水下泵噴推進器設計方法與數(shù)值優(yōu)化研究
發(fā)布時間：2021-08-17 22:13
泵噴推進器作為一種研究起步相對較晚的推進器,主要運用于軍事領域,因其隱蔽性以及優(yōu)良性能逐漸受到研究者的關注。隨著近幾年軍轉民的推進,泵噴也開始運用在中小型水下航行體上。但出于保密性和復雜性,國內外關于此的文獻很少,所以對其進行設計理論、性能方面研究有利于民用中小型水下航行體的發(fā)展。本文是在國家重點研發(fā)項目“葉片泵多目標水力設計方法及氣液兩相增壓輸送關鍵技術”（2018YFB0606103）的資助下,利用正問題設計和反問題設計方法分別對泵噴推進器進行了設計,分別從設計方法基本原理、設計流程、數(shù)值模擬計算以及優(yōu)化設計等方面展開,進行了對比分析,獲得了更適合中小型航行體的泵噴推進器設計方法,本文主要研究內容及成果如下所示:1.闡述了泵噴研究的背景及意義,并從正問題設計和三維反問題設計兩個方面總結歸納了相關設計理論及其水動力性能研究的發(fā)展與國內外研究現(xiàn)狀。2.從正問題設計角度,首先推導出了升力法與升力線法的相關基本方程,構建了轉子設計流程,并對定子和導管也進行了設計,根據(jù)設計目標要求,獲得了兩種方法得到的泵噴相關參數(shù)與模型。3.對這兩種模型進行了結構化網(wǎng)格的劃分以及網(wǎng)格無關性分析,驗證了數(shù)值模...
【文章來源】：江蘇大學江蘇省
【文章頁數(shù)】：133 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
泵噴推進器三維模型示意圖
江蘇大學碩士學位論文31.2設計理論研究現(xiàn)狀1.2.1正問題設計對泵噴推進器葉片設計主要由正問題設計與反問題設計兩種思路，其中正問題設計是傳統(tǒng)的設計思路，基本原理就是根據(jù)設計要求來進行葉片的設計，在已知來流條件，計算得到初始葉片后進行CFD數(shù)值模擬或者實驗，獲得壓力等結果參數(shù)以及水動力性能參數(shù)，對此進行分析后通過對結構造型的改進或者優(yōu)化得到最終模型，滿足設計需要，設計流程如圖1.2所示。圖1.2正問題設計流程Fig.1.2Theflowofdirectmethod此類設計關鍵技術主要在于初始的設計方法以及葉片的優(yōu)化方法，對泵噴推進器來說，由于其在軍事應用領域和水下探測等領域的敏感性，以及國外對推進技術的封鎖，關于泵噴推進器的技術及理論方面的可查文獻很少，但國內關于傳統(tǒng)推進器及軸流泵設計的研究已較為成熟，可以作為泵噴推進器設計的理論基矗泵噴推進器設計初始來源于帶定子的導管槳的研究，相關研究主要以導管槳（帶定子式）的研究及AD報告（ASTIADocument）為參照。此理論研究最早可以追溯到1963年，McCokmick等[10]通過對比實驗數(shù)據(jù)，分析出泵噴推進器無論是在效率、噪聲，還是抗空泡性能方面，都比傳統(tǒng)推進器有明顯優(yōu)勢。在1964年的AD報告中，Henderson等[11]指出泵噴推進器具有良好的抗空泡性能，同時對軸流泵一維理論進行相應的改進以滿足需要，并考慮了導管等設計問題。美國
水下泵噴推進器設計方法與數(shù)值優(yōu)化研究6圖1.3反問題設計流程Fig.1.3Theflowofinversemethod國內外研究人員把反問題設計的設計思路運用在了泵等旋轉機械上，例如，Zangeneh等[31,32]先后用三維反問題設計方法對混流泵和離心泵進行參數(shù)化設計，采用CFD數(shù)值模擬手段進行分析并與傳統(tǒng)設計方法對比，其研究目的就是對設計方法進行改進以及模型結構進行優(yōu)化。并且他么又提出一種結合反問題設計與遺傳算法的方案，對混流泵進行其空化性能的優(yōu)化[33]。VanRooij[34]將原有反問題設計計算中的滲透邊界條件改變?yōu)闊o滑移邊界條件，在一定程度上克服了對原有特定的求解器的依賴，為之后反問題設計方面的應用夯實了基矗除此之外，反問題設計方法在壓氣機設計上研究運用較多，其中以Milshin等[35]為代表的CIAM機構、以VandenBraembussche等[36]為代表的馮卡門流體力學研究所以及康考迪亞大學的Ghaly等[37]在此方面都有著積極的影響，并且得到相應較多的成果。在國內，也有研究者利用此方法進行旋轉機械的設計，在與泵噴推進器結構類似的軸流泵設計中有不少的應用。1995年林汝長[38]就已經(jīng)研究了全三維反問題設計方法及相關計算模型，羅興琦等[39]針對軸流泵采用此方法進行了相關設計以及利用有限元方法進行軸流泵的數(shù)值計算[40]。其他相關設備也有反問題設計方法的應用，清華大學的樊紅剛等[41]則提出一種新的全三維反設計方法，由多個二維反問題設計計算得出新的三維葉片。南京航空航天大學的陳杰[42]通過研究發(fā)現(xiàn)了影響設計出的模型伴流場流動狀態(tài)的因素，通過改變軸面投影圖及葉片負載，增強葉片性能。中國農(nóng)業(yè)大學的楊魏[43]等人則利用模擬退火算法進行了葉片設計
