导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化

论文摘要

潜水器的推进器有多种形式,但是普通桨和导管桨应用最为广泛。论文主要从数值分析和优化设计两个方面对螺旋桨进行了研究。数值分析基于粘性流体力学理论,在全场进行求解,由于考虑了旋涡影响,更能模拟真实流场。优化设计技术能够在诸多相互制约的限制条件中找到最优的组合方案,从而使我们的优化目标效率提高和压力增加。论文首先以NACA0012二维水翼为对象,对其进行了CFD数值模拟,并与试验值进行了比较,然后在iSIGHT平台上整合Fortran程序、Gambit前处理器和Fluent软件对其进行形状优化,优化结果表明,水翼的升阻比提高,最小压力系数增加。论文对常规螺旋桨DTRC4119桨进行了不同网格数、不同湍流参数和三种不同的湍流模型的模拟,得出了在所用的几种网格中出现网格数越多模拟越精确,湍流参数采用公式计算要比经验计算的结果准确的结论,并且在现阶段湍流模型还是两方程的计算比较准确。在DTRC4119数值分析的基础上,进一步对某潜水器的导管螺旋桨进行CFD模拟,采用多块混合性网格,滑移网格技术,计算结果较为准确。论文接着利用导管螺旋桨面元法程序进行了优化,主要有变螺距、定螺距和直径、变螺距和直径三组优化。优化以螺距比、直径为设计变量,拉丁超立方试验设计、模拟退火算法和NSGA-Ⅱ三种全局优化算法为手段,螺旋桨推力不低于现有值为约束,螺旋桨效率提高、桨叶各半径最小压力系数提高为目标。优化结果显示,效率提高,各半径负力系数值的增加总体较好。优化表明采用优化平台节时节力,能够较好探讨各参数对目标的影响,进而缩小设计考虑范围,优化设计结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 螺旋桨的研究进展
• 1.3 螺旋桨的设计与优化
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 CFD 数值原理与优化模型和算法
• 2.1 FLUENT 软件数值计算原理
• 2.1.1 湍流流动控制方程
• 2.1.2 数值离散方法——有限体积法（FVM）
• 2.1.3 数值计算湍流模型
• 2.1.4 壁面函数法
• 2.2 优化设计的数学模型与ISIGHT 中的优化算法
• 2.2.1 优化的数学模型
• 2.2.2 多目标优化的搜索策略和算法
• 2.3 本章小结
• 第三章 二维水翼的水动力数值计算和优化研究
• 3.1 二维水翼水动力数值计算
• 3.1.1 二维水翼的水动力特性
• 3.1.2 计算域与网格的生成
• 3.1.3 边界条件的设置
• 3.1.4 求解参数的设置
• 3.1.5 计算结果的分析
• 3.1.6 机翼边界层分离流动的特性
• 3.2 二维水翼的水动力性能优化
• 3.2.1 翼型的表述
• 3.2.2 多目标优化设计算法——NCGA 和NSGA-Ⅱ
• 3.2.3 优化算例
• 3.2.4 优化结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第四章螺旋桨水动力性能分析
• 4.1 旋转坐标系中的流动
• 4.1.1 Single Rotating Reference Frame（SRF）模型
• 4.1.2 Multiple Rotating Reference Frame 模型
• 4.2 常规螺旋桨DTRC4119 性能分析
• 4.2.1 计算模型和网格的划分
• 4.2.2 边界条件与求解参数的设置
• 4.2.3 数值求解结果与分析
• 4.3 某型导管螺旋桨性能分析
• 4.3.1 导管螺旋桨计算域与网格的划分
• 4.3.2 边界条件的设置
• 4.3.3 计算模式选择及求解参数的设置
• 4.3.4 计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于ISIGHT 平台的导管螺旋桨
• 5.1 优化问题的描述
• 5.1.1 优化对象
• 5.1.2 优化目标
• 5.1.3 优化参数及约束
• 5.2 优化算法概述
• 5.2.1 试验设计（Design Of Experiments,DOE）方法
• 5.2.2 模拟退火算法（Adaptive Simulated Annealing）
• 5.3 优化流程
• 5.4 优化的结果与分析
• 5.4.1 变螺距比优化
• 5.4.2 定螺距比、变直径优化
• 5.4.3 变螺距比、变直径优化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