1.功能介绍

螺旋桨敞水虚拟试验是基于粘流理论进行开发的虚拟试验，试验集成了自动划分网格和求解器设置等专家知识库，操作简单易用，能满足螺旋桨敞水性能评估的要求。

2.产品特色

1. 螺旋桨敞水系列工况的创建；
    2. 集成了专家知识库，自动完成网格划分、求解器参数设定、求解计算等过程；
    3. 操作简便，只需用户输入基本参数便可开始计算，减少人机交互；
   4. 提供多种结果显示形式：表格、曲线、云图、报告等；

3.运行环境和效率

主流PC机上即可运行；
    网页上进行任务提交，采用虚拟化技术，动态分配资源，满足计算所需。
    32核并行情况，9个小时即可获得单个进速系数点的计算结果；

4.试验精度

本虚拟试验螺旋桨敞水性能分析稳定可靠，数值精度获得了物模试验验证，对螺旋桨工作段附近的敞水性能计算结果平均值误差在3%以内。

5.适用范围

基于粘流理论的螺旋桨敞水性能计算软件是基于模型尺度下的螺旋桨敞水工况而开发的，可以计算螺旋桨敞水性能，主要适用范围如下：

1. 模型状态下，旋转区域X轴向的长度为0.3716m。一般情况下，该区域的尺寸已经足够覆盖整个螺旋桨。但针对桨叶剖面弦长C较长、螺距角 较大的情况，螺旋桨的桨叶可能超出旋转区域的最大宽度，因此，在使用专家知识库时需注意：

2. 为了保证高质量的网格和计算精度，调用专家知识库时，需要保证螺旋桨的直径大于0.18m。

1.典型案例一 某散货船对应桨的螺旋桨敞水虚拟试验

  1.1 案例名称

样例试验-某散货船对应桨的螺旋桨敞水虚拟试验

  1.2 案例描述

本案例以某散货船对应的螺旋桨作为试验对象，采用基于粘流理论的螺旋桨敞水虚拟试验进行计算，计算了 这个进速系数，同时调用了专家知识库以自动划分网格，并设置求解器相关参数。采用32个核进行计算，耗时6小时。计算结果良好，计算精度与相应的模型试验相比，全部小于3%。操作简便，极大减少人机交互过程。

  1.3 螺旋桨基本参数

  1.4 螺旋桨几何

  1.5 螺旋桨虚拟试验

  1.5.1 计算网格

  1.5.2 计算结果

 1.6 主流商业软件（starccm+）

 1.6.1 计算网格

 1.6.2 计算结果

 1.7 性能对比

选取某散货船对应螺旋桨为计算对象，分别采用本虚拟试验与主流商业软件进行螺旋桨敞水计算，并就这两种工具进行了比对结果整理如下表：两个种方法均采用不可压缩的雷诺时均纳维—斯托克斯（Reynolds-Averaged Naiver-Stokes）方程作为控制方程，湍流模型选择为SST ；计算精度方面，两种方法的预报值与试验结果相比，计算精度相当，均在3%以内；耗时方面，本虚拟试验计算单个进速系数的耗时为6.8个小时，商业软件Starccm+耗时较短为5.4个小时；另外，本虚拟试验中集成了专家知识库，可以一键实现网格划分及求解相关参数设置，操作简便，可以保证螺旋桨在设计附近的计算精度。

2.典型案例二 KCS船对应桨的螺旋桨敞水虚拟试验

  2.1 案例名称

案例试验-KCS船对应桨的螺旋桨敞水虚拟试验

  2.2 案例描述

本案例以KCS船对应的螺旋桨作为试验对象，采用基于粘流理论的螺旋桨敞水虚拟试验进行计算，计算了 这个进速系数，同时调用了专家知识库以自动划分网格，并设置求解器相关参数。采用32个核进行计算，好使XX小时。计算结果良好，计算精度与相应的模型试验相比，全部小于3%。操作简便，极大减少人机交互过程。

  2.3 螺旋桨基本参数

  2.4 螺旋桨几何

  2.5 螺旋桨虚拟试验

  2.5.1 计算网格

  1.5.2 计算结果

 1.6 主流商业软件（starccm+）

 1.6.1 计算网格

 1.6.2 计算结果

 2.7 性能对比

选取KCS船对应螺旋桨为计算对象，分别采用本虚拟试验与主流商业软件进行螺旋桨敞水计算，并就这两种工具进行了比对结果整理如下表：两个种方法均采用不可压缩的雷诺时均纳维—斯托克斯（Reynolds-Averaged Naiver-Stokes）方程作为控制方程，湍流模型选择为SST ；计算精度方面，两种方法的预报值与试验结果相比，计算精度相当，均在3%以内；耗时方面，本虚拟试验计算单个进速系数的耗时为6.8个小时，商业软件Starccm+耗时较短为5.4个小时；另外，本虚拟试验中集成了专家知识库，可以一键实现网格划分及求解相关参数设置，操作简便，可以保证螺旋桨在设计附近的计算精度。

 2.8 性能对比

本虚拟试验先后邀请了广船国际有限公司、中船重工设计研究中心有限公司、上海佳豪船舶工程设计股份有限公司、中远海重工有限公司、大连船舶重工集团等工业用户对螺旋桨敞水虚拟试验进行试用，并对某些螺旋桨进行了计算，计算精度良好，取得了较好的评价。

