ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理
Experimental Technology and Management
第37卷第11期2020年1丨月
Vol.37 No. 11Nov. 2020
DOI: 10.16791/jki.sjg.2020.11.045螺旋桨定常性能面元法预报教学系统开发 王超，赵雷明，曾特殊，郭春雨
(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：为了便于'开展螺旋桨性能预报的教学丁作，使之在理论教学的基础上变得形象直观，基于Fortran程序 开发了此螺旋桨定常性能面元法预报软件，主要包括前处理.求解和导出报告三个阶段的内容通过具体类型的螺旋桨在软件中的汁算分析，详细展示了螺旋桨性能预报的求解过程，给出预报结果这对于帮助学生将理论与实践相结合学习，培养学生的学习兴趣，提高其科研能力起着积极的作用，
关键词：螺旋桨性能预报；面元法；仿真处理；实验教学
中图分类号：U66I 文献标识码： A 文章编号：1002-4956(2020)11-0213-05
Development of panel method prediction teaching
system for propeller steady performance
WANG Chao, ZHAO Leiming, ZENG Teshu, GUO Chunyu
(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: In order to facilitate the teaching of propeller perfonnance prediction and make it more intuitive on the basis of theoretical teaching, a panel method prediction software for propeller steady performance is developed based on Fortran program, which mainly includes the three stages of preprocessing, solving and exporting reports. Through the calculation and analysis of specific types of propellers in the software, the solving process of propeller performance prediction is shown in detail, and the prediction results are presented, which plays a positive role in helping students to combine theory with practice, cultivate their interest in learning and improve their scientific research ability.
Key words: propeller performance prediction; panel method; simulation processing; experimental teaching
船舶螺旋桨性能预报的出发点和落脚点就是利 用流体力学的理论和系列计算来实现螺旋桨的性能 预报。螺旋桨的性能预报方法主要经历了图谱设计、升力线法、升力面法、面元法等。面元法的原理是通 过在桨表面设置源和偶极子来计算桨表面的压力分 布情况。相对于升力面法在简化的升力面上计算，面元法计算在真实的物面上满足边界条件，对于桨面压 力分布和桨后流场等的预报更加准确[1_4]。 割礼龙凤斗
螺旋桨性能预报是一个复杂的计算过程，受一系 列螺旋桨参数的影响，在教学过程中仅讲授有关翼型 流体动力理论比较抽象，使学生难以理解[5]笔者基
收稿日期：2019-12-11
基金项目：装备预研领域基金项目（反乂7丫2019024702250丨>；装 备预研重点实验室基金项B (6142223180210)
作者简介：王超（1981—)，男，安徽砀山.副教授，博士生导师.
主要从事船舶推进性能与节能技术等的研究
E-mail:********************** 于Q t界面编制软件和F o r t r a n程序开发了此螺旋桨定 常性能面元法预报系统，结合传统的理论知识，为螺 旋桨的基础认知、参数影响、性能预报等内容提供了 整体全面的教学支撑。该系统界面友好、操作简便、仿真性高，容易激发学生的学习积极性，为学生深人 学习螺旋桨性能预报过程、提高科研实践能力提供了 一个形象、基础的学习平台。
1螺旋桨动力学模型
1.1 坐标系的建立
对于在速度为的来流中以角速度~转动的螺旋桨，采用如图1所示的固定于桨叶的坐标系
原点〇固定于桨盘面的中心点，x轴沿螺旋桨的旋转 轴指向下游，少轴沿螺旋桨某一叶片的母线，z轴与x 轴和轴组成右手坐标系。同时也采用一柱坐标系 作为参考坐标系。其0角是由轴起始逆时
实验技术与管理
针旋转的角度。
在柱坐标系下，如图2所示，用s表示叶剖面上
的点至导边的弦向距离，q表示叶剖面上导边至母线
的距离，X，表示叶剖面处的纵倾，.表示剖面的侧斜
角，夕表示螺旋桨的几何螺距角，凡、々分别表示
叶背、叶面上的点到弦线的距离.:，则螺旋桨半径为r
处的叶剖面上点的坐标可表示为：
X =xr+(-q+5)s i n/7-COS p
6 ——(-C j +5)COS P+yn
s i n/3+ 6S
式中，《为螺旋桨的转速
定义压力系数
=P—P〇
\pVr〇
则桨叶面上的压力系数为
各面元上的压力A的作用方向与该面元的外法
线方向相反，当求得A.后，可按下式求和计算螺旋桨
的推力和扭矩
n
= Pinxi^i
i=\
<
n
Qp = z Y J p i("_uz i-n：iyi')s i
、/=!
