双层螺旋桨的CFD模拟是研究其流体动力学性能（如推力、扭矩、流场结构及相互作用）的重要手段，尤其适用于船舶推进、无人机旋翼、搅拌混合等场景。以下是详细的模拟方法、关键步骤及注意事项：

1. 几何建模与简化

• 几何处理：

  • 精确建模：保留桨叶的曲面几何（如螺距角、弦长分布、后倾角等），确保CAD模型与实物一致（可使用SolidWorks、BladeGen或CATIA）。

  • 简化建议：

    • 忽略螺栓孔、微小倒角等非关键特征。

    • 若研究远场流场，可缩短桨毂以减小计算量。

• 双层桨布置：

  • 明确两桨间距（如0.5~2倍桨直径D）和旋转方向（同向/反向）。

  • 标注相对相位角（如上下桨叶错开30°以降低脉动）。

2. 计算域与网格划分

(1) 计算域设置

• 域尺寸：

  • 进口：上游3~5D，避免回流影响。

  • 出口：下游10~15D，确保充分发展流。

  • 径向：3~5D，减少壁面干扰。

• 边界条件：

  • 进口：速度入口（均匀来流）或压力入口。

  • 出口：压力出口（静压=0或环境压力）。

  • 侧壁：对称边界（Symmetry）或滑移壁面。

  • 桨叶及桨毂：无滑移壁面（No-slip wall）。

(2) 网格生成

• 策略：

  • 旋转域法（MRF/Sliding Mesh）：

    • 静止域：背景流体区域，结构化六面体网格。

    • 旋转域：包裹每个螺旋桨的圆柱域，采用非结构四面体/多面体网格（可配合棱柱层）。

  • 重叠网格（Overset Mesh）：适用于复杂运动（如变桨距）。

• 网格要求：

  • 边界层网格：首层高度满足y+≈1~30（依赖湍流模型），15~20层，增长率1.1~1.2。

  • 局部加密：桨叶前缘、尾缘、叶尖涡区域。

  • 网格量参考：单桨约200万~500万网格，双层桨需适当增加。

3. 物理模型与求解设置

(1) 湍流模型选择

• RANS模型（工程常用）：

  • SST k-ω：精度高，适用于分离流和旋转流动。

  • Realizable k-ε：稳健性较好，适合高雷诺数流。

• LES/DES：需极高网格量，用于瞬态涡分析（如涡脱落细节）。

• 转捩模型（如γ-Reθ）：若研究层流-湍流转捩（低雷诺数场景）。

(2) 多参考系（MRF） vs. 滑移网格（Sliding Mesh）

• MRF：

  • 稳态近似，计算快，适用于初步设计。

  • 忽略桨间瞬态相互作用，可能低估脉动压力。

• Sliding Mesh：

  • 瞬态模拟，真实捕捉桨间干扰和涡演化。

  • 时间步长需小（如旋转1°~2°对应时间Δt）。

(3) 其他设置

• 流体属性：密度、粘度（考虑水/空气或非牛顿流体）。

• 旋转速度：指定角速度（RPM）或通过UDF控制变速。

• 收敛标准：残差<1e-5，同时监测推力/扭矩系数稳定性。

4. 关键分析内容与后处理

(1) 性能参数

• 推力系数

  
  

• 扭矩系数

  
  

• 效率（η）：

  
  

(2) 流场可视化

• 速度云图/流线：观察尾流结构、上下桨干扰区。

• 涡量等值面（Q准则）：识别叶尖涡、桨毂涡的相互作用。

• 压力分布：桨叶表面压力载荷（验证空化风险）。

(3) 瞬态分析（若用Sliding Mesh）

• 脉动压力监测：评估噪声源（如桨-桨干涉频率）。

• 力/力矩时序：分析周期性波动幅值。

5. 常见问题与解决策略

6. 实验验证与标定

• 推力/扭矩测试：在水槽或风洞中与CFD结果对比。

• PIV（粒子图像测速）：测量流场速度分布，验证涡结构。

• 压力传感器：桨叶表面压力分布校准。

7. 典型案例参考

• 场景：船舶对转螺旋桨（CRP）优化。

• CFD发现：下层桨尾流导致上层桨效率下降5%。

• 改进：调整上下桨间距至1.2D，效率提升3.5%。

8. 推荐软件

• ANSYS Fluent：MRF/Sliding Mesh支持完善，后处理强大。

• STAR-CCM+：重叠网格和自动网格适配优势明显。

• OpenFOAM：开源灵活，适合自定义模型（需编程基础）。

通过系统的CFD模拟，可优化双层螺旋桨的匹配设计，平衡效率与振动噪声，减少实体制备成本。对于复杂工况（如空化、非定常来流），建议结合UDF或耦合多物理场工具。