船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究

论文摘要

随着造船、航运业的发展,船舶的安全、节能、环保等性能越来越受到重视。作为目前最常用的推进装置,螺旋桨对船舶性能的影响很重要。由于伴流场的非均匀性,螺旋桨旋转一周过程中其桨叶会以不同的攻角与来流相遇,容易使桨叶上产生空泡。螺旋桨空泡不仅会对桨叶产生剥蚀作用,还会产生噪声及引起尾部振动。近年来,一方面船舶不断向大型化发展,而船舶吃水受港口、航道水深的限制,螺旋桨直径不能过分增大,于是导致螺旋桨负荷加重;另一方面,肥大型船得到广泛应用,其伴流场均匀性变差,螺旋桨的工作环境恶化。这两方面的原因使出现空泡、振动现象的可能性大为增加。因而在现代船舶的螺旋桨设计过程中兼顾效率和空泡、振动等性能非常必要。本文针对螺旋桨水动力性能和空泡性能预报及其优化设计问题,开展了以下三方面的研究工作:一、基于CFD方法的船尾伴流场数值预报。由于船尾伴流场对螺旋桨性能有重要影响,有必要对伴流场的影响因素进行研究。本文以某集装箱船为研究对象,采用前处理软件GMS进行线型建模,并在NAPA软件中进行线型参数化变换,然后采用CFD软件PARNASSOS求解船舶尾部伴流场,并与船模试验结果相比较以验证计算的准确性。通过对不同方形系数、船体长宽比和尾部UV度等参数的尾部伴流场的研究,探明这些参数变化对伴流场的影响趋势。二、基于支持向量机和遗传算法的螺旋桨敞水性能优化。由于图谱法设计螺旋桨简便实用,而且可为理论设计方法提供参考,本文首先建立基于图谱的螺旋桨敞水性能优化设计方法。以敞水效率为优化目标,空泡限界线为约束条件,进速系数、螺距比和盘面比为优化变量建立均匀流场中螺旋桨性能优化模型;采用支持向量机预报螺旋桨水动力性能,采用遗传算法求解优化模型。通过将优化结果与商业软件CSPDP以及文献中的计算结果相比较,验证了本文方法的有效性,为非均匀流场中螺旋桨性能优化打下了基础。三、基于升力面法的非均匀流场中螺旋桨性能优化。非均匀流场中螺旋桨性能预报的方法有升力线法、升力面法、面元法和计算流体动力学(CFD)方法。虽然CFD方法通常比其他方法的精度要高,但是对计算机硬件的要求也较高,计算效率相对较低,不适用于大量算例的计算。为了兼顾计算效率和预报精度,本文采用升力面程序ANPRO预报螺旋桨的水动力性能和空泡性能。预报结果与试验观测结果的比较表明升力面法可以预报空泡范围变化的趋势。在此基础上,分别以螺旋桨效率和空泡范围为优化目标,以不同半径处的螺距和拱度为优化变量,建立了优化模型并采用遗传算法进行求解。优化前后的性能对比表明,本文提出的方法可以在一定的螺旋桨效率下优化空泡性能或者在一定的空泡性能下优化螺旋桨效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 船后伴流场研究
• 1.2.2 螺旋桨设计与性能预报
• 1.2.3 螺旋桨优化设计
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 基于CFD 方法的船尾伴流场数值预报
• 2.1 伴流与螺旋桨设计的关系
• 2.1.1 实效伴流与标称伴流
• 2.1.2 尺度效应
• 2.1.3 伴流对螺旋桨空泡性能的影响
• 2.2 CFD 方法简介
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 边界条件和离散方法
• 2.2.4 求解算法
• 2.2.5 网格技术
• 2.3 PARNASSOS 计算船后伴流场
• 2.3.1 PARNASSOS 简介
• 2.3.2 模型的建立
• 2.3.3 求解策略与计算结果
• 2.4 伴流场影响因素的数值研究
• 2.4.1 研究对象与方法
• 2.4.2 计算结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于支持向量机和遗传算法的螺旋桨敞水性能优化
• 3.1 支持向量机
• 3.1.1 标准型支持向量机
• 3.1.2 最小二乘支持向量机
• 3.2 遗传算法
• 3.2.1 遗传算法概述
• 3.2.2 遗传算法的基本原理
• 3.3 约束优化方法
• 3.4 螺旋桨优化设计模型
• 3.4.1 初步设计
• 3.4.2 终结设计
• 3.5 优化算例
• 3.5.1 SVM 参数对建模的影响
• 3.5.2 考察模型的准确性和泛化能力
• 3.5.3 优化设计的实现
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于升力面法的非均匀伴流场中的螺旋桨性能优化
• 4.1 升力面法预报螺旋桨性能
• 4.1.1 螺旋桨几何形状
• 4.1.2 尾涡模型与边界条件
• 4.1.3 水动力计算与空泡性能预报
• 4.2 优化算法
• 4.3 螺旋桨参数对性能影响的定性讨论
• 4.4 优化设计方法
• 4.4.1 优化模型
• 4.4.2 面空泡裕度
• 4.4.3 优化设计流程
• 4.5 优化算例
• 4.5.1 预报准确性验证
• 4.5.2 螺旋桨性能优化
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究工作总结和结论
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表或录用的论文