平稳航行：使用CONVERGE分析船用螺旋桨

在第一个验证案例中我们对SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304进行稳态模拟（图1）并将结果与公布的实验数据进行比较[1] 。实验测试结果来自于开放水域，在拖曳水池中螺旋桨恒定转速为15转每秒。通过改变入流速度来测试不同的推进系数（J），并测量每次运行时叶片的推力和扭矩。根据这些测量结果，确定开放水域特性，如推力系数（KT）、扭矩系数（KQ）和开放水域效率（η0）。在CONVERGE模型中，我们采用了k-ω SST湍流模型，基于速度的自适应网格加密（AMR）以及对运动几何的多重参考坐标系（MRF）方法。

图2显示了实验和仿真的推力系数、扭矩系数及开放水域效率。在整个推进系数范围内，CONVERGE结果和实验数据吻合良好。

图2 实验和仿真的推力系数、扭矩系数

及开放水域效率

稳态PPTC验证之后，我们进行瞬态模拟将仿真预测的速度场和公开的实验测试值比较[2]。在空化试验中进行激光多普勒测速（LDV），对多个位置的速度进行测量。CONVERGE自动化网格生成有利于解析旋转的螺旋桨几何结构。和稳态求解一样，我们使用k-ω SST湍流模型和基于速度的AMR。在下面的视频中（图3），等值面代表涡量，垂直于螺旋桨轴的平面上显示网格。从视频中可以看到CONVERGE的自动化网格是如何适应螺旋桨运动以及AMR是如何调整网格解析度来捕捉流场的。

图3 PPTC CONVERGE瞬态结果

等值面为涡量，垂直于轴的平面显示网格

图4显示了x/D=0.2平面上两个不同径向位置的实验和数值的速度结果。CONVERGE精确捕捉了轴向、切向和径向速度趋势。

图4 PPTC瞬态案例中轴向速度

切向速度和径向速度的实验和仿真值

在验证了CONVERGE可以准确预测水下螺旋桨关键性能因素后，我们接着讨论一个更复杂的场景：半浸式螺旋桨。研究对象依然是SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304几何。仿真模型利用CONVERGE的VOF方法，单独组分求解来模拟多相流。此外，还会用到表面压缩技术来追踪空气和水的界面。和之前的案例一样，CONVERGE自动化网格生成技术让案例设置更简单，AMR有助于重要物理现象的准确捕捉。在下面的视频中（图5）可以看到CONVERGE捕捉了复杂的尾迹结构并保持清晰的空气-水界面。

图5 半浸式螺旋桨CONVERGE仿真结果

等值面代表气液比为0.5

中间截面显示网格，颜色代表速度

上述研究验证了CONVERGE的螺旋桨仿真建模能力，并展示了CONVERGE在复杂情况下的实用性。结合CONVERGE的流体-结构交互作用（FSI）和空化模型，用户可以对船舶推进和螺旋桨磨损进行更全面的研究。CONVERGE是评估螺旋桨性能的强大工具，自动化网格生成技术使螺旋桨设计测试变得更加容易。