水下泵喷推进器设计方法与数值优化研究
发布时间：2021-08-17 22:13
泵喷推进器作为一种研究起步相对较晚的推进器,主要运用于军事领域,因其隐蔽性以及优良性能逐渐受到研究者的关注。随着近几年军转民的推进,泵喷也开始运用在中小型水下航行体上。但出于保密性和复杂性,国内外关于此的文献很少,所以对其进行设计理论、性能方面研究有利于民用中小型水下航行体的发展。本文是在国家重点研发项目“叶片泵多目标水力设计方法及气液两相增压输送关键技术”（2018YFB0606103）的资助下,利用正问题设计和反问题设计方法分别对泵喷推进器进行了设计,分别从设计方法基本原理、设计流程、数值模拟计算以及优化设计等方面展开,进行了对比分析,获得了更适合中小型航行体的泵喷推进器设计方法,本文主要研究内容及成果如下所示:1.阐述了泵喷研究的背景及意义,并从正问题设计和三维反问题设计两个方面总结归纳了相关设计理论及其水动力性能研究的发展与国内外研究现状。2.从正问题设计角度,首先推导出了升力法与升力线法的相关基本方程,构建了转子设计流程,并对定子和导管也进行了设计,根据设计目标要求,获得了两种方法得到的泵喷相关参数与模型。3.对这两种模型进行了结构化网格的划分以及网格无关性分析,验证了数值模...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：133 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泵喷推进器三维模型示意图
江苏大学硕士学位论文31.2设计理论研究现状1.2.1正问题设计对泵喷推进器叶片设计主要由正问题设计与反问题设计两种思路，其中正问题设计是传统的设计思路，基本原理就是根据设计要求来进行叶片的设计，在已知来流条件，计算得到初始叶片后进行CFD数值模拟或者实验，获得压力等结果参数以及水动力性能参数，对此进行分析后通过对结构造型的改进或者优化得到最终模型，满足设计需要，设计流程如图1.2所示。图1.2正问题设计流程Fig.1.2Theflowofdirectmethod此类设计关键技术主要在于初始的设计方法以及叶片的优化方法，对泵喷推进器来说，由于其在军事应用领域和水下探测等领域的敏感性，以及国外对推进技术的封锁，关于泵喷推进器的技术及理论方面的可查文献很少，但国内关于传统推进器及轴流泵设计的研究已较为成熟，可以作为泵喷推进器设计的理论基矗泵喷推进器设计初始来源于带定子的导管桨的研究，相关研究主要以导管桨（带定子式）的研究及AD报告（ASTIADocument）为参照。此理论研究最早可以追溯到1963年，McCokmick等[10]通过对比实验数据，分析出泵喷推进器无论是在效率、噪声，还是抗空泡性能方面，都比传统推进器有明显优势。在1964年的AD报告中，Henderson等[11]指出泵喷推进器具有良好的抗空泡性能，同时对轴流泵一维理论进行相应的改进以满足需要，并考虑了导管等设计问题。美国
水下泵喷推进器设计方法与数值优化研究6图1.3反问题设计流程Fig.1.3Theflowofinversemethod国内外研究人员把反问题设计的设计思路运用在了泵等旋转机械上，例如，Zangeneh等[31,32]先后用三维反问题设计方法对混流泵和离心泵进行参数化设计，采用CFD数值模拟手段进行分析并与传统设计方法对比，其研究目的就是对设计方法进行改进以及模型结构进行优化。并且他么又提出一种结合反问题设计与遗传算法的方案，对混流泵进行其空化性能的优化[33]。VanRooij[34]将原有反问题设计计算中的渗透边界条件改变为无滑移边界条件，在一定程度上克服了对原有特定的求解器的依赖，为之后反问题设计方面的应用夯实了基矗除此之外，反问题设计方法在压气机设计上研究运用较多，其中以Milshin等[35]为代表的CIAM机构、以VandenBraembussche等[36]为代表的冯卡门流体力学研究所以及康考迪亚大学的Ghaly等[37]在此方面都有着积极的影响，并且得到相应较多的成果。在国内，也有研究者利用此方法进行旋转机械的设计，在与泵喷推进器结构类似的轴流泵设计中有不少的应用。1995年林汝长[38]就已经研究了全三维反问题设计方法及相关计算模型，罗兴琦等[39]针对轴流泵采用此方法进行了相关设计以及利用有限元方法进行轴流泵的数值计算[40]。其他相关设备也有反问题设计方法的应用，清华大学的樊红刚等[41]则提出一种新的全三维反设计方法，由多个二维反问题设计计算得出新的三维叶片。南京航空航天大学的陈杰[42]通过研究发现了影响设计出的模型伴流场流动状态的因素，通过改变轴面投影图及叶片负载，增强叶片性能。中国农业大学的杨魏[43]等人则利用模拟退火算法进行了叶片设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]前置与后置定子泵喷推进器的水动力性能对比[J]. 彭云龙,王永生,刘承江,易文彬. 哈尔滨工程大学学报. 2019(01)
