基于面元法的潛艇推進器水動力性能優(yōu)化設(shè)計方法研究
發(fā)布時間：2021-09-29 08:17
推進器是潛艇的主要振動源和輻射噪聲源,其性能直接關(guān)系到潛艇的作戰(zhàn)性能。潛艇推進器設(shè)計是一個復(fù)雜的過程,涉及很多推進器幾何參數(shù)和設(shè)計目標。本文基于面元法和優(yōu)化算法開展了潛艇推進器水動力性能優(yōu)化設(shè)計方法研究。全文的主要工作從螺旋槳剖面二維設(shè)計開始,開展了潛艇實效伴流場和螺旋槳線譜噪聲預(yù)報和研究,然后將剖面設(shè)計方法和實效伴流場應(yīng)用到潛艇七葉側(cè)斜螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計方法研究中,最后對潛艇泵噴推進器的轉(zhuǎn)子進行了優(yōu)化設(shè)計。全文的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:（1）基于Newton-Raphson迭代法和升力分布開展了螺旋槳葉剖面二維設(shè)計方法研究,包括無厚度拱線設(shè)計和有厚度剖面設(shè)計。提出了以升力分布為目標的設(shè)計思路和一種參數(shù)化的升力分布形式,建立了基于Newton-Raphson迭代的逆問題求解方法,該方法能夠快速精確地設(shè)計指定升力分布的拱線或者剖面。在拱線設(shè)計中,本文設(shè)計了SJ系列拱線供螺旋槳設(shè)計參考;在剖面設(shè)計中,本文引入PARSEC多項式對剖面厚度分布進行參數(shù)化表達。剖面設(shè)計與性能計算結(jié)果表明:通過改變升力分布形式可對葉剖面空泡斗的位置進行調(diào)整,即可調(diào)整剖面的葉背或面空泡裕度。剖面的參數(shù)化表達方法和二維設(shè)計...
【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：183 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
HSP螺旋槳的離散面元Fig.2-12SurfacepanelsofHSPpropeller
上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文第 51 頁圖2-27 非均勻 B 樣條的德布爾遞歸計算示意圖Fig.2-27 Schematic of calculation of non-uniform B spline在實際的程序設(shè)計中可按照上圖構(gòu)建ljd 和 lj的矩陣進行遞歸計算。2.7 優(yōu)化算法最優(yōu)化理論是運籌學(xué)的重要分支，也是應(yīng)用數(shù)學(xué)與實際聯(lián)系最為緊密的部分。在上世紀 40年代發(fā)表線性規(guī)劃單純形法以后，最優(yōu)化理論成為了一個獨立的學(xué)科。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，最優(yōu)化理論取得了迅猛發(fā)展，而且在社會各個行業(yè)和部門取得了廣泛應(yīng)用。目前，最優(yōu)化理論在算法的提出和改進上已經(jīng)取得了很大的進步。在單目標優(yōu)化算法上，有線性規(guī)劃算法（Linear Programming, LP）、序列二次規(guī)劃方法（Sequential Quadratic Programming,SQP）、下降梯度法（Reduced Gradient, RG）、混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed Integer Programming, MIP）、遺傳算法（GeneticAlgorithm, GA）、微分進化算法（Differential EvolutionAlgorithm, DEA）、進化策略（Evolution Strategies, ES）、模擬退火（Simulated Annealing, SA）等等算法。在多目標優(yōu)化上，有法向邊界相交法（Normal-Boundary Intersection Method, NIM）、權(quán)重目標算法（WeightedObjective Method, WOM）、非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA）、非支配排序微分進化算法（Non-dominated Sorting Differential Evolution Algorithm,NSEA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO）等等。這些算法在處理不同的問題時各有優(yōu)劣，優(yōu)化效率和效果也不相同。在本文中，單目標優(yōu)化一般采用微分進化算法，而多目標優(yōu)化采用非支配排序微分進化算法。