式中，》为面元的个数，z为螺旋桨叶数，&表示第
/个面元的面积；《A.，为第/个面元的单位法向
量的三个分量；为第/个面元上控制点的坐标。
1.3其他条件
普通螺旋桨的性能计算过程还包括：库塔条件的
处理、影响函数的计算、物体表面速度的确定、诱导
速度的求解、非线性尾涡模型建立等，这里只介绍基
本的坐标系建立和方程离散原理，其他不再赘述
注：乃表示桨叶表面上的点到弦线的距离
图2 桨叶剖面柱坐标系
1.2方程数值离散
利用柳泽[6]发展的方法由物体表面上的速度势确 定物体表面上的速度。然后由伯努利方程
P=P〇+^P(Vr()
计算螺旋桨表面上的压力。式中，P为螺旋桨表面的 压力，为标准大气压，/?为流体密度，K，为局部 速度，（〇为半径处叶剖面的相对进流速度
K o= Jva2+(2nnr)22仿真预报系统设计
2.1软件系统教学框架
为使学生深人理解螺旋桨的动力学模型并学习不 同桨型的性能预报特性，以经典的D C T R4119型螺旋 桨为基本的讲解模型，以前处理（包括几何参数设置、生成网格、参数整理等）、求解（包括敞水性能求解、空泡求解）、导出报告为基本运行过程建立螺旋桨性 能预报程序的教学框架。意在使学生首先对D C T R4119 型螺旋桨的性能预报过程建立大致的概念，再对本程 序涉及的D C T R4382、M A U等类型的螺旋桨性能预报 方法有更广泛、深人的了解:，
螺旋桨定常性能面元法预报程序主要包含丁程信 息的前处理、求解和导出报告三个过程，软件系统的 框架如闬3所示。
2.2开发环境
华大影院
螺旋桨定常性能面元法预报软件教学系统以Q t 来开发可视化界面，利用F o r t r a n语言编写后台程序的 计算处理系统。通过混合编程，实现强大的后台运行能 力与简单便捷的可视化操作界面之间的无缝衔接
开发流程图如图4
所示。
I -超，等：螺旋桨定常性能iW 儿法预报教学系统汗发215
_____________________________ |导出报告
敞水性能求解器| |空泡性能求解器|
前处理
几何生参导
参成数入数网整网设格
理
格置
DCTR4119、DCTR4382、MAU ，导管型螺旋桨
图3软件系统的框架
图4开发流程
为了简化该教学系统的操作步骤，提高计算的能 力、效率和精度，这里对F o r t r a n 程序进行封装，使之 在保持原有的计算能力的基础上，与Q
t
结合以展示出
简便的操作界面。该软件将两部分充分整合分丁.，提 高了软件的数据与图形的处理能力。由Q
赤道 下载t
工具幵发的
集成操作系统，操作界面简洁，操作流程简便，以软 件界面内简单的操作即可实现全部的数据运算与图形 处理过程。
3仿真预报系统开发及应用
3.1螺旋桨参数前处理
螺旋桨参数前处理模块主要包括几何参数设置、 生成网格、参数整理、导入网格等子模块，在设置程 序基本参数的同时，还可以帮助学生建立起对多种类 型螺旋桨的基础认知体系。K •中，几何参数设置的内 容主要是选择要计算的螺旋桨类型，定义桨的直径、 叶数、毂径比等基本参数，定义桨的翼型参数，选择 网格划分形式（平均分割、余弦分割、半余弦分割） 等。生成网格的内容主要是根据几何参数设置中的网 格划分形式等要素来对桨叶、桨毂、尾涡进行网格划 分，为后续的计算过程做准备T .作。参数整理的主要 内容是对于桨的基本参数（包括直径、叶数、侧斜、 毂径比等）、无因次化处理的基本参数、坐标的整理, 是建立螺旋桨模型的数据基础