【參考文獻】：
期刊論文
[1]前置與后置定子泵噴推進器的水動力性能對比[J]. 彭云龍,王永生,劉承江,易文彬. 哈爾濱工程大學學報. 2019(01)
[2]水下航行體泵噴推進器設計與性能分析[J]. 王小二,張振山,張萌. 海軍工程大學學報. 2018(04)
[3]前置定子葉片周向彎曲對導管槳非定常特性的影響[J]. 趙威,劉敏,彭旭,陳明. 中國造船. 2018(02)
[4]機械式泵噴與IMP推進器的水力性能對比[J]. 彭云龍,王永生,劉承江,易文彬. 哈爾濱工程大學學報. 2016(05)
[5]噴水推進器推進性能優(yōu)化研究[J]. 曹玉良,王永生,靳栓寶. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版). 2015(01)
[6]帶前置定子導管槳流場數(shù)值分析及驗證[J]. 毛衛(wèi). 艦船科學技術. 2014(06)
[7]集成電機推進器流體動力數(shù)值仿真[J]. 趙仿澤. 魚雷技術. 2014(02)
[8]多面體網(wǎng)格在離心泵內部流動數(shù)值模擬中的應用[J]. 袁建平,洪鋒,衡亞光,周幫倫,毛水平. 排灌機械工程學報. 2013(12)
[9]高性能緊湊型水泵的三元設計方法[J]. 靳栓寶,王永生,劉承江,蘇永生. 農(nóng)業(yè)機械學報. 2013(11)
[10]不同湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的應用與驗證[J]. 張德勝,吳蘇青,施衛(wèi)東,潘大志,姚捷,張光建. 農(nóng)業(yè)工程學報. 2013(13)
博士論文
[1]泵噴推進器設計與流場特性研究[D]. 鹿麟.西北工業(yè)大學 2016
[2]水下航行器泵噴推進器設計方法研究[D]. 劉業(yè)寶.哈爾濱工程大學 2013
[3]跨聲速微型斜流壓氣機設計方法研究[D]. 陳杰.南京航空航天大學 2010
碩士論文
[1]軸流泵的葉片優(yōu)化及內部流動特性研究[D]. 夏水晶.江蘇大學 2016
[2]基于粒子群算法的汽輪機組回熱系統(tǒng)優(yōu)化設計[D]. 李飛.華北電力大學 2015
[3]導管螺旋槳水動力分析與優(yōu)化研究[D]. 朱俊飛.武漢理工大學 2013
[4]泵噴推進器水動力性能數(shù)值模擬[D]. 饒志強.上海交通大學 2012
[5]深海無人潛器高效推進器的設計研究[D]. 王同蘇.哈爾濱工程大學 2012
[6]軸流泵葉輪的自動優(yōu)化設計研究[D]. 謝德正.揚州大學 2010
本文編號：3348604
【文章來源】：江蘇大學江蘇省
【文章頁數(shù)】：133 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
泵噴推進器三維模型示意圖
江蘇大學碩士學位論文31.2設計理論研究現(xiàn)狀1.2.1正問題設計對泵噴推進器葉片設計主要由正問題設計與反問題設計兩種思路，其中正問題設計是傳統(tǒng)的設計思路，基本原理就是根據(jù)設計要求來進行葉片的設計，在已知來流條件，計算得到初始葉片后進行CFD數(shù)值模擬或者實驗，獲得壓力等結果參數(shù)以及水動力性能參數(shù)，對此進行分析后通過對結構造型的改進或者優(yōu)化得到最終模型，滿足設計需要，設計流程如圖1.2所示。圖1.2正問題設計流程Fig.1.2Theflowofdirectmethod此類設計關鍵技術主要在于初始的設計方法以及葉片的優(yōu)化方法，對泵噴推進器來說，由于其在軍事應用領域和水下探測等領域的敏感性，以及國外對推進技術的封鎖，關于泵噴推進器的技術及理論方面的可查文獻很少，但國內關于傳統(tǒng)推進器及軸流泵設計的研究已較為成熟，可以作為泵噴推進器設計的理論基矗泵噴推進器設計初始來源于帶定子的導管槳的研究，相關研究主要以導管槳（帶定子式）的研究及AD報告（ASTIADocument）為參照。此理論研究最早可以追溯到1963年，McCokmick等[10]通過對比實驗數(shù)據(jù)，分析出泵噴推進器無論是在效率、噪聲，還是抗空泡性能方面，都比傳統(tǒng)推進器有明顯優(yōu)勢。在1964年的AD報告中，Henderson等[11]指出泵噴推進器具有良好的抗空泡性能，同時對軸流泵一維理論進行相應的改進以滿足需要，并考慮了導管等設計問題。美國