[2]水下航行体泵喷推进器设计与性能分析[J]. 王小二,张振山,张萌. 海军工程大学学报. 2018(04)
[3]前置定子叶片周向弯曲对导管桨非定常特性的影响[J]. 赵威,刘敏,彭旭,陈明. 中国造船. 2018(02)
[4]机械式泵喷与IMP推进器的水力性能对比[J]. 彭云龙,王永生,刘承江,易文彬. 哈尔滨工程大学学报. 2016(05)
[5]喷水推进器推进性能优化研究[J]. 曹玉良,王永生,靳栓宝. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(01)
[6]带前置定子导管桨流场数值分析及验证[J]. 毛卫. 舰船科学技术. 2014(06)
[7]集成电机推进器流体动力数值仿真[J]. 赵仿泽. 鱼雷技术. 2014(02)
[8]多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用[J]. 袁建平,洪锋,衡亚光,周帮伦,毛水平. 排灌机械工程学报. 2013(12)
[9]高性能紧凑型水泵的三元设计方法[J]. 靳栓宝,王永生,刘承江,苏永生. 农业机械学报. 2013(11)
[10]不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证[J]. 张德胜,吴苏青,施卫东,潘大志,姚捷,张光建. 农业工程学报. 2013(13)
博士论文
[1]泵喷推进器设计与流场特性研究[D]. 鹿麟.西北工业大学 2016
[2]水下航行器泵喷推进器设计方法研究[D]. 刘业宝.哈尔滨工程大学 2013
[3]跨声速微型斜流压气机设计方法研究[D]. 陈杰.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]轴流泵的叶片优化及内部流动特性研究[D]. 夏水晶.江苏大学 2016
[2]基于粒子群算法的汽轮机组回热系统优化设计[D]. 李飞.华北电力大学 2015
[3]导管螺旋桨水动力分析与优化研究[D]. 朱俊飞.武汉理工大学 2013
[4]泵喷推进器水动力性能数值模拟[D]. 饶志强.上海交通大学 2012
[5]深海无人潜器高效推进器的设计研究[D]. 王同苏.哈尔滨工程大学 2012
[6]轴流泵叶轮的自动优化设计研究[D]. 谢德正.扬州大学 2010
本文编号：3348604
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：133 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泵喷推进器三维模型示意图
江苏大学硕士学位论文31.2设计理论研究现状1.2.1正问题设计对泵喷推进器叶片设计主要由正问题设计与反问题设计两种思路，其中正问题设计是传统的设计思路，基本原理就是根据设计要求来进行叶片的设计，在已知来流条件，计算得到初始叶片后进行CFD数值模拟或者实验，获得压力等结果参数以及水动力性能参数，对此进行分析后通过对结构造型的改进或者优化得到最终模型，满足设计需要，设计流程如图1.2所示。图1.2正问题设计流程Fig.1.2Theflowofdirectmethod此类设计关键技术主要在于初始的设计方法以及叶片的优化方法，对泵喷推进器来说，由于其在军事应用领域和水下探测等领域的敏感性，以及国外对推进技术的封锁，关于泵喷推进器的技术及理论方面的可查文献很少，但国内关于传统推进器及轴流泵设计的研究已较为成熟，可以作为泵喷推进器设计的理论基矗泵喷推进器设计初始来源于带定子的导管桨的研究，相关研究主要以导管桨（带定子式）的研究及AD报告（ASTIADocument）为参照。此理论研究最早可以追溯到1963年，McCokmick等[10]通过对比实验数据，分析出泵喷推进器无论是在效率、噪声，还是抗空泡性能方面，都比传统推进器有明显优势。在1964年的AD报告中，Henderson等[11]指出泵喷推进器具有良好的抗空泡性能，同时对轴流泵一维理论进行相应的改进以满足需要，并考虑了导管等设计问题。美国
