船用螺旋槳水動力性能優(yōu)化設(shè)計*

王 波 張以良 熊 鷹

(海軍工程大學(xué)艦船工程系1) 武漢 430033) (92196部隊2) 青島 266000)

船用螺旋槳水動力性能優(yōu)化設(shè)計*

王 波1)張以良2)熊 鷹1)

(海軍工程大學(xué)艦船工程系1)武漢 430033) (92196部隊2)青島 266000)

為尋找效率和空泡性能優(yōu)良的螺旋槳，利用螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)對某吊艙螺旋槳開展迭代優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證.螺旋槳各參數(shù)分布曲線采用貝塞爾樣條曲線擬合，以確保各參數(shù)在優(yōu)化過程中的光順性；應(yīng)用遺傳算法，結(jié)合螺旋槳面元法的定常水動力性能預(yù)報工具，以提高螺旋槳效率及空泡性能為優(yōu)化目標(biāo)，對螺旋槳各參數(shù)分布進行優(yōu)化及相關(guān)分析探討.結(jié)果表明，優(yōu)化槳較原槳效率略低，但空泡初生更晚，相同條件下空化面積更小，空泡性能得到有效改善.

螺旋槳；優(yōu)化；遺傳算法；定常面元法；貝塞爾樣條曲線

0 引 言

在螺旋槳設(shè)計中，眾多的幾何參數(shù)與螺旋槳各性能之間關(guān)系非常復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計方法中，很多參數(shù)往往是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗進行多次調(diào)整后形成最終設(shè)計方案.該“修改-驗證-修改”的人工嘗試方法得到螺旋槳方案可能達到效率及空泡性能都較佳的效果，但并不一定是最佳效果；而且該方法需要大量的實際經(jīng)驗.近些年來，通過智能優(yōu)化算法對螺旋槳綜合性能進行優(yōu)化研究越來越多[1-6].

本文利用螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)[7],以螺旋槳效率及空泡性能為優(yōu)化目標(biāo)，對某吊艙螺旋槳進行優(yōu)化設(shè)計研究，并對優(yōu)化結(jié)果進行模型試驗驗證.

1 螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)

1.1 簡介

本螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)是通過調(diào)整原槳的幾何形狀，建立起優(yōu)化計算的樣本空間，再利用遺傳算法[8]配合面元法定常水動力預(yù)報工具從中尋找最優(yōu)方案的方式實現(xiàn)螺旋槳的優(yōu)化.為保證優(yōu)化過程中螺旋槳各參數(shù)的光順性，螺旋參數(shù)化建模采用貝塞爾樣條曲線擬合[9].其優(yōu)化流程見圖1.

圖1 螺旋槳綜合性能優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)流程圖

1.2 優(yōu)化原理及方法

1) 優(yōu)化目標(biāo)的建立 以螺旋槳效率及空泡性能為優(yōu)化目標(biāo)，空泡性能以0.7R半徑處葉背最小壓力系數(shù)為判斷依據(jù).

(1)

式中：η0為螺旋槳效率；Cp為0.7R半徑處葉背最小壓力系數(shù).定義壓力系數(shù)為

(2)

式中：p0為葉背面某處的壓力，Pa；pv為水的氣化壓力，Pa；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；D為螺旋槳直徑，m.

利用權(quán)重系數(shù)法建立螺旋槳效率和空泡性能的多目標(biāo)函數(shù)，總的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

f=w1f1+w2f2

(3)

式中：w1為螺旋槳效率權(quán)重系數(shù)；w2為空泡性能權(quán)重系數(shù).

2) 約束條件的建立 在優(yōu)化過程中，必須對優(yōu)化設(shè)計方案進行評估分析及篩選，以保證最終得到的方案合理，符合實際要求.對不符合要求的方案的目標(biāo)函數(shù)實行懲罰.從以下3個方面進行約束.

(1) 幾何約束.基于貝塞爾樣條曲線擬合實現(xiàn)螺旋槳參數(shù)化建模后，建立起了擬合曲線控制點與參數(shù)分布曲線的對應(yīng)關(guān)系，在優(yōu)化過程中，調(diào)整控制點的位置既可以改變參數(shù)分布曲線的形狀.在這一過程中，為避免曲線出現(xiàn)纏繞等不合理現(xiàn)象，對新生成的控制點位置進行約束;(2) 水動力約束.為保證優(yōu)化后的螺旋槳產(chǎn)生的推力符合要求，需對螺旋槳的推力系數(shù)進行約束;(3) 強度約束.優(yōu)選過程中，為保證優(yōu)化后的螺旋槳滿足強度要求，對槳葉最大厚度進行約束.

