基于面元法的潜艇推进器水动力性能优化设计方法研究
发布时间：2021-09-29 08:17
推进器是潜艇的主要振动源和辐射噪声源,其性能直接关系到潜艇的作战性能。潜艇推进器设计是一个复杂的过程,涉及很多推进器几何参数和设计目标。本文基于面元法和优化算法开展了潜艇推进器水动力性能优化设计方法研究。全文的主要工作从螺旋桨剖面二维设计开始,开展了潜艇实效伴流场和螺旋桨线谱噪声预报和研究,然后将剖面设计方法和实效伴流场应用到潜艇七叶侧斜螺旋桨的优化设计方法研究中,最后对潜艇泵喷推进器的转子进行了优化设计。全文的主要内容和结论如下:（1）基于Newton-Raphson迭代法和升力分布开展了螺旋桨叶剖面二维设计方法研究,包括无厚度拱线设计和有厚度剖面设计。提出了以升力分布为目标的设计思路和一种参数化的升力分布形式,建立了基于Newton-Raphson迭代的逆问题求解方法,该方法能够快速精确地设计指定升力分布的拱线或者剖面。在拱线设计中,本文设计了SJ系列拱线供螺旋桨设计参考;在剖面设计中,本文引入PARSEC多项式对剖面厚度分布进行参数化表达。剖面设计与性能计算结果表明:通过改变升力分布形式可对叶剖面空泡斗的位置进行调整,即可调整剖面的叶背或面空泡裕度。剖面的参数化表达方法和二维设计...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
HSP螺旋桨的离散面元Fig.2-12SurfacepanelsofHSPpropeller
上海交通大学博士学位论文第 51 页图2-27 非均匀 B 样条的德布尔递归计算示意图Fig.2-27 Schematic of calculation of non-uniform B spline在实际的程序设计中可按照上图构建ljd 和 lj的矩阵进行递归计算。2.7 优化算法最优化理论是运筹学的重要分支，也是应用数学与实际联系最为紧密的部分。在上世纪 40年代发表线性规划单纯形法以后，最优化理论成为了一个独立的学科。随着计算机技术的发展和大规模应用，最优化理论取得了迅猛发展，而且在社会各个行业和部门取得了广泛应用。目前，最优化理论在算法的提出和改进上已经取得了很大的进步。在单目标优化算法上，有线性规划算法（Linear Programming, LP）、序列二次规划方法（Sequential Quadratic Programming,SQP）、下降梯度法（Reduced Gradient, RG）、混合整数规划（Mixed Integer Programming, MIP）、遗传算法（GeneticAlgorithm, GA）、微分进化算法（Differential EvolutionAlgorithm, DEA）、进化策略（Evolution Strategies, ES）、模拟退火（Simulated Annealing, SA）等等算法。在多目标优化上，有法向边界相交法（Normal-Boundary Intersection Method, NIM）、权重目标算法（WeightedObjective Method, WOM）、非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA）、非支配排序微分进化算法（Non-dominated Sorting Differential Evolution Algorithm,NSEA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO）等等。这些算法在处理不同的问题时各有优劣，优化效率和效果也不相同。在本文中，单目标优化一般采用微分进化算法，而多目标优化采用非支配排序微分进化算法。下面着重介绍这两种优化算法。
x/c0.2 0.4 0.6 0.8 1CK= 1.1 m a x0 . 5 1 1 . 5 2 2- 4图3-21 不同KC 对应的厚度分布和空泡斗Fig.3-21 Variation of thickness withKC and corresponding cavitation bucket粘性影响的修正节的设计基于线性涡面元法，流体的粘性仅仅采用经验公式计及，计算过性能计算可能不准确。基于这种考虑，本文结合面元法和 RANS 方法在剖，以减少设计目标的误差。 NACA4412 机翼为例校验了 RANS 方法和面元法的计算精度。在 RANS型来考虑湍流的影响，采用 SIMPLEC 求解压力和速度的耦合。计算的雷场计算域离散为 1.3M 个四边形单元，物面平均 y+≈50。图 3-22 为 NACA44剖面的粘性修正所采用的 RANS 网格如此类似。图 3-23 为数值结果和实验结看出，RANS 方法的预报结果与实验结果[154]非常接近。
【参考文献】：
期刊论文
[1]船用螺旋桨水动力性能优化设计[J]. 王波,张以良,熊鹰. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(04)
[2]水翼剖面多目标粒子群算法优化[J]. 黄胜,任万龙,王超. 哈尔滨工程大学学报. 2014(12)
[3]确定螺旋桨侧斜分布的一种数值优化方法[J]. 蔡昊鹏,马骋,陈科,钱正芳,张赫. 船舶力学. 2014(07)
[4]一种求解船用螺旋桨最佳径向环量分布的方法[J]. 蔡昊鹏,马骋,钱正芳,陈科,张赫. 船舶力学. 2013(11)
