基于面元法理論的船用螺旋槳設計方法研究.pdf

1、螺旋槳及其所衍生出的各種組合推進器是現(xiàn)代船舶領域中應用最廣泛的推進形式,其設計和性能計算也一直是船舶流體力學領域中非常重要的課題之一。船用螺旋槳工作于船后的伴流場中,受伴流非均勻性的影響,在運轉(zhuǎn)的過程中往往不可避免地會在槳葉上出現(xiàn)非定常空泡現(xiàn)象,產(chǎn)生空泡剝蝕、船艉振動、輻射噪聲等有害后果。因此,在螺旋槳設計過程中,設計者應充分考慮并兼顧推進效率、空泡、振動、噪聲和剝蝕等多種性能要求,以得到綜合性能最優(yōu)的螺旋槳設計方案。
　　 螺

2、旋槳理論設計方法具有傳統(tǒng)圖譜設計方法無可比擬的靈活性和適應性,因其可用于各種形式的螺旋槳設計中,針對某一具體的設計問題從流體力學的角度對所有約束條件,如葉片載荷、環(huán)量分布、推進效率等因素加以分析、控制,所以理論設計方法對于降低螺旋槳的振動和噪聲、進一步改善螺旋槳性能有著重要的意義。本文采用理論方法系統(tǒng)研究了船用螺旋槳的理論設計問題,主要工作有:
　　 (1)對應用面元法理論進行三維水翼數(shù)值設計的方法進行了詳細的研究,改進了指定最

3、大厚度、水翼升力要求及水翼剖面壓力分布形式條件下的三維水翼的數(shù)值設計過程;在設計過程中,模擬了水翼的尾渦卷曲以充分考慮水翼的三維效應,用B樣條曲線表達水翼剖面幾何形狀以提高設計效率和質(zhì)量。
　　 (2)研究了基于改進升力線模型和改進粒子群優(yōu)化算法的螺旋槳最佳徑向環(huán)量分布的求解方法。改進了傳統(tǒng)的基于中載螺旋槳理論的升力線模型,在升力線理論中計入了螺旋槳在軸向、周向和徑向誘導速度的影響,通過迭代計算滿足了自由渦線的“渦線方向與當?shù)亓?/p>

4、場方向保持一致”的運動學邊界條件,獲得了變形的自由渦線,使改進的升力線模型適用于包括重載工況在內(nèi)的多種螺旋槳工作狀態(tài)下最佳環(huán)量分布的求解。同時,發(fā)展了一種基于人工智能理論的改進粒子群優(yōu)化算法,該算法增加了針對部分早熟收斂粒子的變異策略,能夠較好的對無約束及有約束的非線性優(yōu)化問題進行求解。最后,以此全局尋優(yōu)能力更強、收斂速度更快的優(yōu)化算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變分法,尋優(yōu)得到最佳徑向環(huán)量分布。
　　 (3)研究了基于面元法理論的船用螺旋槳設計

5、方法,對現(xiàn)有的設計方法進行了改進;用B樣條曲面表示螺旋槳表面,并對剖面形狀進行迭代修j下以使剖面壓力滿足指定槳葉剖面壓力分布形式:應用人工智能算法,以降低軸向脈動力為目標針對螺旋槳的側斜分布進行了初步優(yōu)化及相關的分析探討,并編制了基于OpenMP語言的并行優(yōu)化算法以在多核高性能計算機上提高運算效率。
　　 (4)針對微小型水下機器人的特點,結合具體工程設計實例,開發(fā)了三葉小盤面比螺旋槳系列,并繪制了設計圖譜,該螺旋槳系列可適用于

6、小負荷、低航速、較低主機轉(zhuǎn)速的水下航行體的主推螺旋槳。設計了一組三葉小盤面比螺旋槳并進行槳模的敞水試驗;根據(jù)試驗數(shù)據(jù)修正基于面元法理論的螺旋槳性能預報方法,進一步提高預報方法的計算精度,并將該方法用于計算繪制設計圖譜所需的其它數(shù)據(jù),完成螺旋槳設計圖譜的繪制工作。
　　 通過對己有的螺旋槳進行重新設計,結果表明:按本文的方法設計出的螺旋槳,具有較高的效率,且具備給定的平頂壓力分布形式、盤面載荷更加均勻,有利于螺旋槳的空泡性能及降低