1.功能介绍

面元法空泡激振力模块使用螺旋桨空泡流面元法求解器，结合螺旋桨面元法空泡求解经验和过去相关研究成果，而形成的集成系统。作为数值水池螺旋桨空泡激振力子系统的一个模块，可开展油船、散货船、集装箱船螺旋桨的空泡形态（空泡面积、空泡体积和空泡厚度的变化）、船体表面空泡诱导的激振力等预报与评估。

主要功能有：
    1.船后螺旋桨空泡形态预报；
    2.船后螺旋桨诱导空泡激振力预报。

2.产品特色
    1.核心求解器采用基于速度势的低阶面元法，计算空泡快速；
    2.经过系统考核，精度高；
    3.使用简便，可自动生成虚拟试验报告。

3.运行环境和效率

可通过网络浏览器进行虚拟试验。也可通过个人计算机安装相关程序，在PC上完成虚拟试验。一个工况的虚拟试验大概需要数小时。

4.试验精度

虚拟试验和物理模型试验的偏差在10%以内。

案例(一)一TM10120A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例名称

案例试验-TM10120A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例描述

针对56000TEU集装箱船螺旋桨TM10120A，采用面元法模块进行了空泡形态的虚拟试验，虚拟试验结果和模型试验结果进行了对比，对面元法模块进行了验证。

性能比对

虚拟试验结果和模型试验结果进行了比较，空泡形态吻合较好。采用面元法虚拟试验效率高。

案例(二)一TM0897A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例名称

案例试验-TM0897A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例描述

针对3600TEU集装箱船螺旋桨TM0897A，采用面元法模块进行了空泡形态的虚拟试验，虚拟试验结果和模型试验结果进行了对比，对面元法模块进行了验证。

性能比对

虚拟试验结果和模型试验结果进行了比较，空泡形态吻合较好。采用面元法虚拟试验效率高。

案例(三)一TM1083A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例名称

案例试验-TM1083A螺旋桨空泡形态虚拟试验

案例描述

针对57000DWT散货船螺旋桨TM1083A，采用面元法模块进行了空泡形态的虚拟试验，虚拟试验结果和模型试验结果进行了对比，对面元法模块进行了验证。

性能比对

虚拟试验结果和模型试验结果进行了比较，空泡形态吻合较好。采用面元法虚拟试验效率高。

1. 系统登录

在网页客户端输入网址进入中国数值水池虚拟试验系统平台，如下图1所示。

输入正确的用户名和密码后，进入系统主界面，如下图所示。

系统主界面左侧树状的功能选择区域中的虚拟试验库模块下单击选择面元法空泡激振力，进入面元法空泡激振力模块界面，如下图所示。

面元法空泡激振力模块界面主要分为四个部分：主菜单功能区域、模块功能简介、项目管理、样例描述。

项目管理区域中包括：新建项目、编辑项目、删除项目。

2. 项目管理

新建一个项目时，点击面元法空泡激振力模块界面中“新建”按钮，弹出新建项目界面，在界面上填写试验名称、试验编号和项目描述后，点击“确定”，完成项目新建。

编辑一个已有的项目时，点击对应项目的“编辑”按钮，弹出项目编辑界面，修改项目的试验名称、试验编号和项目描述后，点击“确定”，完成项目编辑。

查看一个已有的项目时，点击对应项目的“试验名称”按钮，弹出项目“前处理界面”，可查看、修改试验项目的项目描述、输入参数，查看试验项目的试验过程和后处理结果。

3. 定常模块

面元法空泡激振力的螺旋桨定常空泡性能预报模块，预报螺旋桨在均匀流场中的空泡性能。

4. 新建试验项目

新建一个项目后，进入面元法空泡激振力模块界面中“前处理”界面，点击“试验属性”中的“修改”按钮，弹出编辑界面，在界面上填写试验类型、船舶名称和桨模编号后，点击“确定”，建立螺旋桨定常空泡性能预报的试验项目。