[5]圆柱形水下航行器多学科优化设计方法研究(英文)[J]. 苏玉民,崔桐,朱炜,曹建,杨卓懿. 船舶力学. 2013(09)
[6]基于CFD技术的导管螺旋桨自动优化设计技术研究[J]. 余龙,DRUKENBROD M,GREVE M,ABDEL-MAKSOUD M. 水动力学研究与进展A辑. 2013(04)
[7]吊舱式CRP推进器的定常水动力性能模拟[J]. 郭春雨,汪小翔,赵大刚,孙瑜. 船海工程. 2013(03)
[8]两种优化算法在螺旋桨优化设计中的应用与比较[J]. 郭春雨,王超,熊鹰,黄胜. 船舶工程. 2013(03)
[9]螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究[J]. 熊鹰,韩宝玉,时立攀. 船舶力学. 2013(05)
[10]定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响[J]. 饶志强,李巍,杨晨俊. 上海交通大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]最大空泡起始航速及最小空泡脉动压力螺旋桨设计[D]. 曾志波.中国舰船研究院 2014
[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]基于面元法理论的船用螺旋桨设计方法研究[D]. 蔡昊鹏.哈尔滨工程大学 2011
[4]螺旋桨水动力性能、空泡及噪声性能的数值预报研究[D]. 王超.哈尔滨工程大学 2010
[5]螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算[D]. 郭春雨.哈尔滨工程大学 2007
[6]螺旋桨性能预报的速度势面元法研究[D]. 张利军.大连理工大学 2006
[7]螺旋桨空泡性能及低噪声螺旋桨设计研究[D]. 胡健.哈尔滨工程大学 2006
[8]潜器全方向推进器的研究[D]. 常欣.哈尔滨工程大学 2005
[9]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
[10]非均匀流中螺旋桨空泡及脉动压力的数值和试验研究[D]. 熊鹰.武汉理工大学 2002
硕士论文
[1]吊舱推进器水动力性能数值研究[D]. 董小倩.上海交通大学 2013
[2]船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究[D]. 初绍伟.上海交通大学 2012
[3]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
[4]基于新型剖面设计的螺旋桨空泡性能优化[D]. 龙文.中国舰船研究院 2011
[5]导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化[D]. 马艳.哈尔滨工程大学 2010
[6]升力面理论预报螺旋桨非定常空泡性能[D]. 贺伟.武汉理工大学 2006
[7]集成电机泵喷推进器技术研究[D]. 何东林.西北工业大学 2005
[8]高阶面元法预报螺旋桨水动力性能[D]. 何海峰.武汉理工大学 2004
本文编号：3413377
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
HSP螺旋桨的离散面元Fig.2-12SurfacepanelsofHSPpropeller
上海交通大学博士学位论文第 51 页图2-27 非均匀 B 样条的德布尔递归计算示意图Fig.2-27 Schematic of calculation of non-uniform B spline在实际的程序设计中可按照上图构建ljd 和 lj的矩阵进行递归计算。2.7 优化算法最优化理论是运筹学的重要分支，也是应用数学与实际联系最为紧密的部分。在上世纪 40年代发表线性规划单纯形法以后，最优化理论成为了一个独立的学科。随着计算机技术的发展和大规模应用，最优化理论取得了迅猛发展，而且在社会各个行业和部门取得了广泛应用。目前，最优化理论在算法的提出和改进上已经取得了很大的进步。在单目标优化算法上，有线性规划算法（Linear Programming, LP）、序列二次规划方法（Sequential Quadratic Programming,SQP）、下降梯度法（Reduced Gradient, RG）、混合整数规划（Mixed Integer Programming, MIP）、遗传算法（GeneticAlgorithm, GA）、微分进化算法（Differential EvolutionAlgorithm, DEA）、进化策略（Evolution Strategies, ES）、模拟退火（Simulated Annealing, SA）等等算法。在多目标优化上，有法向边界相交法（Normal-Boundary Intersection Method, NIM）、权重目标算法（WeightedObjective Method, WOM）、非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA）、非支配排序微分进化算法（Non-dominated Sorting Differential Evolution Algorithm,NSEA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO）等等。这些算法在处理不同的问题时各有优劣，优化效率和效果也不相同。在本文中，单目标优化一般采用微分进化算法，而多目标优化采用非支配排序微分进化算法。下面着重介绍这两种优化算法。
