發(fā)布時(shí)間：2020-07-07 18:34

【摘要】：噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)不僅受到船舶艦艇空間尺寸的限制,而且要保證在高航速時(shí)高效低噪聲運(yùn)行。對(duì)于高速艦船,推進(jìn)器內(nèi)的空化是主要噪聲源。在噴水推進(jìn)泵水動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí),在保證泵的揚(yáng)程前提下,提高泵的水力效率和空化性能。目前還缺少一種能夠適用于快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的空化預(yù)測(cè)方法。因此,開展噴水推進(jìn)泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和空化預(yù)測(cè)方法研究是十分必要的。本文從噴水推進(jìn)泵水力優(yōu)化中存在的工程問題入手,針對(duì)噴水推進(jìn)泵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和空化預(yù)測(cè)方法開展理論、數(shù)值和試驗(yàn)研究。首先,提出一種葉輪高效水力優(yōu)化設(shè)計(jì)策略,獲得一套揚(yáng)程、效率和空化性能較優(yōu)的噴水推進(jìn)泵。在此基礎(chǔ)之上,通過高速攝像試驗(yàn)獲得發(fā)生和發(fā)展過程中噴水推進(jìn)泵空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)演變機(jī)理。再次,為了建立空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)和空化性能的關(guān)聯(lián)性,針對(duì)噴水推進(jìn)泵空化流動(dòng)開展數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比研究,獲得與空化性能相關(guān)的空化特征,為空化性能預(yù)測(cè)方法提供試驗(yàn)和理論支撐。最后,提出一種適用于多參數(shù)多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化的空化性能預(yù)測(cè)方法,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該預(yù)測(cè)方法的可行性,從而在工程上解決水力機(jī)械空化性能的快速預(yù)測(cè)問題。主要工作內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)為了獲得一組性能較高的噴水推進(jìn)泵,采用葉片參數(shù)化三維反設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)初始模型,通過多參數(shù)控制葉片形狀,采用拉丁超立方構(gòu)建優(yōu)化參數(shù)樣本空間,對(duì)構(gòu)建的樣本開展數(shù)值計(jì)算,獲得優(yōu)化目標(biāo)揚(yáng)程、效率和最低壓力點(diǎn),采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化參數(shù)之間的近似函數(shù)模型,采用NSGA-Ⅱ遺傳算法對(duì)近似函數(shù)模型進(jìn)行尋優(yōu),構(gòu)建一種基于多參數(shù)多目標(biāo)遺傳算法的噴水推進(jìn)泵葉輪優(yōu)化策略,有效快速的設(shè)計(jì)出一套優(yōu)秀的水力模型,并開展水力性能的試驗(yàn)驗(yàn)證。(2)通過高速攝像技術(shù)獲得空化發(fā)生和發(fā)展過程中噴水推進(jìn)泵空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)特,空化渦結(jié)構(gòu)包括片狀空化、云狀空化、葉頂間隙空化、葉頂泄漏渦空化和垂直空化渦,試驗(yàn)捕捉了空化演變的物理過程,分析各空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)泵性能下降影響,為新的空化預(yù)測(cè)方法提供試驗(yàn)參考。(3)為了建立空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)和空化性能的關(guān)聯(lián)性,獲得與空化性能相關(guān)的空化流動(dòng)特征,將采用SST k-?湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型,開展噴水推進(jìn)泵空化數(shù)值計(jì)算與空化可視化試驗(yàn)對(duì)比研究,并以此分析噴水推進(jìn)泵性能陡降時(shí)關(guān)鍵的空化流動(dòng)特征,研究表明覆蓋在葉片吸力面靠近葉片頂部的葉頂間隙渦和附著在葉片吸力面的片狀空化之間干涉對(duì)性能斷裂起關(guān)鍵作用。(4)在單相流介質(zhì)下,通過數(shù)值計(jì)算獲取噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流場(chǎng),建立壓力等值面P_(iso)構(gòu)建方法,并以此建立壓力等值面面積占葉片面積的面積比R_s的構(gòu)建方法。在設(shè)計(jì)工況下當(dāng)空化發(fā)生后,壓力等值面面積S_(iso)和裝置汽蝕余量滿足一次線性公式S_(iso)=-0.014063NPSH_a+0.123204,壓力等值面面積S_(iso)隨著裝置汽蝕余量NPSH_a線性增加。并依此提出了基于單相流壓力等值面面積比的空化性能預(yù)測(cè)方法。應(yīng)用該方法對(duì)不同流量下噴水推進(jìn)泵的空化性能進(jìn)行預(yù)測(cè),并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性和可行性。研究表明選取面積比為13.718%和13.826%時(shí),噴泵空化性能預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。同時(shí)該預(yù)測(cè)方法對(duì)不同來流具有較好的敏感性,論證了該方法適用于多參數(shù)多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜上所述,本文開展了噴水推進(jìn)泵優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和空化研究�；谌~片參數(shù)化三維反設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)初始模型,并構(gòu)建一種基于多參數(shù)多目標(biāo)遺傳算法的噴水推進(jìn)泵葉輪優(yōu)化策略,獲得一組性能較高的噴水推進(jìn)泵水力模型。通過高速攝像技術(shù)獲得空化發(fā)生和發(fā)展過程的空化渦流動(dòng)特征,建立空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)和空化性能的關(guān)聯(lián)性,為空化性能預(yù)測(cè)提供更科學(xué)的空化特征。建立了壓力等值面面積比的構(gòu)建方法,提出了基于壓力等值面面積比的噴水推進(jìn)泵空化性能預(yù)測(cè)方法。該方法不僅適用于噴水推進(jìn)泵的空化性能預(yù)測(cè),而且可以拓展到葉片式水力機(jī)械的空化性能預(yù)測(cè),將在工程上解決水力機(jī)械空化性能快速預(yù)測(cè)問題。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.34
【圖文】：

