Abstract The complex flow field interference between the front and rear propellers will affect the efficiency of the tandem propeller. To reduce or utilize this kind of interference and improve efficiency, inspired by the excellent aerodynamic performance (lift-drag ratio) of the plane with canard-configuration wings, an exploratory numerical study has been carried out to investigate the hydrodynamic performance of new canard-configuration tandem propellers based on RANS method with SST k-ω turbulence model and moving reference frame using the STAR-CCM+ solver. The effect of diameter ratio, axial distance and angular displacement on the hydrodynamic performance of the tandem propeller has been widely investigated. In order to get a general conclusion, the new tandem propellers were designed based on two traditional tandem propellers, CLAU3-30-1-10-20-0 and CLB4-55-1-10-21-23.7. The numerical approach was applied to simulate the open water performance of the two traditional propellers first and the comparison of numerical results with the experimental data was in a good agreement. The study reveals that the efficiency of the tandem propeller can be improved by decreasing the diameter of the front propeller to a certain extent. Generally, the efficiency is also increasing with the increase of axial distance, but an extreme small axial distance with a specified angular displacement can improve the efficiency significantly, and the flow field interaction between the front and rear propeller blades was investigated to explain the efficiency improvement. The optimum angular displacement, which is important for a tandem propeller design, is related to the axial distance and the working condition (advance coefficient) of the propeller. Furthermore, the redistribution of the negative pressure on the front and rear propeller blades using the canard-configuration may lead to a better cavitation performance than that of the traditional tandem propeller. Generally, this study presents a comprehensive study on the effect of three important geometrical parameters on the performance of the tandem propellers and demonstrates some advantages of the new canard-configuration tandem propellers over the tradition tandem propellers. The results have certain significance for the design and development of new tandem propellers.

中文翻译：

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新型鸭式串联螺旋桨水动力性能数值研究

摘要 前后螺旋桨之间复杂的流场干扰会影响串联螺旋桨的效率。为了减少或利用这种干扰并提高效率，受鸭式构型机翼飞机出色的气动性能（升阻比）的启发，进行了探索性数值研究，以研究新型鸭式机翼的流体动力学性能。配置串联螺旋桨，基于 RANS 方法，使用 SST k-ω 湍流模型和移动参考系，使用 STAR-CCM+ 求解器。直径比、轴距和角位移对串联螺旋桨水动力性能的影响已得到广泛研究。为了得出一个总体结论，新型串联螺旋桨是在两种传统串联螺旋桨的基础上设计的，CLAU3-30-1-10-20-0 和 CLB4-55-1-10-21-23.7。首先采用数值方法对两种传统螺旋桨的开放水域性能进行了模拟，数值结果与实验数据的比较具有较好的一致性。研究表明，在一定程度上减小前桨直径可以提高串列桨的效率。一般来说，效率也随着轴距的增加而增加，但具有指定角位移的极小轴距可以显着提高效率，并研究了前后桨叶之间的流场相互作用来解释效率的提高. 最佳角位移，这对串联螺旋桨设计很重要，与螺旋桨的轴向距离和工作状态（超前系数）有关。此外，使用鸭式配置的前后螺旋桨叶片上负压的重新分配可能会导致比传统串联螺旋桨更好的空化性能。总的来说，本研究全面研究了三个重要几何参数对串联螺旋桨性能的影响，并展示了新型鸭式串联螺旋桨相对于传统串联螺旋桨的一些优势。研究结果对新型串联螺旋桨的设计开发具有一定的意义。使用鸭式配置的前后螺旋桨叶片上负压的重新分配可能会导致比传统串联螺旋桨更好的空化性能。总的来说，本研究全面研究了三个重要几何参数对串联螺旋桨性能的影响，并展示了新型鸭式串联螺旋桨相对于传统串联螺旋桨的一些优势。研究结果对新型串联螺旋桨的设计开发具有一定的意义。使用鸭式配置的前后螺旋桨叶片上负压的重新分配可能会导致比传统串联螺旋桨更好的空化性能。总的来说，本研究全面研究了三个重要几何参数对串联螺旋桨性能的影响，并展示了新型鸭式串联螺旋桨相对于传统串联螺旋桨的一些优势。研究结果对新型串联螺旋桨的设计开发具有一定的意义。本研究对三个重要几何参数对串联螺旋桨性能的影响进行了全面研究，并展示了新型鸭式串联螺旋桨相对于传统串联螺旋桨的一些优势。研究结果对新型串联螺旋桨的设计开发具有一定的意义。本研究对三个重要几何参数对串联螺旋桨性能的影响进行了全面研究，并展示了新型鸭式串联螺旋桨相对于传统串联螺旋桨的一些优势。研究结果对新型串联螺旋桨的设计开发具有一定的意义。