基于复杂系统建模理论的船用螺旋桨多学科优化设计

作     者：刘传君 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周宏根

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：船用螺旋桨 复杂系统建模 多学科优化 敞水效率 数值模拟 

摘      要：螺旋桨的工作性能对船舶航运业的发展起着至关重要的作用，螺旋桨的研究方法主要分为试验方法和理论方法。与试验研究方法相比，理论研究方法因其周期短、成本低并且能满足工程精度而成为研究螺旋桨工作性能的重点。随着计算机的快速发展，研究方法也从理论分析、试验研究扩展到了CFD计算，为更好的设计高性能的螺旋桨提供了强有力的工具和方法。 螺旋奖的敞水效率是影响其工作性能的主要因素。本文首先研究了复杂系统建模及多学科优化理论，建立船-机-桨之间的匹配关系优化关系;通过软件研究了螺旋桨的三维建模及流域网格的划分方法;分析了在螺旋桨敞水工作时的推力、扭矩、敞水效率以及桨叶的压力分布规律;最后通过粒子群算法算法对螺旋桨参数进行了优化，使得螺旋桨敞水效率提高了11.36%，船舶主机燃油节约10.22%。概括来说，涉及到的工作内容如下： 1、研究了复杂系统建模及多学科优化理论，分析了船-机-桨之间的运动关系，并建立了船-机-桨匹配优化关系。 2、研究了螺旋桨的三维建模方法和网格划分方法;在Pro/e中用高级绘图命令绘制螺旋桨的型值点曲线，然后用边界混合及混合形成叶片，最后完成螺旋桨的三维建模;在Gambit中采用四面体网格和六面体网格完成计算域大流域和小流域网格的划分。 3、概括性的介绍了CFD计算需要考虑的问题以及一般的步骤，使用Fluent软件分析了螺旋桨的敞水效率;研究了螺旋桨在不同进速系数下的推力、扭矩及敞水效率，并将计算结果与试验值比较，得出该方法应用于工程的可行性。 4、研究了不同进速系数下的螺旋桨桨叶的压力分布规律;随着螺旋桨叶背上压力的增加，高压区域从随边向导边扩展并且逐渐趋于平均;螺旋桨叶面的高压区域出现在导边部位和随边部位，并且压力逐渐减小。 5、分析了影响螺旋桨敞水效率的关键参数，应用粒子群优化算法，以Matlab为工具对螺旋桨敞水效率进行了参数优化，且粒子群优化算法的最优解（效率）与数值模拟计算的解相差2.54%，并将优化结果进行实例计算，使得主机燃油节约10.22%，证明了优化方法的可行性与优化结果的有效性。