尾流传播。作条件多种多样，流入速度范围为 3 m/s 至 9.25 m/s。结果在 2 个旋转中取平均值。此工作流程的仿真时间与不稳定的RANS仿真相当，同时保持性能参数的相同精度。

根据测量进行验证

图 2 说明了螺旋桨的性能指标，包括推力 （KT）、扭矩 （10KQ） 和效率 （ŋ），并将数值结果与实验数据进行了比较。模拟结果与测量结果非常吻合，最大误差仅为 8%。结果对于较高的提前比特别好，证明了 LBM 技术对高马赫数流量的有效性。测量数据来自螺旋桨型号 INSEAN E1619，INSEAN 测试：3 月 16 日。2006 年，Andrea Mancini，归 CNR-INSEAN 所有。

推力 （KT）、扭矩 （10KQ） 和效率 （ŋ），在 INSEAN 基准测试（橙色）中测量并在 PowerFLOW（蓝色）中模拟。

下面是螺旋桨周围轴向速度场的可视化表示，作为 PowerFLOW 仿真的瞬时快照捕获。这种详细的可视化说明了螺旋桨叶片产生的复杂流动结构，强调需要像 LBM 这样的模拟方法来准确有效地模拟湍流和复杂几何形状。

螺旋桨模型横截面上的轴向速度快照。

从建模到制造，转向完全集成的 MODSIM 流程

设计并没有就此结束。工程师还可以考虑其他几个方面。得益于 MODSIM 流程，所有仿真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不同部件（例如船体和变速箱）集成，以便进行进一步分析。注意事项包括：

噪声

螺旋桨是大多数船舶产生的大部分噪音的原因。螺旋桨噪音一直是关注可探测性和被动声纳的重要考虑因素，但现在保护野生动物的压力也越来越大。船只产生的噪音在水中行驶数英里，不仅会使野生动物感到痛苦，甚至会杀死它。下一步的一个潜在步骤是进行声学分析，以模拟和减轻螺旋桨空化或近尾流波动引起的噪声污染。

安装性能

完全浸没、安装的螺旋桨尾流的动画。

螺旋桨不是孤立存在的——它是大型船舶的一部分。螺旋桨需要在船体尾流时高效运行。MODSIM 工作流程有助于计算螺旋桨在真实海况下的性能，而不仅仅是在测试环境中。模拟可以包括整艘船及其尾流，有助于确定所谓的自推进点，其中船舶的阻力等于螺旋桨的前推力。

耐用性和气蚀

螺旋桨需要持续数年，同时在水中驱动数千吨的质量。耐用性是一个重要问题——螺旋桨损坏会降低其性能并增加船舶的燃料消耗，而服务中断将扰乱运营数周或数月。疲劳仿真在很短的时间内模拟螺旋桨在多年使用中的性能，使工程师能够预测螺旋桨在其整个使用寿命期间如何承受应变。

一个特别值得关注的问题是气蚀：快速转动的螺旋桨会产生气泡，气泡会塌陷并产生冲击波。这些冲击波会损坏螺旋桨表面，留下凹痕，增加阻力并可能产生裂纹。仿真可以捕获气蚀效应，使工程师能够优化螺旋桨几何形状以减少这些影响。

可制造性

除非可以制造，否则设计是无用的。工程师需要确保制造过程不会给螺旋桨引入薄弱点，从而导致过早失效。仿真可以对制造过程和制造的螺旋桨进行建模。一个特别感兴趣的领域是增材制造（“3D 打印”），它可以实现新的螺旋桨设计，但需要仔细分析制造过程。请参阅我们最近的博客文章，了解有关模拟船用螺旋桨增材制造的更多信息.

结论

仿真使船舶工程师能够设计出更安静、更高效的螺旋桨。PowerFLOW非常适合应对螺旋桨仿真的挑战，它使用晶格玻尔兹曼方法准确有效地模拟螺旋桨周围的流体流动，结合空化效应和声音传播。PowerFLOW 的准确性已根据既定基准进行了验证，显示与测量结果非常吻合。可以使用统一建模和仿真 （MODSIM） 方法将仿真纳入设计工作流程。SIMULIA PowerFLOW 与 3DEXPERIENCE 平台上的 CATIA 和其他 SIMULIA 仿真工具等设计工具集成。