x/c0.2 0.4 0.6 0.8 1CK= 1.1 m a x0 . 5 1 1 . 5 2 2- 4图3-21 不同KC 对应的厚度分布和空泡斗Fig.3-21 Variation of thickness withKC and corresponding cavitation bucket粘性影响的修正节的设计基于线性涡面元法，流体的粘性仅仅采用经验公式计及，计算过性能计算可能不准确。基于这种考虑，本文结合面元法和 RANS 方法在剖，以减少设计目标的误差。 NACA4412 机翼为例校验了 RANS 方法和面元法的计算精度。在 RANS型来考虑湍流的影响，采用 SIMPLEC 求解压力和速度的耦合。计算的雷场计算域离散为 1.3M 个四边形单元，物面平均 y+≈50。图 3-22 为 NACA44剖面的粘性修正所采用的 RANS 网格如此类似。图 3-23 为数值结果和实验结看出，RANS 方法的预报结果与实验结果[154]非常接近。
【参考文献】：
期刊论文
[1]船用螺旋桨水动力性能优化设计[J]. 王波,张以良,熊鹰. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(04)
[2]水翼剖面多目标粒子群算法优化[J]. 黄胜,任万龙,王超. 哈尔滨工程大学学报. 2014(12)
[3]确定螺旋桨侧斜分布的一种数值优化方法[J]. 蔡昊鹏,马骋,陈科,钱正芳,张赫. 船舶力学. 2014(07)
[4]一种求解船用螺旋桨最佳径向环量分布的方法[J]. 蔡昊鹏,马骋,钱正芳,陈科,张赫. 船舶力学. 2013(11)
[5]圆柱形水下航行器多学科优化设计方法研究(英文)[J]. 苏玉民,崔桐,朱炜,曹建,杨卓懿. 船舶力学. 2013(09)
[6]基于CFD技术的导管螺旋桨自动优化设计技术研究[J]. 余龙,DRUKENBROD M,GREVE M,ABDEL-MAKSOUD M. 水动力学研究与进展A辑. 2013(04)
[7]吊舱式CRP推进器的定常水动力性能模拟[J]. 郭春雨,汪小翔,赵大刚,孙瑜. 船海工程. 2013(03)
[8]两种优化算法在螺旋桨优化设计中的应用与比较[J]. 郭春雨,王超,熊鹰,黄胜. 船舶工程. 2013(03)
[9]螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究[J]. 熊鹰,韩宝玉,时立攀. 船舶力学. 2013(05)
[10]定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响[J]. 饶志强,李巍,杨晨俊. 上海交通大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]最大空泡起始航速及最小空泡脉动压力螺旋桨设计[D]. 曾志波.中国舰船研究院 2014
[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]基于面元法理论的船用螺旋桨设计方法研究[D]. 蔡昊鹏.哈尔滨工程大学 2011
[4]螺旋桨水动力性能、空泡及噪声性能的数值预报研究[D]. 王超.哈尔滨工程大学 2010
[5]螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算[D]. 郭春雨.哈尔滨工程大学 2007
[6]螺旋桨性能预报的速度势面元法研究[D]. 张利军.大连理工大学 2006
[7]螺旋桨空泡性能及低噪声螺旋桨设计研究[D]. 胡健.哈尔滨工程大学 2006
[8]潜器全方向推进器的研究[D]. 常欣.哈尔滨工程大学 2005
[9]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
[10]非均匀流中螺旋桨空泡及脉动压力的数值和试验研究[D]. 熊鹰.武汉理工大学 2002
硕士论文
[1]吊舱推进器水动力性能数值研究[D]. 董小倩.上海交通大学 2013
[2]船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究[D]. 初绍伟.上海交通大学 2012
[3]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
[4]基于新型剖面设计的螺旋桨空泡性能优化[D]. 龙文.中国舰船研究院 2011
[5]导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化[D]. 马艳.哈尔滨工程大学 2010
[6]升力面理论预报螺旋桨非定常空泡性能[D]. 贺伟.武汉理工大学 2006
[7]集成电机泵喷推进器技术研究[D]. 何东林.西北工业大学 2005
[8]高阶面元法预报螺旋桨水动力性能[D]. 何海峰.武汉理工大学 2004
本文编号：3413377
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