基于纵倾与侧斜的螺旋桨优化设计

螺旋桨的特征参数之间相互制约、影响,共同决定着螺旋桨的水动力、空泡以及振动等性能。本文以粒子群算法为工具,基于面元法理论,以4382型螺旋桨为模型桨,以侧斜、纵倾为优化变量对其进行优化设计。侧斜和纵倾采用贝塞尔曲线拟合方式进行综合考虑,以螺旋桨的效率为优化目标,对原桨及优化桨进行水动力性能分析。优化后桨叶的效率提高,压力分布得到改善,很好的抑制了空泡的发生。     

近似模型方法在螺旋桨优化设计中的应用

为了提高螺旋桨优化设计的质量和效率,将试验设计方法、近似模型和粒子群算法相结合,建立了基于近似模型的螺旋桨优化设计的方法.首先,以螺旋桨的几何参数为设计变量和以推力系数与效率为目标函数,引入试验设计的方法对整个设计空间采样,采用定常面元法预报程序计算出样本螺旋桨的水动力性能.其次,根据采样得到的样本库建立螺旋桨几何参数和水动力性能之间的克里格近似模型.最后,结合该近似模型和粒子群算法对螺旋桨的多目标优化设计.以P4382桨和Ka0.5导管桨为例,验证近似方法应用于螺旋桨优化设计的可行性.结果表明:近似模型方法能够实现目标桨的推力系数和效率的提高,而且优化速度快.     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

大侧斜螺旋桨敞水性能的RANSEs模拟

采用求解基于雷诺时均处理的流场控制方程计算和分析了大侧斜螺旋桨在进速系数J=0.2～1.0范围内的敞水性能和流场流动特征并与实验数据进行了比较.选择SSTκ-ω二方程紊流模型对湍流进行模拟.结果表明:推力系数与实验值有很好的一致性,误差小于3%;力矩系数较实验值偏大,误差在5%以内,且变化趋势稳定;敞水效率曲线变化趋势与实验一致,最高效率点与实验相同;即使在设计工况附近,螺旋桨尾流仍然存在明显的切向旋转速度;桨叶吸力面靠近叶梢部分存在低压区;r=0.7R叶切面压差最大点位于切面最大厚度处,与切面所能承受最大压应力位置一致.最后计算确定了该螺旋桨模型桨敞水实验时对应的临界雷诺数为7.6×105,与实验情况吻合.该值较国内教科书中提到的ITTC给定临界雷诺数3.0×105要大.     

水下航行器大侧斜对转桨设计方法改进

研究基于升力线和升力面理论的对转桨设计方法,对升力面设计的核心部分--螺距和拱弧面的迭代计算方法进行了改进,建立了一套较为高效、准确的大侧斜对转桨设计程序.设计算例及其数值验证结果表明：改进的设计计算方法不仅提高了计算效率,而且能够有效保证设计结果的光顺性;设计方法具有较好的精度,可应用于大侧斜对转桨的设计.     

导管结构改进后导管桨的水动力性能研究

对19A导管桨的试验模型进行改进,在导管内壁后半部分增加突起结构来提高导管桨的推进效率.应用计算流体力学中的SSTk-ω模型对19A导管Ka4-55螺旋桨的水动力性能进行计算,得到了导管桨在各个进速系数下的推力系数、转矩系数和螺旋桨效率以及导管上的推力系数.通过与实验结果进行对比,验证计算方法的可靠性.对导管改进结构参数进行优选,得到设计进速系数下效率较高的导管模型.对比结果显示:改进导管可以提高导管桨效率,设计进速系数J=0.5处,效率能够提高2.62%.通过对比改进前后导管桨压力分布和导管内速度分布,分析了改进导管桨水动力性能提高的机理.     

基于改进粒子群优化的快速协作式频谱感知算法

为了改进算法的计算效率和感知性能,提出了一种新的线性协作式频谱感知算法.在新算法中,通过动态地改变粒子群优化（PSO）方法在每次迭代过程中的迭代系数,以获取最优的权重向量,从而最大化算法的检测概率.采用时变迭代系数后,基于PSO的协作式频谱感知算法在粒子飞行的初期具有很好的全局探索能力,而随着迭代次数的增加,算法具有很好的局部搜索能力.仿真结果表明,新算法相比基于传统PSO的频谱感知算法具有更快的收敛速度,相比传统的基于修正系数和基于传统PSO的协作式感知算法具有更好的性能.不同场景下的仿真结果验证了新算法的有效性.     

螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计

螺旋桨运转于舰艇艉后不均匀流场中,不均匀的流场对螺旋桨的空泡、噪声、振动以及水动力性能产生重要影响。而船舶螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的就是在精确预报船舶艉后伴流场的条件下,合理地设计螺旋桨,使设计桨适合于所在伴流场下的运转。将伴流谐调分析法、螺旋桨侧斜及纵倾选择原则、升力线程序、升力面程序和非定常面元法程序、螺旋桨参数优化设计程序相结合,建立了螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的系统,对大侧斜螺旋桨(highly skewed propeller, HSP)再设计为例,验证该系统的有效性。该系统为实现对潜艇螺旋桨的量身定制提供了理论支持。     

基于伴随方法的混合式CRP空泡性能优化

为探索出高效可靠的混合式CRP(对转吊舱)推进器优化设计方法,基于定常整体面元法,开展混合式CRP推进器伴随方法的应用研究.建立混合式CRP推进器的伴随方程,计算推力、扭矩系数及剖面最大负压系数与前、后桨螺距及拱弧之间的敏感导数,根据敏感导数结果,结合定常整体面元法,开展混合式CRP推进器的优化设计.优化中保持前、后桨的推力、扭矩不变,改善螺旋桨的空泡性能.对优化前、后的混合式CRP推进器加工模型,在空泡水筒中进行模型试验,结果表明:优化后混合式CRP推进器的叶梢空泡面积明显减小,同时推力、扭矩系数基本维持不变,验证了伴随方法在混合式CRP推进器优化中的有效性.     

面向第二类装配线平衡问题的改进粒子群算法

为求解第二类装配线平衡问题，建立一种以最小化节拍、工位负载标准差为优化目标的第二类装线平衡问题的模型.根据装配线平衡问题的特点，设计出一种改进的粒子群算法，引入随迭代次数增加而线性递减的惯性权重，防止粒子群算法陷入局部极值点；将反向学习策略与PSO算法相结合，使PSO算法具有更佳的搜索能力和收敛速度.通过求解标杆问题，结果表明改进的PSO算法与标准PSO算法相比，具备更好的求解能力.最后通过对青贮机装配线为实例验证算法的可行性和有效性，进一步验证了本文中提出的改进PSO算法具有很强的计算效率和求解能力.     

基于对飞行员工效影响的旋翼螺旋桨流动及噪声分析

倾转旋翼飞机的主要噪音来源于螺旋桨,而噪声对飞行员工效具有非常大的影响。本文在分析噪音对飞行员工效影响的基础上,使用计算流体力学(CFD)方法对优化设计的旋翼螺旋桨流场进行了计算分析。通过数值计算得到了旋翼螺旋桨的拉力特性、功率特性等气动性能参数。螺旋桨的拉力系数CT、功率系数CP都随着进速比J的增大而减小,螺旋桨的推进效率随着进速比的增大,先增大后减小,在设计点附近,螺旋桨推进效率达到0.87以上。采用Lowson方法对螺旋桨的辐射噪声进行了初步分析,随着螺旋桨转速的提高,各方位总声压级指向性一致,并有所提高。     

径向载荷分布对螺旋桨气动性能影响的计算研究

通常认为螺旋桨叶片的径向载荷分布对于螺旋桨的气动效率有较大影响,但是,通过对比三种典型径向载荷分布螺旋桨的气动性能,本文发现：只要合理选择翼型及工作迎角,载荷分布的不同不太影响螺旋桨的效率。本文采用求解三维N-S方程确定桨叶各叶素的气动性能并根据设定的载荷分布进行剖面迎角调整的方法研究。本文的研究结果表明：如果采用本文的调整方法,在螺旋桨设计中不必重点研究载荷分布的问题。     

螺旋桨非定常性能计算的升力面方法

本文利用非定常数值升力面方法计算了运转于非均匀流场中的螺旋桨性能,该方法建立在作者提出的新的定常螺旋桨尾涡模型的基础上,在用圆锥螺旋面模拟的过渡区尾涡片中,加入了泄出涡以反映非定常特性.数值计算的升力面方法采用离散的涡、源奇点系,并编制了相应的非定常性能计算的计算机程序.最后,对14届ITTC 螺旋桨委员会提供的实例以及其他例子作了比较计算,结果表明,本法是可行的.     