5. 输入参数

新建一个定常试验项目后，进入“前处理”的参数输入界面，输入参数包括：型值表参数、主要参数和计算控制条件。

   （1）型值表参数输入

点击“型值表”模块下的“修改”按钮，弹出型值表参数输入的编辑界面，输入螺旋桨类型选择参数，螺旋桨类型选择参数分三种，分别为“MAU图谱桨”、“B系列图谱桨”和“设计桨”。

选择“MAU图谱桨”时，对应输入螺旋桨参数：“螺旋桨盘面比AE/AO”、“螺旋桨螺距比P/D”，点击确定后，完成“型值表”参数输入。

选择“B系列图谱桨”时，对应输入螺旋桨参数：“螺旋桨盘面比AE/AO”、“螺旋桨螺距比P/D”、“纵倾角Deg(度)”，点击确定后，完成“型值表”参数输入。

选择“设计桨”时，对应选择螺旋桨型值表格式：格式1、格式2，点击确定后，完成“型值表”参数输入。在型值表区域内出现“点击上传”按钮，点击“点击上传”按钮，出现上传文件界面，点击“选择文件”和“上传”按钮，上传完成后点击确认，完成型值表输入。

   （2）主要参数输入

确定“型值表”参数后，点击“主要参数”模块下的“修改”按钮，弹出主要参数输入的编辑界面，输入螺旋桨主要参数，分别为“直径(m)”、“叶数(叶)”、“毂径比”、“缩尺比”、“桨毂长度(mm)”、“桨毂大端距桨盘面距离(mm)”、“桨毂大端直径(mm)”、“桨毂小端直径(mm)”，选择螺旋桨旋向，“左旋”或“右旋”。输入完成后点击确认，完成主要参数输入。

   （3）计算控制条件输入

确定“主要参数”参数后，点击“计算控制条件”模块下的“修改”按钮，弹出计算控制条件输入的编辑界面，输入计算工况参数，分别为“进速系数Js”、“螺旋桨转速n(rps)”、“转速空泡数σn”，选择伴流情况，“有”或“没有”。输入完成后点击确认，完成计算控制条件输入。

当伴流情况选择“有”时，计算控制条件区域内的伴流输入下点击“点击上传”，弹出上传文件界面，点击“选择文件”和“上传”按钮，上传完成后点击确认，完成伴流输入。

6.试验项目计算

完成试验项目参数输入后，点击“前处理”的计算状态区域中“启动计算”按钮，弹出启动求解器界面，点击确认后，计算任务自动提交，项目虚拟试验开始。

7.试验项目计算

计算任务提交成功后，点击“过程展示”按钮，进入过程展示界面，界面中展示试验过程中，螺旋桨表面的“压力云图”、“水动力性能曲线”、“空泡曲线”。各区域中通过“区域缩放”、“区域缩放还原”、“还原”和“下载”按钮，调整云图和曲线的大小及位置，并以图片的形式保存计算过程。

7.试验结果展示

完成计算任务后，点击“后处理”按钮，进入后处理界面，界面中展示试验结果，输出结果包括：“报告及结果展示”、“定常输出结果”、“空泡厚度云图”、“剖面压力曲线”。

   （1）报告及结果展示

点击“报告及结果展示”模块下的“试验报告”按钮，弹出试验报告状态的编辑界面，查看试验报告。试验报告以word文档格式给出可以直接下载或是直接下载后打开。

   （2）定常输出结果

“定常输出结果”模块下展示螺旋桨虚拟试验结果，包括水动力性能参数：进速系数Js、推力系数KT、扭矩系数10KQ、推进效率ηs，以及空泡性能参数：转速空泡数σn、空泡面积A/AO、最大空泡长度Lmax/R、空泡体积V/R3。

   （3）空泡厚度云图

“空泡厚度云图”模块下展示螺旋桨表面空泡厚度分布，该部分可通过鼠标操作，调节展示图形的大小和位置。

   （4）剖面压力曲线

点击“剖面压力曲线”模块下的不同半径按钮后点击“显示曲线”，显示框中展示对应半径的剖面压力分布曲线。

8.非定常模块

面元法空泡激振力的螺旋桨非定常空泡性能预报模块，预报螺旋桨在非均匀流场中的空泡性能。

9.新建试验项目

新建一个项目后，进入面元法空泡激振力模块界面中“前处理”界面，点击“试验属性”中的“修改”按钮，弹出编辑界面，在界面上填写试验类型、船舶名称和桨模编号后，点击“确定”，建立螺旋桨非定常空泡性能预报的试验项目。