水下泵噴推進器設計方法與數(shù)值優(yōu)化研究6圖1.3反問題設計流程Fig.1.3Theflowofinversemethod國內外研究人員把反問題設計的設計思路運用在了泵等旋轉機械上，例如，Zangeneh等[31,32]先后用三維反問題設計方法對混流泵和離心泵進行參數(shù)化設計，采用CFD數(shù)值模擬手段進行分析并與傳統(tǒng)設計方法對比，其研究目的就是對設計方法進行改進以及模型結構進行優(yōu)化。并且他么又提出一種結合反問題設計與遺傳算法的方案，對混流泵進行其空化性能的優(yōu)化[33]。VanRooij[34]將原有反問題設計計算中的滲透邊界條件改變?yōu)闊o滑移邊界條件，在一定程度上克服了對原有特定的求解器的依賴，為之后反問題設計方面的應用夯實了基矗除此之外，反問題設計方法在壓氣機設計上研究運用較多，其中以Milshin等[35]為代表的CIAM機構、以VandenBraembussche等[36]為代表的馮卡門流體力學研究所以及康考迪亞大學的Ghaly等[37]在此方面都有著積極的影響，并且得到相應較多的成果。在國內，也有研究者利用此方法進行旋轉機械的設計，在與泵噴推進器結構類似的軸流泵設計中有不少的應用。1995年林汝長[38]就已經(jīng)研究了全三維反問題設計方法及相關計算模型，羅興琦等[39]針對軸流泵采用此方法進行了相關設計以及利用有限元方法進行軸流泵的數(shù)值計算[40]。其他相關設備也有反問題設計方法的應用，清華大學的樊紅剛等[41]則提出一種新的全三維反設計方法，由多個二維反問題設計計算得出新的三維葉片。南京航空航天大學的陳杰[42]通過研究發(fā)現(xiàn)了影響設計出的模型伴流場流動狀態(tài)的因素，通過改變軸面投影圖及葉片負載，增強葉片性能。中國農(nóng)業(yè)大學的楊魏[43]等人則利用模擬退火算法進行了葉片設計
【參考文獻】：
期刊論文
[1]前置與后置定子泵噴推進器的水動力性能對比[J]. 彭云龍,王永生,劉承江,易文彬. 哈爾濱工程大學學報. 2019(01)
[2]水下航行體泵噴推進器設計與性能分析[J]. 王小二,張振山,張萌. 海軍工程大學學報. 2018(04)
[3]前置定子葉片周向彎曲對導管槳非定常特性的影響[J]. 趙威,劉敏,彭旭,陳明. 中國造船. 2018(02)
[4]機械式泵噴與IMP推進器的水力性能對比[J]. 彭云龍,王永生,劉承江,易文彬. 哈爾濱工程大學學報. 2016(05)
[5]噴水推進器推進性能優(yōu)化研究[J]. 曹玉良,王永生,靳栓寶. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版). 2015(01)
[6]帶前置定子導管槳流場數(shù)值分析及驗證[J]. 毛衛(wèi). 艦船科學技術. 2014(06)
[7]集成電機推進器流體動力數(shù)值仿真[J]. 趙仿澤. 魚雷技術. 2014(02)
[8]多面體網(wǎng)格在離心泵內部流動數(shù)值模擬中的應用[J]. 袁建平,洪鋒,衡亞光,周幫倫,毛水平. 排灌機械工程學報. 2013(12)
[9]高性能緊湊型水泵的三元設計方法[J]. 靳栓寶,王永生,劉承江,蘇永生. 農(nóng)業(yè)機械學報. 2013(11)
[10]不同湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的應用與驗證[J]. 張德勝,吳蘇青,施衛(wèi)東,潘大志,姚捷,張光建. 農(nóng)業(yè)工程學報. 2013(13)
博士論文
[1]泵噴推進器設計與流場特性研究[D]. 鹿麟.西北工業(yè)大學 2016
[2]水下航行器泵噴推進器設計方法研究[D]. 劉業(yè)寶.哈爾濱工程大學 2013
[3]跨聲速微型斜流壓氣機設計方法研究[D]. 陳杰.南京航空航天大學 2010
碩士論文
[1]軸流泵的葉片優(yōu)化及內部流動特性研究[D]. 夏水晶.江蘇大學 2016
[2]基于粒子群算法的汽輪機組回熱系統(tǒng)優(yōu)化設計[D]. 李飛.華北電力大學 2015
[3]導管螺旋槳水動力分析與優(yōu)化研究[D]. 朱俊飛.武漢理工大學 2013
[4]泵噴推進器水動力性能數(shù)值模擬[D]. 饒志強.上海交通大學 2012
[5]深海無人潛器高效推進器的設計研究[D]. 王同蘇.哈爾濱工程大學 2012
[6]軸流泵葉輪的自動優(yōu)化設計研究[D]. 謝德正.揚州大學 2010
本文編號：3348604
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