基于CFD的螺旋桨毂帽鳍水动力分析和优化匹配研究

发布时间：2020-08-24 21:54

【摘要】：随着全球环境问题的突出,节能减排技术显得越发重要,船舶行业作为高耗能行业面临着严峻挑战。螺旋桨作为船舶推进的重要装置且作为船舶主要的能耗之一,其性能的提高对于降低能耗提高船舶节能效果具有重要意义,而如何提高螺旋桨的性能成为当前研究的重要课题。针对本文所研究螺旋桨对象,以提高螺旋桨性能为目的,加装毂帽鳍装置并求解鳍叶参数最优方案。采用逆向建模和正向建模结合的方式,Geomagic Design X、Geomagic Qualify和UG相互配合获得螺旋桨以及毂帽鳍三维模型;对所研究螺旋桨建立合适的计算域和网格划分方案,借助CFX软件求解加鳍前后螺旋桨性能并分析性能变化规律、压强分布和流场变化;以优化设计理论为基础,鳍叶安装角、半径、轴向距离为设计变量,螺旋桨推力系数和效率最大为目标,设计变量的取值范围为约束范围,建立优化数学模型,借助Workbench响应面优化模块,以BBD方法得到的设计点为基础建立响应面模型,在此基础上,选择遗传算法求解毂帽鳍设计变量最优值。通过分析得出以下结论:(1)随着进速系数的增大,螺旋桨推力系数和扭矩系数逐渐减小,效率先增后减;(2)加鳍后推力系数在低进速下有所增加,扭矩系数均明显变小,效率在低进速下增益明显,最大增益为3.851%,在高进速下增益下降,总体来讲,效率增益在2%~4%之间,在低速重载或存在较大毂涡时效率增益更大,性能提高更加明显;(3)鳍叶产生负扭矩,降低整个螺旋桨旋转所需的扭矩,提高螺旋桨效率;鳍叶打散、削弱毂涡,提高桨毂后端压力,增加螺旋桨整体推力,提高效率;(4)设计变量安装角为影响最大的因素,半径和轴向距离的影响较小;(5)响应面显示了变量和目标之间的变化规律;(6)基于响应面的多目标优化得到满足要求的鳍叶优化方案:半径r/R为0.26,轴向距离为71mm,安装角为68°。文章以正逆向建模结合的方式获得螺旋桨和毂帽鳍模型,为类似模型的建立提供了一种可行方案;采用CFD方法求解螺旋桨性能不仅准确方便而且可以获得丰富的模拟结果,对螺旋桨性能的研究具有重要意义;提出一种基于响应面的遗传算法求解毂帽鳍最优参数的方法,为毂帽鳍的设计研究提供了一种参考方案。总体来讲,建立螺旋桨与毂帽鳍装置的匹配关系后能明显改善螺旋桨的性能,从而降低船舶能耗。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.33

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本文编号：2802909