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《哈尔滨工程大学》 2011年
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基于面元法理论的船用螺旋桨设计方法研究

蔡昊鹏  
【摘要】:螺旋桨及其所衍生出的各种组合推进器是现代船舶领域中应用最广泛的推进形式,其设计和性能计算也一直是船舶流体力学领域中非常重要的课题之一。船用螺旋桨工作于船后的伴流场中,受伴流非均匀性的影响,在运转的过程中往往不可避免地会在桨叶上出现非定常空泡现象,产生空泡剥蚀、船艉振动、辐射噪声等有害后果。因此,在螺旋桨设计过程中,设计者应充分考虑并兼顾推进效率、空泡、振动、噪声和剥蚀等多种性能要求,以得到综合性能最优的螺旋桨设计方案。 螺旋桨理论设计方法具有传统图谱设计方法无可比拟的灵活性和适应性,因其可用于各种形式的螺旋桨设计中,针对某一具体的设计问题从流体力学的角度对所有约束条件,如叶片载荷、环量分布、推进效率等因素加以分析、控制,所以理论设计方法对于降低螺旋桨的振动和噪声、进一步改善螺旋桨性能有着重要的意义。本文采用理论方法系统研究了船用螺旋桨的理论设计问题,主要工作有: (1)对应用面元法理论进行三维水翼数值设计的方法进行了详细的研究,改进了指定最大厚度、水翼升力要求及水翼剖面压力分布形式条件下的三维水翼的数值设计过程;在设计过程中,模拟了水翼的尾涡卷曲以充分考虑水翼的三维效应,用B样条曲线表达水翼剖面几何形状以提高设计效率和质量。 (2)研究了基于改进升力线模型和改进粒子群优化算法的螺旋桨最佳径向环量分布的求解方法。改进了传统的基于中载螺旋桨理论的升力线模型,在升力线理论中计入了螺旋桨在轴向、周向和径向诱导速度的影响,通过迭代计算满足了自由涡线的“涡线方向与当地流场方向保持一致”的运动学边界条件,获得了变形的自由涡线,使改进的升力线模型适用于包括重载工况在内的多种螺旋桨工作状态下最佳环量分布的求解。同时,发展了一种基于人工智能理论的改进粒子群优化算法,该算法增加了针对部分早熟收敛粒子的变异策略,能够较好的对无约束及有约束的非线性优化问题进行求解。最后,以此全局寻优能力更强、收敛速度更快的优化算法代替传统的变分法,寻优得到最佳径向环量分布。 (3)研究了基于面元法理论的船用螺旋桨设计方法,对现有的设计方法进行了改进;用B样条曲面表示螺旋桨表面,并对剖面形状进行迭代修正以使剖面压力满足指定桨叶剖面压力分布形式;应用人工智能算法,以降低轴向脉动力为目标针对螺旋桨的侧斜分布进行了初步优化及相关的分析探讨,并编制了基于OpenMP语言的并行优化算法以在多核高性能计算机上提高运算效率。 (4)针对微小型水下机器人的特点,结合具体工程设计实例,开发了三叶小盘面比螺旋桨系列,并绘制了设计图谱,该螺旋桨系列可适用于小负荷、低航速、较低主机转速的水下航行体的主推螺旋桨。设计了一组三叶小盘面比螺旋桨并进行桨模的敞水试验;根据试验数据修正基于面元法理论的螺旋桨性能预报方法,进一步提高预报方法的计算精度,并将该方法用于计算绘制设计图谱所需的其它数据,完成螺旋桨设计图谱的绘制工作。 通过对已有的螺旋桨进行重新设计,结果表明:按本文的方法设计出的螺旋桨,具有较高的效率,且具备给定的平顶压力分布形式、盘面载荷更加均匀,有利于螺旋桨的空泡性能及降低船艉振动和辐射噪声,因此本文所提出的船用螺旋桨设计方法是有效可靠的,具有较高的实际应用价值。
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