下面著重介紹這兩種優(yōu)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圖3-21 不同KC 對應(yīng)的厚度分布和空泡斗Fig.3-21 Variation of thickness withKC and corresponding cavitation bucket粘性影響的修正節(jié)的設(shè)計基于線性渦面元法，流體的粘性僅僅采用經(jīng)驗公式計及，計算過性能計算可能不準確。基于這種考慮，本文結(jié)合面元法和 RANS 方法在剖，以減少設(shè)計目標的誤差。 NACA4412 機翼為例校驗了 RANS 方法和面元法的計算精度。在 RANS型來考慮湍流的影響，采用 SIMPLEC 求解壓力和速度的耦合。計算的雷場計算域離散為 1.3M 個四邊形單元，物面平均 y+≈50。圖 3-22 為 NACA44剖面的粘性修正所采用的 RANS 網(wǎng)格如此類似。圖 3-23 為數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)看出，RANS 方法的預(yù)報結(jié)果與實驗結(jié)果[154]非常接近。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]船用螺旋槳水動力性能優(yōu)化設(shè)計[J]. 王波,張以良,熊鷹. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版). 2015(04)
[2]水翼剖面多目標粒子群算法優(yōu)化[J]. 黃勝,任萬龍,王超. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2014(12)
[3]確定螺旋槳側(cè)斜分布的一種數(shù)值優(yōu)化方法[J]. 蔡昊鵬,馬騁,陳科,錢正芳,張赫. 船舶力學(xué). 2014(07)
[4]一種求解船用螺旋槳最佳徑向環(huán)量分布的方法[J]. 蔡昊鵬,馬騁,錢正芳,陳科,張赫. 船舶力學(xué). 2013(11)
[5]圓柱形水下航行器多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法研究(英文)[J]. 蘇玉民,崔桐,朱煒,曹建,楊卓懿. 船舶力學(xué). 2013(09)
[6]基于CFD技術(shù)的導(dǎo)管螺旋槳自動優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[J]. 余龍,DRUKENBROD M,GREVE M,ABDEL-MAKSOUD M. 水動力學(xué)研究與進展A輯. 2013(04)
[7]吊艙式CRP推進器的定常水動力性能模擬[J]. 郭春雨,汪小翔,趙大剛,孫瑜. 船海工程. 2013(03)
[8]兩種優(yōu)化算法在螺旋槳優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用與比較[J]. 郭春雨,王超,熊鷹,黃勝. 船舶工程. 2013(03)
[9]螺旋槳梢渦空泡初生及尺度效應(yīng)研究[J]. 熊鷹,韓寶玉,時立攀. 船舶力學(xué). 2013(05)
[10]定子參數(shù)變化對前置定子導(dǎo)管槳性能的影響[J]. 饒志強,李巍,楊晨俊. 上海交通大學(xué)學(xué)報. 2013(02)
博士論文
[1]最大空泡起始航速及最小空泡脈動壓力螺旋槳設(shè)計[D]. 曾志波.中國艦船研究院 2014
[2]水下航行器泵噴推進器設(shè)計方法研究[D]. 劉業(yè)寶.哈爾濱工程大學(xué) 2013
[3]基于面元法理論的船用螺旋槳設(shè)計方法研究[D]. 蔡昊鵬.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[4]螺旋槳水動力性能、空泡及噪聲性能的數(shù)值預(yù)報研究[D]. 王超.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[5]螺旋槳與舵附推力鰭相互干擾水動力性能數(shù)值計算[D]. 郭春雨.哈爾濱工程大學(xué) 2007
[6]螺旋槳性能預(yù)報的速度勢面元法研究[D]. 張利軍.大連理工大學(xué) 2006
[7]螺旋槳空泡性能及低噪聲螺旋槳設(shè)計研究[D]. 胡健.哈爾濱工程大學(xué) 2006
[8]潛器全方向推進器的研究[D]. 常欣.哈爾濱工程大學(xué) 2005
[9]非均勻流場中螺旋槳性能預(yù)報和理論設(shè)計研究[D]. 譚廷壽.武漢理工大學(xué) 2003
[10]非均勻流中螺旋槳空泡及脈動壓力的數(shù)值和試驗研究[D]. 熊鷹.武漢理工大學(xué) 2002
碩士論文
[1]吊艙推進器水動力性能數(shù)值研究[D]. 董小倩.上海交通大學(xué) 2013
[2]船后伴流場預(yù)報及考慮空泡性能的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計研究[D]. 初紹偉.上海交通大學(xué) 2012