8.输入参数

新建一个非定常试验项目后，进入“前处理”的参数输入界面，输入参数包括：型值表参数、主要参数、伴流输入和计算控制条件。

   （1）型值表参数输入

点击“型值表”模块下的“修改”按钮，弹出型值表参数输入的编辑界面，输入螺旋桨类型选择参数，螺旋桨类型选择参数分三种，分别为“MAU图谱桨”、“B系列图谱桨”和“设计桨”，参见图12。

选择“MAU图谱桨”时，对应输入螺旋桨参数：“螺旋桨盘面比AE/AO”、“螺旋桨螺距比P/D”，点击确定后，完成“型值表”参数输入，参见图13。

选择“B系列图谱桨”时，对应输入螺旋桨参数：“螺旋桨盘面比AE/AO”、“螺旋桨螺距比P/D” 、“纵倾角Deg(度)”，点击确定后，完成“型值表”参数输入，参见图14。

选择“设计桨”时，对应选择螺旋桨型值表格式：格式1、格式2，点击确定后，完成“型值表”参数输入。在型值表区域内出现“点击上传”按钮，点击“点击上传”按钮，出现上传文件界面，点击“选择文件”和“上传”按钮，上传完成后点击确认，完成型值表输入，参见图15。

   （2）主要参数输入

确定“型值表”参数后，点击“主要参数”模块下的“修改”按钮，弹出主要参数输入的编辑界面，输入螺旋桨主要参数，分别为“直径(m)”、“叶数(叶)”、“毂径比”、“缩尺比”、“桨毂长度(mm)”、“桨毂大端距桨盘面距离(mm)”、“桨毂大端直径(mm)”、“桨毂小端直径(mm)”，选择螺旋桨旋向，“左旋”或“右旋”。输入完成后点击确认，完成主要参数输入，参见图16。

   （3）伴流输入

确定“主要参数”参数后，点击“伴流输入”模块下的“点击上传”按钮，出现上传文件界面，点击“选择文件”和“上传”按钮，上传完成后点击确认，完成伴流输入。

   （4）计算控制条件输入

确定“伴流输入”参数后，点击“计算控制条件”模块下的“修改”按钮，弹出计算控制条件输入的编辑界面，输入计算工况参数，分别为“进速系数Js”、“螺旋桨转速n(rps)”、“转速空泡数σn” 、“一周期(360°)桨计算步长”。输入完成后点击确认，完成计算控制条件输入。

9.试验项目计算

完成试验项目参数输入后，点击“前处理”的计算状态区域中“启动计算”按钮，弹出启动求解器界面，点击确认后，计算任务自动提交，项目虚拟试验开始，参见图19。

9.试验过程展示

计算任务提交成功后，点击“过程展示”按钮，进入过程展示界面，界面中展示试验过程中，螺旋桨表面的“压力云图”、“水动力性能曲线”、“空泡曲线”，参见图20。

10.试验结果展示

完成计算任务后，点击“后处理”按钮，进入后处理界面，界面中展示试验结果，输出结果包括：“报告及结果展示”、“定常输出结果”、“空泡厚度云图”、“剖面压力曲线”。

   （1）报告及结果展示

点击“报告及结果展示”模块下的“试验报告”按钮，弹出试验报告状态的编辑界面，查看试验报告。试验报告以word文档格式给出可以直接下载或是直接下载后打开，参见图21、图22。

   （2）定常输出结果

“定常输出结果”模块下展示螺旋桨虚拟试验结果，包括水动力性能参数：进速系数Js、推力系数KT、扭矩系数10KQ、推进效率ηs，以及空泡性能参数：转速空泡数σn、空泡面积A/AO、最大空泡长度Lmax/R、空泡体积V/R3，参见图23。

