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    螺旋槳的優化設計研究

    日期:2016-07-28

    摘要:優化設計方法最先在航空航天的設計制造領域得到應用,并逐漸形成了系統的工程優化設計理論。

    優化設計方法最先在航空航天的設計制造領域得到應用,并逐漸形成了系統的工程優化設計理論。近年來,在世界航運市場的繁榮及船舶制造業大發展的趨勢下,工程優化技術引起了船舶技術研究人員的重視,并迅速在船舶主尺度設計、快速性、操縱性、耐波性等方面得到應用。

    Vassilopoulos于1976年最先將優化理論應用于船用螺旋槳設計領域,利用優化理論分析了優化變量對設計目標及限制條件的敏感性,通過改進的升力線方法得到設計參數的參考范圍,最終由升力面方法確定設計參數。

    Benini開發了基于遺傳算法的系列螺旋槳多目標優化方法,敞水性能計算采用試驗數據的回歸公式。以敞水效率和推力的最大化為目標、Keller空泡限界公式為限制條件,對B系列槳獲得了推力系數、敞水效率、盤面比等的優化組合圖譜,并提出了已知設計航速時,確定最佳直徑和/或最佳轉速的設計步驟。Chen等也以B系列槳為對象,以敞水效率和激振力為綜合優化目標,開發了基于遺傳算法的設計方法。系列槳性能采用回歸公式計算,激振力計算采用升力面方法。該方法以空泡、強度為限制條件,并在性能計算中引入了尺度效應的修正。算例表明,該方法不僅能夠優化效率,而且能夠在保持該優化效率的同時進一步降低螺旋槳軸承力。

    Mishima和Kinnas利用拉格朗日罰函數法,對槳葉表面可能發生空泡的區域面積進行限制,以效率最大化為目標函數,對高速船螺旋槳進行優化設計,優化過程中運用升力線與升力面方法進行槳葉性能預報。優化結果經試驗驗證,效率變化不明顯,空泡性能得到顯著改善。Jang等開發了無線維數優化方法,根據希爾伯特空間理論證明了優化解的唯一性,螺旋槳性能計算采用升力面方法。以效率為目標對槳葉螺距進行了優化,但得到的螺距分布出現較大波動,實用性存在問題。Takekoshi等基于升力面方法,應用非線性序列二次規劃算法在非定常工況下對槳葉形狀進行了優化設計。用Fourier多項式表達槳葉螺距、拱度及厚度分布,設計出的參數分布光順、合理,優化結果經模型試驗驗證。效率及空泡性能均得到改進。

    國內對螺旋槳優化設計研究相對較少。王廣東等通過荷蘭船模試驗水池的試驗數據進行回歸分析,得出螺旋槳推力系數與扭矩系數關于螺距比、進速系數、盤面比、槳葉數的回歸公式,以效率最大化為目標,槳葉的空泡數作為限制條件,利用改進的遺傳算法對回歸公式的自變量進行了優化設計研究,其結果表明了該方法的可行性;程成等應用ISIGHT優化軟件的實驗設計(DOE)方法,集成FLUENT軟件,以降低槳葉表面負壓峰值為目標對槳葉部分半徑剖面的螺距進行了優化。與前述研究工作相比,該方法具有流場及壓力場預報精度高的優點,但是對計算硬件的要求十分苛刻。

    綜上所述,在螺旋槳優化設計方法的發展過程中,主要有兩類方法:第一類方法是根據系列槳模型的試驗結果擬合得到關于螺旋槳設計參數與性能參數之間的經驗公式(回歸公式),并根據經驗公式設定限制條件與優化目標,最終通過優化算法得到最優結果。該類方法對計算機性能要求不高,優化計算速度較快,設計周期較短,如果經驗公式準確,設計結果也會非??煽?,但該類方法與圖譜設計方法一樣。受系列槳型式的限制,無法對螺距、拱度等參數的徑向分布進行優化;第二類方法是在螺旋槳水動力性能的數值計算結果的基礎上進行優化設計,對計算機的性能要求較高,可以將數值計算獲得的螺旋槳推力、扭矩、效率、槳葉表面的壓力分布甚至空泡、振動等結果設置為限制條件與優化目標,理論上能夠在指定綜合性能要求下對槳葉所有幾何參數進行優化設計,即對槳葉形狀進行全面優化,因而具有較大的發展潛力。


    標簽: 船用螺旋槳設計(49) 螺旋槳(85)
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