[3]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(xué) 2012
[4]基于新型剖面設(shè)計的螺旋槳空泡性能優(yōu)化[D]. 龍文.中國艦船研究院 2011
[5]導(dǎo)管螺旋槳的水動力性能分析與設(shè)計優(yōu)化[D]. 馬艷.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[6]升力面理論預(yù)報螺旋槳非定常空泡性能[D]. 賀偉.武漢理工大學(xué) 2006
[7]集成電機泵噴推進器技術(shù)研究[D]. 何東林.西北工業(yè)大學(xué) 2005
[8]高階面元法預(yù)報螺旋槳水動力性能[D]. 何海峰.武漢理工大學(xué) 2004
本文編號：3413377
【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：183 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
HSP螺旋槳的離散面元Fig.2-12SurfacepanelsofHSPpropeller
上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文第 51 頁圖2-27 非均勻 B 樣條的德布爾遞歸計算示意圖Fig.2-27 Schematic of calculation of non-uniform B spline在實際的程序設(shè)計中可按照上圖構(gòu)建ljd 和 lj的矩陣進行遞歸計算。2.7 優(yōu)化算法最優(yōu)化理論是運籌學(xué)的重要分支，也是應(yīng)用數(shù)學(xué)與實際聯(lián)系最為緊密的部分。在上世紀 40年代發(fā)表線性規(guī)劃單純形法以后，最優(yōu)化理論成為了一個獨立的學(xué)科。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，最優(yōu)化理論取得了迅猛發(fā)展，而且在社會各個行業(yè)和部門取得了廣泛應(yīng)用。目前，最優(yōu)化理論在算法的提出和改進上已經(jīng)取得了很大的進步。在單目標優(yōu)化算法上，有線性規(guī)劃算法（Linear Programming, LP）、序列二次規(guī)劃方法（Sequential Quadratic Programming,SQP）、下降梯度法（Reduced Gradient, RG）、混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed Integer Programming, MIP）、遺傳算法（GeneticAlgorithm, GA）、微分進化算法（Differential EvolutionAlgorithm, DEA）、進化策略（Evolution Strategies, ES）、模擬退火（Simulated Annealing, SA）等等算法。在多目標優(yōu)化上，有法向邊界相交法（Normal-Boundary Intersection Method, NIM）、權(quán)重目標算法（WeightedObjective Method, WOM）、非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA）、非支配排序微分進化算法（Non-dominated Sorting Differential Evolution Algorithm,NSEA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO）等等。這些算法在處理不同的問題時各有優(yōu)劣，優(yōu)化效率和效果也不相同。在本文中，單目標優(yōu)化一般采用微分進化算法，而多目標優(yōu)化采用非支配排序微分進化算法。下面著重介紹這兩種優(yōu)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圖3-21 不同KC 對應(yīng)的厚度分布和空泡斗Fig.3-21 Variation of thickness withKC and corresponding cavitation bucket粘性影響的修正節(jié)的設(shè)計基于線性渦面元法，流體的粘性僅僅采用經(jīng)驗公式計及，計算過性能計算可能不準確。基于這種考慮，本文結(jié)合面元法和 RANS 方法在剖，以減少設(shè)計目標的誤差。 NACA4412 機翼為例校驗了 RANS 方法和面元法的計算精度。在 RANS型來考慮湍流的影響，采用 SIMPLEC 求解壓力和速度的耦合。計算的雷場計算域離散為 1.3M 個四邊形單元，物面平均 y+≈50。圖 3-22 為 NACA44剖面的粘性修正所采用的 RANS 網(wǎng)格如此類似。圖 3-23 為數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)看出，RANS 方法的預(yù)報結(jié)果與實驗結(jié)果[154]非常接近。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]船用螺旋槳水動力性能優(yōu)化設(shè)計[J]. 王波,張以良,熊鷹. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版). 2015(04)