1. 试验创建

当前虚拟试验提供两种试验创建的方法：通过样例创建试验和创建空白试验。

1.1 通过样例创建试验

进入螺旋桨敞水虚拟试验后，点击右侧任一一个样例试验，如图3.1所示。

进入某一样例试验后，鼠标移动至页面右上角 处，即可显示当前虚拟试验的相关信息，如图3.2所示。

点击图3.2中的绿色按钮“以此创建试验”，网页上会弹出新的对话框，提示用户输入新建试验的相关信息，如图3.3所示。通过这种方式创建的新试验是样例试验的一个拷贝，其参数与样例试验相同，用户只需按实际情况修改部分参数即可。因此，可将样例试验看成试验模板，起到初始化试验参数的作用，推荐通过该方法创建新试验，如图3.4。

1.2 创建空白试验

进入螺旋桨敞水虚拟试验后，在该虚拟试验简介的下方找到蓝色“新建”按钮，如图3.5所示。

点击“新建”按钮之后，会弹出一个对话框，在其中填入相应的必填信息后，点击“确定”即可创建一个新的空白试验。新建空白试验后，会自动跳转到该试验的详情页面，如图3.6所示。可见通过这种方法创建的虚拟试验中所有的参数都是空白的，用户需要手动输入相应的参数，方可进行计算，该方法适用于一定经验的用户。

2. 参数录入

新的虚拟试验创建后，用户需要根据实际情况修改或录入船型相关参数，并确认所录入的参数符合实际情况。点击页面中的“基本参数”标签，即可进入参数设置页面，如图3.7所示。其中，螺旋桨桨叶需要用户自行上传，同时需要注意保证全局坐标系的一致：螺旋桨吸力面朝着X轴正方向，旋转轴与螺旋桨参考线相交于坐标原点。

点击页面中的“点击上传”按钮，即弹出如图3.8所示的页面，用户需在此上传螺旋桨桨叶相关几何部件。其他船体几何部件，用户可采用类似的操作进行上传。

其他基本参数根据实际情况进行填写，特别需要注意的是，用户上传的几何文件及填写的螺旋桨相关数据需与参数类型中的选择一致，即上传实尺度几何文件，填写实尺度螺旋桨数据；或者上传模型尺度几何文件，填写模型尺度螺旋桨数据。避免螺旋桨参数与几何文件不对应造成计算错乱或计算结果不真实的现象。

3. 计算求解

3.1 启动计算

全部参数正确设置后，可启动求解器进行计算，如图3.9所，鼠标移动至右上角 处，页面会自动弹出当前虚拟试验的试验属性，点击其中的橙色“启动计算”按钮即可开始计算。

点击“启动计算”后，页面会弹出启动求解器的对话框，如图3.10所示，用户点击“确定”以继续。

3.2 过程监测

计算启动，用户可以通过“求解监测”标签来实时的查看当前虚拟试验的计算状态，如显示单个进速系数下的残差曲线（图3.11）、单个进速系数下的推力/扭矩曲线（图3.12）、多个进速系数下的推力或扭矩曲线（图3.13）。

4. 结果显示

计算结束后，用户可切换到“试验结果”标签中来查看当前虚拟试验的计算结果。用户可以点击右上角的试验报告按钮，下载当前虚拟试验的结果报告，如图3.14所示。

用户同样可以选择在线浏览计算结果，在“试验结果”标签下的选择不同的航速来，网页会自而动刷新以展示相应的内容，如图3.15所示。

1.参考文献

[1]Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. Wiley, New York, 1995.

[2] Bradshaw P., Cebeci T., Whitelaw J.H. Engineering calculation methods for turbulent flow [M], Academic Press, London, 1981.

[3] Patankar, S., Algorithm for assembling overlapping grid system [J], Hemisphere Pub, 1980.

[4] Van Doormaal, J., Raithby, G., Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows [J], Numerical Heat Transfer, 1984, 7:147-163.

[5] Ubbink, O., Issa, R.I., A Method for Capturing Sharp Fluid Interfaces on Arbitrary Meshes [J], Journal of Computational Physics. 1999, 153(1): 26 – 50.

[6] Menter, F.R., Kuntz, M., Langtry, R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model[J]. Turbulence, heat and mass transfer. 2003, 4: 625–632.

[7] Wilcox, D.C. Turbulence modeling for CFD [M]. 3rd Edition. La Canada, CA, DCW industries, 2006.

[8] Jones, W.P., Launder, B.E. The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1972, 15(2):301–314.

[9] Bredberg, J. On the Wall Boundary Condition for Turbulence Models[R]. Internal Report 00/4, Gothenburg, Sweden, Chalmers University of Technology, 2000.

[10] Menter, F., Carregal Ferreira, J., Esch, T., et al. The SST Turbulence Model with Improved Wall Treatment for Heat Transfer Predictions in Gas Turbines[C]. In the Proceedings of the International Gas Turbine Congress. Tokyo, Japan, 2003.

[11] Wilcox, D.C. Turbulence modeling for CFD [M]. 3rd Edition. La Canada, CA, DCW industries, 2006.

2. 研究团队

1. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心董国祥；

2. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心陈伟民；

3. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心杨 帆；

4. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心张青山；

5. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心陈昆鹏；

6. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心任海奎；

7. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心车霖源；

8. 上海船舶运输科学研究所航运技术与安全中心杜云龙；

3. 研究进展

1. 2016.12，船舶快速性计算理论对比及算法研究；

2. 2017.12，螺旋桨敞水计算软件的开发；

3. 2018.06，螺旋桨敞水计算策略开发完成；

4. 2018.07，螺旋桨敞水专家知识库的开发与集成；

5. 2018.08，螺旋桨敞水计算策略更新，同时更新专家知识库；

6. 2018.09，螺旋桨敞水计算策略更新，同时更新专家知识库；

7. 2018.11，第一次用户咨询会；

8. 2019.07，第二次用户咨询会；

4. 实用工具

C++、QT；