基于复杂系统建模理论的船用螺旋桨多学科优化设计

发布时间：2017-08-16 01:04

  本文关键词：基于复杂系统建模理论的船用螺旋桨多学科优化设计

  更多相关文章： 船用螺旋桨 复杂系统建模 多学科优化 敞水效率 数值模拟

【摘要】：螺旋桨的工作性能对船舶航运业的发展起着至关重要的作用，螺旋桨的研究方法主要分为试验方法和理论方法。与试验研究方法相比，理论研究方法因其周期短、成本低并且能满足工程精度而成为研究螺旋桨工作性能的重点。随着计算机的快速发展，研究方法也从理论分析、试验研究扩展到了CFD计算，为更好的设计高性能的螺旋桨提供了强有力的工具和方法。 螺旋奖的敞水效率是影响其工作性能的主要因素。本文首先研究了复杂系统建模及多学科优化理论，建立船-机-桨之间的匹配关系优化关系；通过软件研究了螺旋桨的三维建模及流域网格的划分方法；分析了在螺旋桨敞水工作时的推力、扭矩、敞水效率以及桨叶的压力分布规律；最后通过粒子群算法算法对螺旋桨参数进行了优化，使得螺旋桨敞水效率提高了11.36%，船舶主机燃油节约10.22%。概括来说，涉及到的工作内容如下： 1、研究了复杂系统建模及多学科优化理论，分析了船-机-桨之间的运动关系，并建立了船-机-桨匹配优化关系。 2、研究了螺旋桨的三维建模方法和网格划分方法；在Pro/e中用高级绘图命令绘制螺旋桨的型值点曲线，然后用边界混合及混合形成叶片，最后完成螺旋桨的三维建模；在Gambit中采用四面体网格和六面体网格完成计算域大流域和小流域网格的划分。 3、概括性的介绍了CFD计算需要考虑的问题以及一般的步骤，使用Fluent软件分析了螺旋桨的敞水效率；研究了螺旋桨在不同进速系数下的推力、扭矩及敞水效率，并将计算结果与试验值比较，得出该方法应用于工程的可行性。 4、研究了不同进速系数下的螺旋桨桨叶的压力分布规律；随着螺旋桨叶背上压力的增加，高压区域从随边向导边扩展并且逐渐趋于平均；螺旋桨叶面的高压区域出现在导边部位和随边部位，并且压力逐渐减小。 5、分析了影响螺旋桨敞水效率的关键参数，应用粒子群优化算法，以Matlab为工具对螺旋桨敞水效率进行了参数优化，且粒子群优化算法的最优解（效率）与数值模拟计算的解相差2.54%，，并将优化结果进行实例计算，使得主机燃油节约10.22%，证明了优化方法的可行性与优化结果的有效性。
【关键词】：船用螺旋桨 复杂系统建模 多学科优化 敞水效率 数值模拟
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.33
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.2.1 多学科优化设计国内外研究现状15-16
• 1.2.2 螺旋桨优化国内外研究现状16-17
• 1.3 论文主要研究内容与结构17-20
• 1.3.1 研究内容17-18
• 1.3.2 文章结构18-20
• 第2章 复杂系统建模及多学科优化20-29
• 2.1 复杂系统建模20-22
• 2.1.1 复杂系统的本质及特点20
• 2.1.2 复杂系统的建模方法20-22
• 2.2 复杂系统的多学科优化22-24
• 2.2.1 多学科优化设计的提出及基本思想22-23
• 2.2.2 面向多学科优化的复杂系统建模与分析23-24
• 2.3 船舶推进系统模型建立与分析24-28
• 2.3.1 船-主机-螺旋桨运动关系25-26
• 2.3.2 船-主机-螺旋桨匹配优化关系26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 基于 Pro/e 的螺旋桨三维建模与网格划分29-42
• 3.1 Pro/e 软件曲面建模技术29
• 3.2 螺旋桨三维建模29-34
• 3.2.1 螺旋桨的主要参数29-30
• 3.2.2 螺旋桨叶片曲面建模30-34
• 3.3 网格划分软件 Gambit 介绍34-38
• 3.3.1 网格单元的分类34-35
• 3.3.2 结构网格与非结构网格35
• 3.3.3 壁面和近壁区网格处理原则35-36
• 3.3.4 网格质量评价标准36-37
• 3.3.5 网格类型的选择37-38
• 3.4 计算流域的网格划分38-41
• 3.5 利用 Journal file 文件的自动网格划分41
• 3.6 本章小结41-42
• 第4章 基于 FLUENT 的螺旋桨敞水效率计算及压力分布42-63
• 4.1 流体力学的基本控制方程42-44
• 4.1.1 连续性方程42-43
• 4.1.2 动量方程43-44
• 4.1.3 能量方程44
• 4.2 计算策略44-50
• 4.2.1 求解方法45-47
• 4.2.2 湍流模型47-48
• 4.2.3 边界条件的设定48-50
• 4.2.4 离散格式的选择50
• 4.3 FLUENT 后处理50-51
• 4.4 FLUENT 中仿真参数设置51-55
• 4.5 网格无关性55-56
• 4.6 采用 Journal 文件的自动求解设置和输出结果文件56
• 4.7 螺旋桨敞水效率计算和压力分析56-62
• 4.7.1 螺旋桨敞水效率计算及误差分析56-60
• 4.7.2 螺旋桨桨叶压力分析60-62
• 4.8 本章小结62-63
• 第5章 基于粒子群算法的螺旋桨参数优化设计63-76
• 5.1 粒子群算法63-66
• 5.1.1 粒子群算法的研究现状63-64
• 5.1.2 粒子群优化算法的基本原理64-66
• 5.2 基于 MATLAB 对算法进行设定66-70
• 5.2.1 优化函数的建立66-69
• 5.2.2 算法的实施69-70
• 5.3 优化结果分析及数值验证70-74
• 5.4 优化实例74-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第6章 工作总结与展望76-78
• 6.1 工作总结76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 韩明红;;ICO多学科设计优化方法[J];北京航空航天大学学报;2007年08期

2 王广东,杨丽,余建星;基于改进进化算法的螺旋桨设计方法研究[J];船舶工程;2004年02期

3 陈彦勇;夏雨;;螺旋桨三维建模方法探讨[J];船舶工程;2006年01期

4 朱文彪,孙增圻,常佶,陈伟基;多输入多输出复杂过程的模糊建模[J];清华大学学报(自然科学版);2001年01期

本文编号：680697