[2]水翼剖面多目標粒子群算法優(yōu)化[J]. 黃勝,任萬龍,王超. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2014(12)
[3]確定螺旋槳側(cè)斜分布的一種數(shù)值優(yōu)化方法[J]. 蔡昊鵬,馬騁,陳科,錢正芳,張赫. 船舶力學(xué). 2014(07)
[4]一種求解船用螺旋槳最佳徑向環(huán)量分布的方法[J]. 蔡昊鵬,馬騁,錢正芳,陳科,張赫. 船舶力學(xué). 2013(11)
[5]圓柱形水下航行器多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法研究(英文)[J]. 蘇玉民,崔桐,朱煒,曹建,楊卓懿. 船舶力學(xué). 2013(09)
[6]基于CFD技術(shù)的導(dǎo)管螺旋槳自動優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[J]. 余龍,DRUKENBROD M,GREVE M,ABDEL-MAKSOUD M. 水動力學(xué)研究與進展A輯. 2013(04)
[7]吊艙式CRP推進器的定常水動力性能模擬[J]. 郭春雨,汪小翔,趙大剛,孫瑜. 船海工程. 2013(03)
[8]兩種優(yōu)化算法在螺旋槳優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用與比較[J]. 郭春雨,王超,熊鷹,黃勝. 船舶工程. 2013(03)
[9]螺旋槳梢渦空泡初生及尺度效應(yīng)研究[J]. 熊鷹,韓寶玉,時立攀. 船舶力學(xué). 2013(05)
[10]定子參數(shù)變化對前置定子導(dǎo)管槳性能的影響[J]. 饒志強,李巍,楊晨俊. 上海交通大學(xué)學(xué)報. 2013(02)
博士論文
[1]最大空泡起始航速及最小空泡脈動壓力螺旋槳設(shè)計[D]. 曾志波.中國艦船研究院 2014
[2]水下航行器泵噴推進器設(shè)計方法研究[D]. 劉業(yè)寶.哈爾濱工程大學(xué) 2013
[3]基于面元法理論的船用螺旋槳設(shè)計方法研究[D]. 蔡昊鵬.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[4]螺旋槳水動力性能、空泡及噪聲性能的數(shù)值預(yù)報研究[D]. 王超.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[5]螺旋槳與舵附推力鰭相互干擾水動力性能數(shù)值計算[D]. 郭春雨.哈爾濱工程大學(xué) 2007
[6]螺旋槳性能預(yù)報的速度勢面元法研究[D]. 張利軍.大連理工大學(xué) 2006
[7]螺旋槳空泡性能及低噪聲螺旋槳設(shè)計研究[D]. 胡健.哈爾濱工程大學(xué) 2006
[8]潛器全方向推進器的研究[D]. 常欣.哈爾濱工程大學(xué) 2005
[9]非均勻流場中螺旋槳性能預(yù)報和理論設(shè)計研究[D]. 譚廷壽.武漢理工大學(xué) 2003
[10]非均勻流中螺旋槳空泡及脈動壓力的數(shù)值和試驗研究[D]. 熊鷹.武漢理工大學(xué) 2002
碩士論文
[1]吊艙推進器水動力性能數(shù)值研究[D]. 董小倩.上海交通大學(xué) 2013
[2]船后伴流場預(yù)報及考慮空泡性能的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計研究[D]. 初紹偉.上海交通大學(xué) 2012
[3]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(xué) 2012
[4]基于新型剖面設(shè)計的螺旋槳空泡性能優(yōu)化[D]. 龍文.中國艦船研究院 2011
[5]導(dǎo)管螺旋槳的水動力性能分析與設(shè)計優(yōu)化[D]. 馬艷.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[6]升力面理論預(yù)報螺旋槳非定常空泡性能[D]. 賀偉.武漢理工大學(xué) 2006
[7]集成電機泵噴推進器技術(shù)研究[D]. 何東林.西北工業(yè)大學(xué) 2005
[8]高階面元法預(yù)報螺旋槳水動力性能[D]. 何海峰.武漢理工大學(xué) 2004
本文編號：3413377
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