水下泵喷推进器设计方法与数值优化研究6图1.3反问题设计流程Fig.1.3Theflowofinversemethod国内外研究人员把反问题设计的设计思路运用在了泵等旋转机械上，例如，Zangeneh等[31,32]先后用三维反问题设计方法对混流泵和离心泵进行参数化设计，采用CFD数值模拟手段进行分析并与传统设计方法对比，其研究目的就是对设计方法进行改进以及模型结构进行优化。并且他么又提出一种结合反问题设计与遗传算法的方案，对混流泵进行其空化性能的优化[33]。VanRooij[34]将原有反问题设计计算中的渗透边界条件改变为无滑移边界条件，在一定程度上克服了对原有特定的求解器的依赖，为之后反问题设计方面的应用夯实了基矗除此之外，反问题设计方法在压气机设计上研究运用较多，其中以Milshin等[35]为代表的CIAM机构、以VandenBraembussche等[36]为代表的冯卡门流体力学研究所以及康考迪亚大学的Ghaly等[37]在此方面都有着积极的影响，并且得到相应较多的成果。在国内，也有研究者利用此方法进行旋转机械的设计，在与泵喷推进器结构类似的轴流泵设计中有不少的应用。1995年林汝长[38]就已经研究了全三维反问题设计方法及相关计算模型，罗兴琦等[39]针对轴流泵采用此方法进行了相关设计以及利用有限元方法进行轴流泵的数值计算[40]。其他相关设备也有反问题设计方法的应用，清华大学的樊红刚等[41]则提出一种新的全三维反设计方法，由多个二维反问题设计计算得出新的三维叶片。南京航空航天大学的陈杰[42]通过研究发现了影响设计出的模型伴流场流动状态的因素，通过改变轴面投影图及叶片负载，增强叶片性能。中国农业大学的杨魏[43]等人则利用模拟退火算法进行了叶片设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]前置与后置定子泵喷推进器的水动力性能对比[J]. 彭云龙,王永生,刘承江,易文彬. 哈尔滨工程大学学报. 2019(01)
[2]水下航行体泵喷推进器设计与性能分析[J]. 王小二,张振山,张萌. 海军工程大学学报. 2018(04)
[3]前置定子叶片周向弯曲对导管桨非定常特性的影响[J]. 赵威,刘敏,彭旭,陈明. 中国造船. 2018(02)
[4]机械式泵喷与IMP推进器的水力性能对比[J]. 彭云龙,王永生,刘承江,易文彬. 哈尔滨工程大学学报. 2016(05)
[5]喷水推进器推进性能优化研究[J]. 曹玉良,王永生,靳栓宝. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(01)
[6]带前置定子导管桨流场数值分析及验证[J]. 毛卫. 舰船科学技术. 2014(06)
[7]集成电机推进器流体动力数值仿真[J]. 赵仿泽. 鱼雷技术. 2014(02)
[8]多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用[J]. 袁建平,洪锋,衡亚光,周帮伦,毛水平. 排灌机械工程学报. 2013(12)
[9]高性能紧凑型水泵的三元设计方法[J]. 靳栓宝,王永生,刘承江,苏永生. 农业机械学报. 2013(11)
[10]不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证[J]. 张德胜,吴苏青,施卫东,潘大志,姚捷,张光建. 农业工程学报. 2013(13)
博士论文
[1]泵喷推进器设计与流场特性研究[D]. 鹿麟.西北工业大学 2016
[2]水下航行器泵喷推进器设计方法研究[D]. 刘业宝.哈尔滨工程大学 2013
[3]跨声速微型斜流压气机设计方法研究[D]. 陈杰.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]轴流泵的叶片优化及内部流动特性研究[D]. 夏水晶.江苏大学 2016
[2]基于粒子群算法的汽轮机组回热系统优化设计[D]. 李飞.华北电力大学 2015
[3]导管螺旋桨水动力分析与优化研究[D]. 朱俊飞.武汉理工大学 2013
[4]泵喷推进器水动力性能数值模拟[D]. 饶志强.上海交通大学 2012
[5]深海无人潜器高效推进器的设计研究[D]. 王同苏.哈尔滨工程大学 2012
[6]轴流泵叶轮的自动优化设计研究[D]. 谢德正.扬州大学 2010
本文编号：3348604
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