   （3）空泡厚度云图

“空泡厚度云图”模块下展示螺旋桨表面空泡厚度分布，该部分可通过鼠标操作，调节展示图形的大小和位置，参见图24。

   （4）剖面压力曲线

点击“剖面压力曲线”模块下的不同半径按钮后点击“显示曲线”，显示框中展示对应半径的剖面压力分布曲线，参见图25。

11.输入输出参数说明

面元法空泡激振力输入参数分导入参数部分和直接输入部分。直接输入参数以网页形式保存在paras.xml文件中。导入参数由以下几个文件组成：

（1）螺旋桨型值文件，para_formal.dat，文件格式分为：格式1和格式2；

（2）伴流场输入文件，control_wake.dat，根据定常与非定常模块，输入文件中部分参数不同。

输出参数包括水动力性能参数、空泡性能参数、螺旋桨表面压力数据、空泡厚度数据等，由以下几个文件组成：

（1）螺旋桨性能记录文件，output.dat(定常)、uns_output.dat(非定常)；

（2）空泡厚度云图文件，mod_thic.dat、uns_mod_thic_0.dat (非定常，主叶片在不同角度位置)，Tecplot文件格式；

（3）桨叶剖面压力曲线文件，pressure_sec.dat、uns_pressure_sec_0.dat(非定常，主叶片在不同角度位置)；

（4）水动力性能数据过程文件，course_output.dat(定常)、uns_course_output.dat(非定常)；

（5）空泡性能数据过程文件，course_cavi.dat(定常)、uns_course_cavi.dat(非定常)，Tecplot文件格式；

（6）桨叶表面压力云图过程文件，pressure_course_1.dat(定常)、uns_pressure_course_1.dat(非定常)，Tecplot文件格式；

（7）桨叶表面空泡云图过程文件，thic_course_1.dat (定常)、uns_thic_course_1.dat(非定常)，Tecplot文件格式。

12.输入参数符号及格式说明

（1）paras.xml文件的参数符号说明：paras.xml文件的参数为直接输入参数，参数说明见表1。

（2）para_formal.dat文件参数的符号说明：para_formal.dat文件包含两种输入格式，两种输入格式中的参数不同。两种格式中参数说明参见表2和表3，文件格式见图29和图30。

（3）control_wake.dat文件参数的符号说明：control_wake.dat输入伴流场参数，输入文件中的参数说明参见表4，其中部分参数为非定常模块计算时用，文件格式见图31。

12.输出参数符号说明

输出参数包括水动力性能参数、空泡性能参数、螺旋桨表面压力数据、空泡厚度数据等，参数符号说明见表5。空泡面积、空泡体积和空泡厚度的变化

1. 参考文献

J. Dang，Numerical Simulation of Unsteady Partial Cavity Flows [doctoral dissertation]，Delft University, Delft, Netherlands (2001)

G. Vaz，Modeling of Sheet Cavitation on Hydrofoils and Marine Propellers Using Boundary Element Methods，[doctoral dissertation] Universidad Técnica de Lisboa, Lisbon, Portugal (2005)

J.S. Uhlman，The surface singularity method applied to partially cavitating hydrofoils，J. Ship Res., 31 (2) (1987), pp. 107-124

C.S. Lee, Kim, J.T. Lee，A potential based panel method for the analysis of two-dimensional super or partially cavitating hydrofoil，J. Ship Res., 36 (2) (1992)

S.A. Kinnas, Young, Numerical modelling of super cavitating and surface-piercing propeller flows, in: Fourth International Symposium on Cavitation (CAV2001); 2001 June; California, USA, 2001.

2. 研究团队

美国S.A. Kinnas团队；荷兰MARIN水池；中国CSSRC，中国海军工程大学等

3. 研究进展

面元法技术已经基本成型，目前对方法的研究已经很少，目前主要研究的是应用技术，如何提高精度和减少人为操作。面元法应用与空泡流动的模拟其方法也已成型，国外著名水池都有自己开发的代码。国内，面元法应用于空泡相对晚些，目前也有一些单位有自己的代码，可以用于工程应用。