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基于SBD理论的螺旋桨水动性能设计新方法研究

马丹萍  
【摘要】:将基于几何造型技术的形状重构方法与数值仿真评估技术(CFD,Computational Fluid Dynamics)及最优化理论集成起来,形成了一种源于严谨数理控制、由目标驱动设计的形状构型设计新模式——Simulation Based Design(SBD)理论,该设计模式已在船舶水动力构型设计领域得到了应用与验证,取得了十分显著的减阻节能效果。本文将SBD设计模式引入螺旋桨设计领域,重点突破了螺旋桨三维几何的变形与重构技术,结合螺旋桨水动性能的CFD评估工具,借助ISIGHT优化平台,初步构建了基于SBD理论的螺旋桨水动性能设计新方法。并以敞水效率、最小压力系数值等最优为目标开展了螺旋桨的优化设计。首先,对传统螺旋桨设计方法进行了分析论述,并介绍了SBD理论的数学内涵。重点研究了基于几何造型技术的螺旋桨FFD方法,采用较少的设计变量(控制点)即可实现螺旋桨三维几何的自动变形与重构。在此基础上,利用ISIGHT优化平台,集成螺旋桨CFD水动力数值评估工具,构建了基于SBD理论的螺旋桨水动力优化设计流程。随后,以螺旋桨二维桨叶剖面NACA 661-212为对象,采用NURBS曲线实现了桨叶剖面的自动变形与重构,并以升阻比和最小压力系数值为设计目标,选用多目标粒子群优化算法开展了二维桨叶剖面的多目标优化设计,得到了两个设计目标均有改善的一系列设计方案。其中一设计方案的两设计目标的改善幅度比较相当,其升阻比收益可达20.55%,最小压力系数值的收益可达21.36%。螺旋桨二维桨叶剖面的优化设计结果初步验证了SBD理论的可行性及其在螺旋桨设计领域的潜力。然后,以性能优良的DTMB P4119桨对象,分别以敞水效率和最小压力系数值为设计目标进行了设计研究,设计所得结果的收益不大,但初步验证了设计方法的可行性。在此基础上,以实际工程应用的某观景船的MAU桨为对象,利用粒子群优化算法开展了以敞水效率最优为目标的设计研究。设计得到的最优方案的效率可以提高2%,而表征空泡性能的最小压力系数值也提高了22%,且最优设计方案在整个进速系数范围内的综合水动性能都优于原桨,从而充分体现了基于SBD理论的设计新方法在螺旋桨设计领域的优越性。


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