四象限工况下螺旋桨流场的数值模拟与流动机理研究：基于RANS与DDES方法的对比验证

本研究针对船舶操纵中螺旋桨在正/反转与顺/逆流组合工况下的复杂流场特性，采用RANS和DDES方法系统研究了KVLCC2船模螺旋桨在四象限工况下的水动力性能。通过验证实验数据发现，RANS在相同流向工况(Q1/Q3)与DDES结果相近，而在反向流工况(Q2/Q4)中DDES能更准确捕捉流动分离和涡旋演化特征。该研究为船舶推进系统在非设计工况下的性能预测提供了重要方法支撑。

　　

在船舶操纵过程中，螺旋桨经常需要在前进和倒退工况下工作，为船舶提供正负推力。传统研究多聚焦于螺旋桨正向旋转且船舶前进的标准工况（第一象限Q1），而对于反向旋转或逆流等非设计工况（Q2-Q4）的系统研究仍较缺乏。特别是在港口机动时，螺旋桨可能面临复杂的流向组合工况，此时螺旋桨射流与来流的相互作用会产生剧烈流动分离，严重影响舵面入流特性。这些非设计工况下的流场特征难以通过常规雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法准确模拟，亟需采用更高精度的数值方法进行研究。

针对这一科学问题，国内研究人员在《Applied Ocean Research》发表了关于四象限螺旋桨流场的数值研究。该工作以KVLCC2船模螺旋桨(FHP)为研究对象，采用RANS和延迟分离涡模拟(DDES)两种方法，系统考察了不同流向组合工况下的螺旋桨性能。研究创新性地使用加载角ε替代传统进速比，实现了四象限数据的连续表达，并通过与实验数据的对比验证了数值方法的可靠性。

研究主要采用了以下关键技术：1)基于OpenFOAM平台的pimpleFoam求解器；2)滑动网格技术处理螺旋桨旋转；3)k-ω SST湍流模型及其转捩模型对比；4)网格和时间步长的独立性验证；5)Q准则涡识别方法。实验数据来自上海船舶运输研究所的拖曳水池试验。

在"3. Turbulent state discussion"部分，研究对比了k-ω SST模型与Langtry-Menter转捩模型的表现。结果显示在Re≈3×10⁵条件下，转捩模型能更准确预测推力系数C_T，但计算成本显著增加。考虑到Q2/Q4工况以流动分离为主导，最终选择k-ω SST模型配合壁函数进行后续模拟。

"4. Convergence study"详细报道了网格和时间步长的独立性验证。在Q1工况下，采用六套网格进行验证，发现最密网格(1550万)的推力系数不确定度约为11%。在Q2工况的DDES模拟中，需要200转螺旋桨旋转(5秒物理时间)才能获得稳定的统计结果。功率谱分析显示主导频率在0.25Hz附近，与叶片通过频率(160Hz)明显不同。

"5. Comparison of RANS and DDES"部分的关键发现是：在Q1/Q3同向流工况，RANS与DDES的全局力预测结果差异小于0.72%，近场涡结构也高度一致；而在Q2反向流工况，DDES能捕捉到RANS无法分辨的大尺度涡旋结构和非定常脉动特征，平均推力预测更接近实验值。

"6. Results and discussions"展示了四象限工况下的详细流场特征。在Q1工况，螺旋桨射流与来流同向，流场稳定，轴向速度最高可达来流4倍；而在Q3工况，反向旋转导致加速效应减弱。Q2/Q4工况则出现大规模流动分离，形成明显的回流区。特别发现Q2(正来流/反旋转)比Q4(反来流/正旋转)的流态转换更迟缓，这与螺旋桨射流特性差异相关。

该研究通过系统性的数值模拟，阐明了螺旋桨在四象限工况下的流场演化规律，建立了针对不同流向组合的模拟策略：同向流工况