某型运输机螺旋桨有效拉力的应变法测量技术

为了得出某型运输机螺旋桨在飞行中的实际使用效率,根据螺旋桨和发动机的安装情况,经受力分析,决定尝试通过应变法测量螺旋桨的有效拉力来计算其使用效率。通过对地面加载试验及数据处理方法的研究探索,给出了计算螺旋桨拉力的载荷方程。并通过试飞对载荷方程进行验证,以探索应用应变法测量螺旋桨拉力方法的可行性。     

环形混合器混合排气系统气动形面的优化设计

以B样条曲线为基础、采用计算流体力学方法,并结合改进的粒子群优化算法,提出了一套环形混合排气系统喷管型线与环形混合器径向位置的一体化优化设计方法,并采用该方法对某型使用中的环形混合器混合排气系统进行了优化设计.优化结果表明,较之原始模型,优化后的环形混合器混合排气系统在流量分配方面与设计值更为接近,涵道比的误差为2.8%.气动性能方面,设计条件下,优化模型推力为原始模型的1.061倍,总压恢复系数则提升至0.995;在非设计条件下,优化模型的总压恢复系数较原始模型提高了0.7%和0.4%,推力较原始模型提高了1.2%和2.7%.     

瞬变工况下螺旋桨性能

用非定常非线性涡格法计算螺旋桨尾流场预估非定常性能，并进一步计算了瞬变工况下螺钉性能，对ＤＴＮＳＲＤＣ４３８１和４３８３桨的尾流场进行了校核计算，取得了理想的结果；对ＩＴＴＣ建议的轴承力校核计算的螺旋桨，在给定的伴流场条件下计算其非定常性能，与试验结果和其他的理论方法比较，结果令人满意，最后计算了ＤＴＮＳＲＤＣ４１１８桨在变工况下性能变化过程，显示了该方法用于螺肇钉性能预估的前景。     

船舶反弯扭螺旋桨水力特性的数值模拟与分析

运用计算流体力学方法(CFD)对船舶反弯扭螺旋桨的水力特性进行数值模拟计算,获得了螺旋桨的推力系数、扭矩系数及敞水效率等水力特性参数,与试验结果进行了比较,两者吻合良好.模拟计算提供了详细的三维流场分布,可对反弯扭桨叶的工作特性和叶梢涡、尾涡及气蚀的分布状态进行深入的分析.在叶面邻近区域采用层叠式的半结构网格以适应边界层的计算要求,在边界层外的流动区域采用非结构网格,取得了较高的计算精度.     

舵的布置对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究大型水面船舶船-桨-舵干扰作用,探讨舵的布置设计原则,以某大型四桨两舵水面船舶为研究对象,采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法,基于滑移网格模型,建立了不考虑自由液面效应的船-桨-舵整体数值模拟计算模型,重点研究了舵的位置变化对螺旋桨水动力性能的影响.数值计算结果表明：对于四桨外旋船舶,外前桨的水动力性能对舵的横向和纵向位置移动不是很敏感,而内后桨则比较敏感;在一定范围内,内后桨的推力系数和扭矩系数随舵与船体中纵剖面的横向距离和纵向距离增大而减小.     

基于仿真的选区激光熔化工艺结构变形补偿设计优化

针对选区激光熔化工艺中残余应力造成的变形缺陷问题，介绍了一种基于有限元仿真的选区激光熔化工艺的结构变形补偿设计优化方法.以螺旋桨结构成型为例，首先建立了宏观尺度上基于有限元方法的热-力耦合仿真模型，然后分析了成型零件中的残余应力与变形分布规律，并提出了利用变形场反馈调整零件设计的几何结构的方法，通过多次反馈迭代，实现了成型后零件变形几何与期望几何之间的形状误差逐步减小.数值试验结果表明:经过变形场反馈调整4次，成型后的螺旋桨结构相较于期望几何结构的最大形状误差下降了94%；同时也发现，设计迭代过程中，零件成型后的残余应力与实际变形基本不变.