在选择好螺旋桨类型后，前处理部分对螺旋桨的 参数进行定义，并对其建立全面的坐标模型，可以帮 助学生直观地理解各种螺旋桨参数对螺旋桨外形等的 影响。图5为螺旋桨叶面和叶切面在坐标系中的展示， 其中包括了叶面参考线、螺距等-系列标注，下方是 螺旋桨类型的选择和基本参数的修改表格，可以在其 上对螺旋桨的基本参数进行修改图6是根据螺旋奖 参数的定义和网格划分形式进行的网格划分，划分的 主体是桨叶、桨毂和尾涡三个部分，这三个部分可以 独f t 选择“显示”或“隐藏”，方便单独查看、剖析。
浆类别： 音i i «水琴 J 桨型号：
座径0»): 0.3050 K 径比：
大小锌化费«
1. 〇〇〇〇
径向位8个»(含叶檐）：
DTRC 411 ^ 浆名称： DTRC 4119〇. 2〇nn
_
«叶»:
3
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1
_______________________________
I
螺旋桨定常性能面元法预报程卬教学系统
eph
查阅编辑
编辑报告
后
处理
简要结果
求解
空泡工况设置
后处理
简
要结果 求
解
敞水T
况
设置
软件开发界而
图5
主要参数设置
216实验技术与管理B_______
文件鄉棚掷m■口酿隹助_____
i汀幵 ||保存•新達案例g保存案例 ^导入案例关闭案洌 @生成网格g求解
^S olitiT olor v| S urface f i t h Edge v| *
工程面板
▽ u前处理
几何糊s a
V□越雕
E P-桨叶
0：桨f i
0：尾涡
罗氏芬参敗整理
□导入网格
>□ mm
、□导出报告
■ n
口工程倍.s
>□前处理
>□摊
-G导出报告
图6网格划分
3.2 动力学求解
动力学求解模块主要包括敞水性能求解器和空泡 求解器两个子模块，这两个子模块又各自包括工况设 置、求解、简要结果、后处理等二级子模块。
在敞水性能求解器的敞水工况设置模块中，主要 内容包括流体参数（密度和运动粘性系数）、工况类别 (进速或进速系数）的定义、求解T.况个数、螺旋桨 转速等。简要结果主要包括进速系数■/、推力系数、十倍转矩系数l〇K e、效率；7等结果，在后处理子模块中这些数据将会被绘制成螺旋桨敞水性征曲线图，并 输出在后续的“导出报告”模块中。
在空泡求解器的空泡工况设置模块中，内容与之 前的敞水工况类似，主要包括：流体参数（密度和运 动粘性系数）、工况类别（进速或进速系数）的定义、求解工况个数、螺旋桨转速，这里新增一类需要设置 的T况是“空泡数”，处理简要结果是当前生成的空泡 数。后处理中包括压力云图和空泡分布图，算例中的 压力云图如图7所示。
图7压力云图
螺旋桨定常性能的计算主要经历了方程离散化 处理、库塔条件的处理、影响函数的计算、确定物体 表面速度、诱导速度的求解、非线性尾涡模型建立等 过程。
面元法自身无需对物体形状做任何假设，在真实 物面上满足边界条件，不仅能准确计算流体动力系数，而且能得到较准确的表面压力分布。相对于以速度为
基础的面元法，以速度势为基础可减少未知数，降低
王超.等：螺旋桨定常性能面元法预报教学系统开发
“影响函数”的复杂程度，进而节省内存，提高效率: 同时后者影响函数的奇异性低一阶，受形状不规则面 元的影响相对较小[1\
