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船舶螺旋桨的水动力性能主要包括螺旋桨的推力、扭矩以及敞水效率。在进行船舶螺旋桨的设计制造时，除了需要考虑水动力性能外还需考虑螺旋桨产生的空泡、强度以及激振力。对于军用船舶，需额外考虑螺旋桨所产生的噪声。另外，仿生工程已渗入到各个学科领域，且产生了系列显著的科学技术成果。因此，本文以减少船舶螺旋桨产生的梢涡空泡和提高螺旋桨的敞水效率为目的，采用仿生方法对螺旋桨进行设计和性能分析研究。
受仿生学的启发，通过商业软件STAR-CCM+中的RANS湍流模型对5种具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨进行数值分析研究，其中以MAU5-80螺旋桨作为基准的螺旋桨模型。具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨的几何结构特点主要在于其叶梢相对于MAU型螺旋桨叶梢向压力面倾斜，并保持仿生小翼螺旋桨的直径和MAU型螺旋桨的直径相同。首先对MAU型螺旋桨敞水特性进行数值模拟计算和实验对比分析，然后通过压力系数、梢涡空泡、轴向速度场和螺旋度等对仿生小翼螺旋桨和MAU型螺旋桨进行对比分析研究。数值计算结果表明，与MAU型螺旋桨相比，新设计的具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨对螺旋桨的效率影响不大，而推力系数随小翼倾角的增大逐渐减小。在螺旋桨叶梢附近的吸力面，小翼螺旋桨的压力系数总的来说高于MAU型螺旋桨的压力系数。当小翼倾角较小时，叶梢小翼有利于减少梢涡空泡的产生。然而，随着小翼倾角的进一步增大，小翼螺旋桨产生的空泡也随之增大，所产生的空泡甚至比MAU型螺旋桨还要大。因此，可以推断叶梢小翼在一定程度上可以有效地改善螺旋桨梢涡空泡的特性，从而降低船舶螺旋桨产生汽蚀的风险。
虽然RANS湍流模型能够较好地预测船舶螺旋桨的水动力特性以及梢涡空泡，但是RANS湍流模型对梢涡尾流场模拟耗散过快，导致其只能较好地模拟跟踪梢涡尾流场一小段的距离。因此本文采用LES湍流模型对MAU型螺旋桨和小翼B螺旋桨的梢涡发展进行进一步地分析研究。采用体积控制法对梢涡尾流区域进行网格加密处理。通过Q-criterion、螺旋度和气体体积分数等对比研究MAU型螺旋桨和小翼螺旋桨所产生的梢涡空泡。数值结果表明LES湍流模型能够模拟出很长一段的梢涡尾流场，就梢涡尾流来说比RANS湍流模型更加精确。LES湍流模型模拟的结果表明叶梢小翼可以使得梢涡尾迹的强度被削弱。仿生小翼螺旋桨尾流梢涡中心的压力高于MAU型螺旋桨梢涡中心的压力，因此叶梢小翼的存在有助于减少气体体积。
通过改变螺旋桨叶剖面的形状来研究仿生船舶螺旋桨的水动力特性，仿生船舶螺旋桨叶剖面采用海鸥、秋沙鸭、短颈野鸭及猫头鹰翅膀的几何特征。通过水动力特性、压力分布及梢涡等对螺旋桨进行分析研究。数值计算结果表明，在同一进速系数的情况下，四种仿生叶剖面螺旋桨的推力系数和扭矩系数几乎都高于MAU型螺旋桨的推力系数和扭矩系数。在相同推力载荷系数的工况下，除了短颈野鸭螺旋桨在小推力载荷系数时，四种仿生叶剖面螺旋桨的效率都高于MAU型螺旋桨的效率。此外，在叶梢导边附近所产生的压差，仿生叶剖面螺旋桨与MAU型螺旋桨相比较小，从而削弱了梢涡的强度，改善船舶螺旋桨的性能。
受仿生学的启发，通过商业软件STAR-CCM+中的RANS湍流模型对5种具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨进行数值分析研究，其中以MAU5-80螺旋桨作为基准的螺旋桨模型。具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨的几何结构特点主要在于其叶梢相对于MAU型螺旋桨叶梢向压力面倾斜，并保持仿生小翼螺旋桨的直径和MAU型螺旋桨的直径相同。首先对MAU型螺旋桨敞水特性进行数值模拟计算和实验对比分析，然后通过压力系数、梢涡空泡、轴向速度场和螺旋度等对仿生小翼螺旋桨和MAU型螺旋桨进行对比分析研究。数值计算结果表明，与MAU型螺旋桨相比，新设计的具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨对螺旋桨的效率影响不大，而推力系数随小翼倾角的增大逐渐减小。在螺旋桨叶梢附近的吸力面，小翼螺旋桨的压力系数总的来说高于MAU型螺旋桨的压力系数。当小翼倾角较小时，叶梢小翼有利于减少梢涡空泡的产生。然而，随着小翼倾角的进一步增大，小翼螺旋桨产生的空泡也随之增大，所产生的空泡甚至比MAU型螺旋桨还要大。因此，可以推断叶梢小翼在一定程度上可以有效地改善螺旋桨梢涡空泡的特性，从而降低船舶螺旋桨产生汽蚀的风险。
虽然RANS湍流模型能够较好地预测船舶螺旋桨的水动力特性以及梢涡空泡，但是RANS湍流模型对梢涡尾流场模拟耗散过快，导致其只能较好地模拟跟踪梢涡尾流场一小段的距离。因此本文采用LES湍流模型对MAU型螺旋桨和小翼B螺旋桨的梢涡发展进行进一步地分析研究。采用体积控制法对梢涡尾流区域进行网格加密处理。通过Q-criterion、螺旋度和气体体积分数等对比研究MAU型螺旋桨和小翼螺旋桨所产生的梢涡空泡。数值结果表明LES湍流模型能够模拟出很长一段的梢涡尾流场，就梢涡尾流来说比RANS湍流模型更加精确。LES湍流模型模拟的结果表明叶梢小翼可以使得梢涡尾迹的强度被削弱。仿生小翼螺旋桨尾流梢涡中心的压力高于MAU型螺旋桨梢涡中心的压力，因此叶梢小翼的存在有助于减少气体体积。
通过改变螺旋桨叶剖面的形状来研究仿生船舶螺旋桨的水动力特性，仿生船舶螺旋桨叶剖面采用海鸥、秋沙鸭、短颈野鸭及猫头鹰翅膀的几何特征。通过水动力特性、压力分布及梢涡等对螺旋桨进行分析研究。数值计算结果表明，在同一进速系数的情况下，四种仿生叶剖面螺旋桨的推力系数和扭矩系数几乎都高于MAU型螺旋桨的推力系数和扭矩系数。在相同推力载荷系数的工况下，除了短颈野鸭螺旋桨在小推力载荷系数时，四种仿生叶剖面螺旋桨的效率都高于MAU型螺旋桨的效率。此外，在叶梢导边附近所产生的压差，仿生叶剖面螺旋桨与MAU型螺旋桨相比较小，从而削弱了梢涡的强度，改善船舶螺旋桨的性能。