(b) 結(jié)構(gòu)圖圖 1-1 噴水推進(jìn)泵示意圖Figure 1-1 Waterjet Pump推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是開展噴水推進(jìn)泵高效率和高抗空化性內(nèi)噴水推進(jìn)泵技術(shù)普遍低于國外水平，又受制于國外技術(shù)的軍事領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)性。噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)不僅受到船舶艦艇空間要保證在高航速時(shí)高效低噪聲運(yùn)行。外研究現(xiàn)狀，噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)研究主要圍繞兩個(gè)方面，分別是設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)方法上，針對(duì)葉片設(shè)計(jì)方法、參數(shù)化方法和自動(dòng)優(yōu)化算抗空化設(shè)計(jì)、流動(dòng)分離控制和級(jí)間耦合優(yōu)化研究。而在設(shè)計(jì)揚(yáng)程、效率和空化，開展了多目標(biāo)優(yōu)化和空化性能預(yù)測(cè)研究單相流計(jì)算方法預(yù)測(cè)泵的空化性能的理念為：通�？栈l(fā)生在

圖 1-2 子午面方向環(huán)量導(dǎo)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形狀及控制變量tandard shape for the meridional swirl velocity derivative, witfang[29]采用修正的 NSGA-Ⅱ算法并耦合動(dòng)態(tài)擁擠距流泵的多目標(biāo)優(yōu)化。固定泵的子午面流道（如圖 計(jì)方法選擇輪緣和輪轂的十個(gè)變量來控制葉片載荷示。優(yōu)化目標(biāo)為水力效率和葉輪揚(yáng)程，優(yōu)化流程如網(wǎng)絡(luò)（RBNN）以 82 個(gè)訓(xùn)練樣本近似目標(biāo)函數(shù)，對(duì)泵的性能的影響。優(yōu)化后的模型葉輪達(dá)到 92%，度梯度更光滑。圖 1-3 混流式噴水推進(jìn)泵的子午面形狀

圖 1-2 子午面方向環(huán)量導(dǎo)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形狀及控制變量gure 1-2 Standard shape for the meridional swirl velocity derivative, with cong Renfang[29]采用修正的 NSGA-Ⅱ算法并耦合動(dòng)態(tài)擁擠距離（推進(jìn)混流泵的多目標(biāo)優(yōu)化。固定泵的子午面流道（如圖 1-3 維反設(shè)計(jì)方法選擇輪緣和輪轂的十個(gè)變量來控制葉片載荷，葉 1-2 所示。優(yōu)化目標(biāo)為水力效率和葉輪揚(yáng)程，優(yōu)化流程如圖 基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBNN）以 82 個(gè)訓(xùn)練樣本近似目標(biāo)函數(shù)，局部鍵變量對(duì)泵的性能的影響。優(yōu)化后的模型葉輪達(dá)到 92%，且高入面速度梯度更光滑。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2745467