基于面元法理論的船用螺旋槳設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、螺旋槳及其所衍生出的各種組合推進(jìn)器是現(xiàn)代船舶領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)形式,其設(shè)計(jì)和性能計(jì)算也一直是船舶流體力學(xué)領(lǐng)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(chǎng)中,受伴流非均勻性的影響,在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中往往不可避免地會(huì)在槳葉上出現(xiàn)非定?？张莠F(xiàn)象,產(chǎn)生空泡剝蝕、船艉振動(dòng)、輻射噪聲等有害后果。因此,在螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮并兼顧推進(jìn)效率、空泡、振動(dòng)、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(shè)計(jì)方案。
　　 螺

2、旋槳理論設(shè)計(jì)方法具有傳統(tǒng)圖譜設(shè)計(jì)方法無(wú)可比擬的靈活性和適應(yīng)性,因其可用于各種形式的螺旋槳設(shè)計(jì)中,針對(duì)某一具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題從流體力學(xué)的角度對(duì)所有約束條件,如葉片載荷、環(huán)量分布、推進(jìn)效率等因素加以分析、控制,所以理論設(shè)計(jì)方法對(duì)于降低螺旋槳的振動(dòng)和噪聲、進(jìn)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(shè)計(jì)問(wèn)題,主要工作有:
　　 (1)對(duì)應(yīng)用面元法理論進(jìn)行三維水翼數(shù)值設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究,改進(jìn)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(shè)計(jì)過(guò)程;在設(shè)計(jì)過(guò)程中,模擬了水翼的尾渦卷曲以充分考慮水翼的三維效應(yīng),用B樣條曲線(xiàn)表達(dá)水翼剖面幾何形狀以提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。
　　 (2)研究了基于改進(jìn)升力線(xiàn)模型和改進(jìn)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(jìn)了傳統(tǒng)的基于中載螺旋槳理論的升力線(xiàn)模型,在升力線(xiàn)理論中計(jì)入了螺旋槳在軸向、周向和徑向誘導(dǎo)速度的影響,通過(guò)迭代計(jì)算滿(mǎn)足了自由渦線(xiàn)的“渦線(xiàn)方向與當(dāng)?shù)亓?/p>

4、場(chǎng)方向保持一致”的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件,獲得了變形的自由渦線(xiàn),使改進(jìn)的升力線(xiàn)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(shí),發(fā)展了一種基于人工智能理論的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法,該算法增加了針對(duì)部分早熟收斂粒子的變異策略,能夠較好的對(duì)無(wú)約束及有約束的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。最后,以此全局尋優(yōu)能力更強(qiáng)、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(shè)計(jì)

5、方法,對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn);用B樣條曲面表示螺旋槳表面,并對(duì)剖面形狀進(jìn)行迭代修j下以使剖面壓力滿(mǎn)足指定槳葉剖面壓力分布形式:應(yīng)用人工智能算法,以降低軸向脈動(dòng)力為目標(biāo)針對(duì)螺旋槳的側(cè)斜分布進(jìn)行了初步優(yōu)化及相關(guān)的分析探討,并編制了基于OpenMP語(yǔ)言的并行優(yōu)化算法以在多核高性能計(jì)算機(jī)上提高運(yùn)算效率。
　　 (4)針對(duì)微小型水下機(jī)器人的特點(diǎn),結(jié)合具體工程設(shè)計(jì)實(shí)例,開(kāi)發(fā)了三葉小盤(pán)面比螺旋槳系列,并繪制了設(shè)計(jì)圖譜,該螺旋槳系列可適用于

6、小負(fù)荷、低航速、較低主機(jī)轉(zhuǎn)速的水下航行體的主推螺旋槳。設(shè)計(jì)了一組三葉小盤(pán)面比螺旋槳并進(jìn)行槳模的敞水試驗(yàn);根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正基于面元法理論的螺旋槳性能預(yù)報(bào)方法,進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)方法的計(jì)算精度,并將該方法用于計(jì)算繪制設(shè)計(jì)圖譜所需的其它數(shù)據(jù),完成螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜的繪制工作。
　　 通過(guò)對(duì)己有的螺旋槳進(jìn)行重新設(shè)計(jì),結(jié)果表明:按本文的方法設(shè)計(jì)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(pán)面載荷更加均勻,有利于螺旋槳的空泡性能及降低