螺旋桨最早出现于1809年，经过 200多年的发展，已经形成较为成熟的理论体系，是当前应用最为广泛的推进器，轴向推力大，工作效率高，用来克服船舶在前进过程中的阻力，维持船舶的操纵运动。不同类型的船舶，往往选取不同种类的螺旋桨，常用的有对转螺旋桨、串列螺旋桨、可调螺距螺旋桨以及导管螺旋桨等。^[1-3]随着船舶行业的发展，为提高船舶推进效率，国内外都投入了大量的试验研究。螺旋桨设计的主要问题是在满足螺旋桨吸收轴功率、拉力和转速的前提下，力求使螺旋桨的质量小，效率高，噪声小，并保证具有一定的结构安全余度。基于最小诱导阻力的螺旋桨设计始于20世纪初的Betz和Goldstein。1936年，Glauert使用了Betz提供的方程式，但没有任何有组织的程序来设计螺旋桨。同样在1936年，Bierman开发了第一个参数研究，分析了螺旋桨设计过程中一些参数的影响。他分析了设计螺距角随螺旋桨运行速度和推力和/或功率增加而减小的情况。Theodorsen表明，对于大圆盘载荷，也可以应用Betz条件来获得最小能量损失。1979年晚些时候，Larrabee回顾了Glauert的工作，提出了一个简单的方法来生产新的螺旋桨几何结构。然而，该方法仍然存在一些问题：迎角近似小，圆盘载荷小，诱导速度公式中不包含粘性项。1990年期间，里伯和福斯特（Riber and Foster）随后对西奥多森的发展进行了修订。最近在1994年，Adkins和Liebeck对之前的工作提出了一些改进，带来了一种新的设计方法，没有小迎角近似和一些光碟载荷限制，这更好地符合设计螺旋桨的分析。^[4]

传统的螺旋桨理论设计与计算建立在势流理论基础上，目前仍在广泛使用，但对于预报螺旋桨的水动力特性的分析计算，由于势流理论忽略了流体粘性和旋度的影响，获得螺旋桨水动力性能数据主要通过实验和计算的方法^[5]。目前广泛采用的实验方法是螺旋桨模型敞水试验。然而由于桨叶曲面形状复杂，桨模制作周期较长，造价昂贵，因此桨模试验不能快速预报螺旋桨敞水性能。^[6] 近年来随着实验条件的进步，出现了激光多普勒仪（LDV），它的不干扰流场和高精度的特性被作为一种先进的流场测量手段，可是这需要非常精密的试验设备，同时，不具有快速预报螺旋桨敞水性能的能力。从 1912 年茹可夫斯基提出螺旋桨旋涡理论以来，螺旋桨计算方法发展已有数十年，基于势流理论而建立升力面理论，面元法等已有相当水平并广泛应用到螺旋桨的设计与预报当中。然而，这些方法的计算过程异常烦琐，需要事先掌握许多预备知识。N-S方程考虑了流体的粘性影响，对于因粘性而产生的桨叶表面边界层的生成、发展、分离桨叶梢涡的形成都有可能预报，但早期的解决方法需要大量的计算，制约了它的应用。现在随着计算机的迅猛发展，已经具备了几年以前还难以想象的计算能力，使得一些比较成熟的船舶性能计算方法，开始在实践中发挥重要的作用^[7]。为实现快速预报螺旋桨敞水性能，并根据需要准确读取指定类型和指定位置的数据，利用 FLUENT 流体计算软件对螺旋桨敞水实验进行数值模拟，根据数值计算的结果绘制敞水性能曲线。在众多的CFD软件中, FLUENT是市场占有率最高的软件^[8]，可以解决的流体力学问题包括对螺旋桨的数值模拟，成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态 ^[9]。

刘丹等人通过螺旋桨的基本参数在Pro/E软件中建立三维模型,采用CFD软件,基于雷诺时均方程对螺旋桨进行数值模拟,得出不同进速系数下的敞水性能曲线,并对结果进行分析。同时比较三种湍流模型: 标准kε模型、RNGk -ε模型和Realizablek -ε模型的计算结果。通过CFD软件数值模拟了定常稳态条件下螺旋桨的敞水性能，模拟结果与试验结果的偏差在允许范围之内，因此在研究螺旋桨性能的工作中可以运用 CFD软件进行数值模拟,并且结果能够满足工程应用的要求^[6]。

王超等人采用 CFD 软件对敞水螺旋桨的水动力性能进行了数值模拟,通过数值模拟得出各种不同进速 系数下桨叶的敞水(即不计船舶尾流影响)性能曲线; 将计算结果与试验测量值作了比较,并对结果进行了分析。同时,数值模拟也显示出了螺旋桨桨叶上及流道内的速度、压力和流线等分布情况。计算结果与试验偏差都不超过 4%。因此得出结论目前在螺旋桨敞水性能计算中,采用 CFD 软件进行的数值模拟结果可以满足工程应用的要求。

姚震球等人利用螺旋桨基本参数建立螺旋桨三维模型并采用 Fluent 软件对其敞水性能和流场进行数值仿真计算，给出了敞水性征曲线，并就计算结果与试验测量值作了比较和分析，使用FLUENT软件考察在不同进速系数下得到的推力系数KT、扭矩系数KQ与试验结果比较误差不超过7%，因此可以较为可靠的预报螺旋桨的性能，具有实际应用价值。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是流体力学理论研究的一个重要分支，是 20 世纪 60 年代起伴随着计算机的发展而迅速崛起的学科。经过半个世纪的发展，这门学科己相当成熟。现将对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及工程应用一般简称为 CFD 技术^[10]。CFD软件应用计算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的电脑，编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组，得到确定边界条件下的数值解。其基本思想就是通过划分网格把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散点的场变量之间关系的代数方程，然后求解代数方程组获得变量的近似值。CFD特有的经济性、时效性和可靠性，使得用较少的费用在较短的时间可以获得大量有价值的研究结果。在船舶领域，计算船舶流体力学已经成为一种研究船舶性能的重要工具，应用领域也越来越广^[11]。因此，将 CFD 与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量，是一种有效和经济的研究手段。建立CFD模型的主要目的是了解如何对所讨论的问题进行建模，并将模拟结果与理论上的结果进行对比。一个成功而高效的数值计算,只有在网格生成及求解算法两者之间有良好的匹配时才能实现^[12]。

计算流体力学经过近 30年的发展 ,对于边界简单的二维、三维问题 ,在结构网格上已经获得了准确高效的解法，结构网格方法能保证生成的网格具有较好的正交性，网格质量较好^[13]。但是随着所需解决问题的逐步复杂，物体的绕流边界变得不规则，常用的结构网格在划分这些区域时往往很困难 ,因此非结构网格随之出现。 所谓非结构网格 ,是指这种网格的单元和节点彼此间没有固定的规律可循 ,其节点分布完全是任意的。它较之结构网格有如下优点: （1） 适于处理复杂的边界。 （2） 能方便地采用自适应技术。 （3） 其生成过程不需求解任何方程^[14]。

本研究利用计算流体力学软件FLUENT模拟螺旋桨所在的计算域内的三维粘性不可压缩流，利用滑移网格和动网格等计算模型对某一螺旋桨敞水进行数值模拟,结合已有的实验图谱对推进系数、转矩系数等敞水性能进行对比分析,并研究流场的变化对螺旋桨性能的影响,流场的变化包括进速系数的变化和入射角的变化,此处的入射角指的是螺旋桨转轴线与来流方向的夹角^[15]。