仿生螺旋桨水动力性能研究 摘要 螺旋桨是最广泛使用的船舶推进器，伴随着科学技术和生产力的日益提高，人们 对其性能的要求越来越高，传统螺旋桨的研究己经不能满足复杂工况的使用要求，越 来越多的新型特种螺旋桨层出不穷。在许多特种螺旋桨中都运用到了仿生学。本文从 座头鲸的带有突起的肢状鳍中汲取灵感，设计一种导边处带有凹凸结构的仿生螺旋桨， 并对其性能进行研究分析。 首先，螺旋桨的曲面形状十分复杂，凹凸结构的尺寸及位置分布难以确定，但螺 旋桨可简化看作一个扭曲的机翼。故本文先以NACA 0020为原型翼进行自主研发， 设计出仿生凹凸机翼。设计不同展弦比，多种凹凸形式，翼面是否随前沿同步凹凸呈 波浪形式的7个模型。通过实验对比研究凹凸结构对机翼的影响效果，对水动力特性 和流场特性的分析发现：与普通翼型相比凹凸翼型的失速特性更为平缓且无明显失速 角，原NACA0020翼型失速后同角度优化翼型升力系数显著上升，升阻比在同角度 下改善明显。为进行仿生螺旋桨的设计和研究打下基础的理论依据。 其次，基于凹凸结构对机翼的影响作用，运用CATIA分别建立8个凹凸尺寸、位 置分布不同的仿生螺旋桨模型，并建立仿生螺旋桨性能分析的C℉D数值仿真预报方 法。采用STAR CCM+对模型进行网格划分，并进行螺旋桨水动力性能计算。用原型 螺旋桨的计算结果和实验值进行对比，误差在可接受范围之内，证明了数值模拟的正 确性。然后计算了8个凹凸仿生螺旋桨的水动力性能，对比分析计算结果，选取性能 最好的螺旋桨进行螺旋桨敞水实验。实验结果和数值计算结果相吻合，并得出以下结 论：该仿生螺旋桨的推力系数和扭矩系数较于原型螺旋桨要低：在进速系数为0.1-0.55 时，该仿生螺旋桨敞水效率要优于原型桨：该仿生螺旋桨的叶面涡大幅减小，能量消 耗降低，可造成螺旋桨噪声降低：该仿生螺旋桨的叶面压力较原型螺旋桨更为均匀， 可使螺旋桨振动降低。 关键词：仿生螺旋桨凹凸结节C℉D螺旋桨敞水性能仿生螺旋桨水动力性能研究 摘 要 螺旋桨是最广泛使用的船舶推进器，伴随着科学技术和生产力的日益提高，人们 对其性能的要求越来越高，传统螺旋桨的研究已经不能满足复杂工况的使用要求，越 来越多的新型特种螺旋桨层出不穷。在许多特种螺旋桨中都运用到了仿生学。本文从 座头鲸的带有突起的肢状鳍中汲取灵感，设计一种导边处带有凹凸结构的仿生螺旋桨， 并对其性能进行研究分析。 首先，螺旋桨的曲面形状十分复杂，凹凸结构的尺寸及位置分布难以确定，但螺 旋桨可简化看作一个扭曲的机翼。故本文先以 NACA 0020 为原型翼进行自主研发， 设计出仿生凹凸机翼。设计不同展弦比，多种凹凸形式，翼面是否随前沿同步凹凸呈 波浪形式的 7 个模型。通过实验对比研究凹凸结构对机翼的影响效果，对水动力特性 和流场特性的分析发现：与普通翼型相比凹凸翼型的失速特性更为平缓且无明显失速 角，原 NACA 0020 翼型失速后同角度优化翼型升力系数显著上升，升阻比在同角度 下改善明显。为进行仿生螺旋桨的设计和研究打下基础的理论依据。 其次，基于凹凸结构对机翼的影响作用，运用 CATIA 分别建立 8 个凹凸尺寸、位 置分布不同的仿生螺旋桨模型，并建立仿生螺旋桨性能分析的 CFD 数值仿真预报方 法。采用 STAR CCM+对模型进行网格划分，并进行螺旋桨水动力性能计算。用原型 螺旋桨的计算结果和实验值进行对比，误差在可接受范围之内，证明了数值模拟的正 确性。然后计算了 8 个凹凸仿生螺旋桨的水动力性能，对比分析计算结果，选取性能 最好的螺旋桨进行螺旋桨敞水实验。实验结果和数值计算结果相吻合，并得出以下结 论：该仿生螺旋桨的推力系数和扭矩系数较于原型螺旋桨要低；在进速系数为 0.1-0.55 时，该仿生螺旋桨敞水效率要优于原型桨；该仿生螺旋桨的叶面涡大幅减小，能量消 耗降低，可造成螺旋桨噪声降低；该仿生螺旋桨的叶面压力较原型螺旋桨更为均匀， 可使螺旋桨振动降低。 关键词：仿生螺旋桨 凹凸结节 CFD 螺旋桨敞水性能