计算首先给定螺旋桨（和导管）的几何要素，并作统一规范化处理。然后假设某种尾涡模型（线性尾 祸、等螺距线性尾涡、收缩尾涡），按一定规律对物面 和尾涡面进行网格划分（平均分割、余弦分割或半余 弦分割）。随后针对指定的运行工况(进速或进速系数、转速），采用蒙瑞诺发展的解析公式计算影响函数，求 解物面和尾涡表面的偶极强度（考虑桨毂影响再综合考虑求解精度和效率，根据柳泽的方法由物面速度 势确定速度分布和压力分布。结合等压库塔条件（尾 缘上下表面压差在允许范围内），迭代求解直至前后两 次的桨推力在误差允许范围内，最终计算收敛。
导管桨求解考虑桨和导管二者间的相互影响，将 奖诱导速度计人导管的来流、再将导管诱导速度计人 奖的来流，迭代求解直至前后两次的桨推力、导管推 力均在误差允许范闱内，最终该工况计算收敛[1>141。程序计算流程如图8所示
(结束 )
图8程序计算流程
3.3导出报告
导出报告模块主要包括编制报告和查阅编辑两个 子模块的内容。其中，编制报告是根据前面计算的结 果按照一定的顺序编制成集成性方便查阅的报告。查 阅编辑在不同的项目内打开，可以方便快捷地到本 项目的报告进行编辑。
报告的内容主要包括：
(1 )基本原理。面元法计算常规螺旋桨和导管螺 旋桨的计算原理的简述
(2)几何要素及网格划分。外形主要参数，网格 划分模型=
(3 )系列工况下敞水性能预报3敞水性能计算结 果，敞水性征曲线图，各半径处叶剖面弦向压力分布 图，径向环量分布曲线。
(4 )定常空泡性能预报工况参数及简要结果，桨 叶表面压力分布云图，桨叶表面空泡厚度分布云图 3.4仿真预报系统应用
对螺旋桨定常性能预报仿真系统进行代码编辑 后，通过编译和封装将其制作成可执行程序，不仅使 学生在使用时快捷方便，而且与理论教学相结合，可以起到激发学生的学习兴趣、提高学生科研探究能力 的作用。
前处理中的几何参数设置子模块，可以形象地加 深学生对各种典型螺旋桨的各项参数的认知；生成网
格子模块可以使学生认识到软件计算螺旋桨性能的本 质，即面元法的实际计算方式。
求解模块主要与流体动力学理论知识相结合，深 化学生对面元法计算的流体力学原理的认识和学习，并使学生对螺旋桨敞水性能和空泡性能的影响W素和 具体评定标准有较为全面的了解。
编制报告是对整个计算过程的整理与汇总，这对 学生把握螺旋桨定常性能预报的思路，搭建整体求解 的框架，提升对计算结果汇总分析能力与报告编写能 力都有帮助。
总体上讲，螺旋桨定常性能面元法预报系统的开 发，增添了螺旋桨性能预报教学手段，将抽象的理论教 学与形象的螺旋桨计算界面相结合，方便了学生在学 习理论知识的同时增加对螺旋桨的参数性能直观的认 识，对于增强学生的学习兴趣，提高学生的科研探究 能力和动手解决实际问题的能力都有着积极的意义
4结语
基于Q t和Fortran程序开发的螺旋桨定常性能面 元法预报程序，在对多种典型类型螺旋桨的敞水性能 和空泡性能预测方面有着较高的效率与精度，根据不 同的工况可以给出详尽的数据、具体的敞水性征曲线 图、桨叶叶面压力云图、空泡分布图等直观的汁算结 果。与传统的理论课堂教学相结合，丰富了螺旋桨性 能预报课程的内容，从单一的教学方式转向综合、多元、高效的教学模式。学生通过学习并自主操作具体 的输人参数和求解流程，对螺旋桨各项参数有更直观 的认识，对定常性能预报过程建立起整体的知识结构 框架。这对激发学生的学习兴趣、提升学生的动手实 践能力和科研探究能力
有着深刻的意义：
(下转第221页）
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