船用螺旋桨优化设计及参数研究

发布时间：2017-04-25 18:11

  本文关键词：船用螺旋桨优化设计及参数研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 随着船舶工业的发展,船舶的安全、节能、环保等性能日益受到重视,螺旋桨作为目前船舶最常用的推进装置,其性能设计尤为关键;而随着船舶向大型化、高速化发展,对螺旋桨综合性能的要求也在日益提高。现代船用螺旋桨设计必须在追求推进效率的同时,尽可能避免桨叶在复杂的船尾流场中产生空泡,从而减小螺旋桨诱导的船体振动及噪声,避免桨叶剥蚀,延长使用寿命,提高船舶安全性与舒适性。传统的螺旋桨理论和设计方法主要考虑推进效率,较难兼顾空泡振动等要求。 对于复杂的工程设计问题,优化设计技术能够在诸多相互制约的限制条件中找到符合要求的最优方案,因此,该技术在螺旋桨设计中的应用日益受到人们的重视。本文首先以某集装箱船五叶桨为对象,基于螺旋桨水动力性能的升力面理论预报程序,应用iSIGHT软件进行指定负荷分布形式下桨叶螺距与拱度的优化设计研究,并对设计结果进行粘流CFD计算验证。CFD计算表明:通过指定适当的弦向负荷分布形式,可以在保证推力与效率的同时使桨叶表面压力分布更加均匀,从而推迟桨叶空化,提高螺旋桨空泡性能。 螺旋桨的螺距、拱度、侧斜、纵倾等几何参数与桨叶负荷分布及水动力性能密切相关,但无法定量描述,而这些关系对优化设计至关重要。通过模型试验进行螺旋桨参数与性能之间的关系研究成本非常高。随着CFD技术的发展,通过求解RANS方程模拟螺旋桨性能、压力分布及周围流场的技术日趋成熟。为此本文以某七叶桨为对象,通过改变原桨几何参数进行CFD计算,较为系统地研究了部分参数对桨叶水动力性能、压力分布及周围流场的影响,并最终提出两个优化设计方案,在上海交通大学拖曳水池及空泡水筒中实施了敞水性能及空泡初生的模型试验。试验结果验证了本文CFD预报的准确性,并且表明:新桨在推力、效率、空泡性能方面均优于原桨,适当的叶梢纵倾分布有助于进一步改进空泡性能,但对效率略有不利。
【关键词】：螺旋桨 优化设计 涡格法 CFD
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U664.33
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 概述9-10
• 1.2 螺旋桨优化设计及参数研究的现状10-13
• 1.2.1 螺旋桨设计方法简述10-11
• 1.2.2 螺旋桨优化设计研究11-12
• 1.2.3 螺旋桨参数研究12-13
• 1.3 本论文的主要工作13-15
• 第二章 数值计算方法15-28
• 2.1 优化软件与算法15-20
• 2.1.1 iSIGHT 软件简介15-17
• 2.1.2 广义既约梯度法17-19
• 2.1.3 非线性序列二次规划法19-20
• 2.2 螺旋桨升力面理论预报方法20-23
• 2.2.1 坐标系定义20
• 2.2.2 桨叶几何形状的表达20-21
• 2.2.3 桨叶离散格式21
• 2.2.4 尾涡模型21-22
• 2.2.5 离散方程22
• 2.2.6 水动力计算22-23
• 2.3 螺旋桨性能的CFD 预报方法23-27
• 2.3.1 控制方程24-25
• 2.3.2 湍流模型25
• 2.3.3 数值算法25-26
• 2.3.4 敞水螺旋桨CFD 计算方法26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 螺距与拱度的优化设计研究28-42
• 3.1 优化设计方法29-33
• 3.1.1 优化问题29-31
• 3.1.2 优化流程31-33
• 3.2 优化算例33-37
• 3.2.1 优化对象及其性能分析33-35
• 3.2.2 优化结果35-37
• 3.3 优化结果的CFD 验证37-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 桨叶参数与性能关系的数值研究42-59
• 4.1 桨叶参数与性能关系的定性讨论42-45
• 4.2 基于CFD 的参数研究方法45-46
• 4.3 参数研究的过程46-57
• 4.3.1 原型桨CFD 计算分析及参数调整方案46-47
• 4.3.2 翼型修改47-49
• 4.3.3 侧斜、纵倾及弦长的调整49-51
• 4.3.4 螺距、拱度及弦长的调整51-54
• 4.3.5 桨叶厚度修正54-55
• 4.3.6 叶梢纵倾的调整55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 桨叶参数与性能关系的试验研究59-72
• 5.1 试验模型59-60
• 5.2 敞水试验60-65
• 5.2.1 试验目的60
• 5.2.2 试验原理60-61
• 5.2.3 试验设备61
• 5.2.4 试验方法61-62
• 5.2.5 试验结果与分析62-65
• 5.3 空泡初生试验65-71
• 5.3.1 试验目的65
• 5.3.2 试验原理65-66
• 5.3.3 试验设备66
• 5.3.4 试验方法66-67
• 5.3.5 试验结果与分析67-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间发表的学术论文78-79
• 上海交通大学学位论文答辩决议书79

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 王超;何苗;周剑;常欣;黄胜;;侧斜与纵倾对螺旋桨水动力性能的影响分析[A];第二十三届全国水动力学研讨会暨第十届全国水动力学学术会议文集[C];2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 马艳;导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 张振江;船舶CFD网格自动生成技术的开发及其应用[D];上海交通大学;2011年

3 伍绍博;船舶在波浪中操纵及其控制系统研究[D];上海交通大学;2010年

4 王同苏;深海无人潜器高效推进器的设计研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

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本文编号：326802