(4)

式中：VXi為擬合曲線控制點的X坐標(biāo)值；kt為螺旋槳推力系數(shù);σ1為推力系數(shù)誤差限；t為螺旋槳槳葉最大厚度，約束優(yōu)化方案的槳葉最大厚度不小于初始槳.

2 算例與分析

2.1 優(yōu)化對象

本文以某吊艙槳模型為母型，利用螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)進行優(yōu)化.該母型槳主要參數(shù)見表1.

表1 槳的主要參數(shù)

2.2 優(yōu)化設(shè)置

優(yōu)化時保持螺旋槳直徑不變，將所有徑向參數(shù)(弦長、螺距、縱傾、側(cè)斜、最大厚度及最大拱度)和剖面參數(shù)(弦向厚度分布和弦向拱度分布)作為優(yōu)化參數(shù).其中螺旋槳徑向參數(shù)分布采用三階貝塞爾曲線擬合[10-12]，剖面參數(shù)采用五階貝塞爾曲線擬合.限制條件設(shè)置：推力系數(shù)誤差限設(shè)置為±0.1%；強度約束條件設(shè)置槳葉最大厚度分布不小于原槳槳葉最大厚度分布.優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置：效率和空泡性能.其中空泡性能以0.7R半徑處葉背最小壓力系數(shù)為判斷依據(jù)，采用權(quán)重系數(shù)法，權(quán)重系數(shù)分別取為0.5.遺傳算法設(shè)置：種群大小設(shè)置為30；優(yōu)化代數(shù)設(shè)置為500；交叉概率設(shè)置為0.8.

2.3 優(yōu)化結(jié)果

表2 槳優(yōu)化結(jié)果

表2表明，優(yōu)化槳較原槳推力系數(shù)保持不變，效率下降0.129%；而0.7R處葉背最小壓力系數(shù)較原槳提高了5.9%.可見，優(yōu)化槳效率略低，但具有更優(yōu)良的空泡性能.

圖2為是優(yōu)化前后螺旋槳徑向參數(shù)的變化.圖3為優(yōu)化前后剖面參數(shù)的變化情況.

圖2 優(yōu)化前后螺旋槳徑向參數(shù)分布的比較

圖3 優(yōu)化前后剖面參數(shù)分布的比較

圖2表明，弦長分布、螺距分布及最大拱度分布變化較明顯，對螺旋槳性能變化較為敏感.弦長在內(nèi)半徑有所減小，在外半徑有所增大；螺距在槳轂附近有所降低，在徑向其他位置均有所增加；縱傾在槳轂至0.7R半徑有所增加，但從0.7R半徑至葉梢有略微的減?。粋?cè)斜在槳轂至0.5半徑處有所增加，其他半徑處保持不變，側(cè)斜平衡度有所降低；最大厚度在槳轂附近有所增加；最大拱度分布在槳轂附近有所增加外，在徑向其他位置均是減小.

圖3表明，剖面最大厚度略微的往導(dǎo)邊方向靠近，而最大拱度略微的往隨邊方向靠近.

2.4 試驗驗證分析

本實驗在海軍工程大學(xué)空泡水洞實驗室完成.空泡水洞工作段封閉，長2.6 m，截面為0.6 m×0.6 m帶圓角的矩形.上下水平段中心線的高度約為10 m，2個垂直段中心線間距為18 m，收縮比6.25∶1，調(diào)壓范圍0.05～2 bar，空泡數(shù)0.2～3.

試驗?zāi)康氖潜容^優(yōu)化前后螺旋槳模型的空泡性能，以此驗證優(yōu)化的合理性.原槳模型采用合金銅材質(zhì)，優(yōu)化模型采用鋁合金.模型見圖4.

圖4 試驗槳模型

本次試驗從2個方面來比較螺旋槳空泡性能的優(yōu)良性.(1) 比較優(yōu)化前后槳模的空泡初生的早晚；(2) 比較優(yōu)化前后螺旋槳在相同水速空化數(shù)和相同進速系數(shù)下空化面積大小.

(5)

(6)

式中:V為水洞水流速度，m/s；D為槳模直徑，m；n為槳模轉(zhuǎn)數(shù)，r/s；ρ為水密度,kg/m3；p0為水洞中心壓力，Pa；pv為水汽化壓力，Pa.

1) 空泡初生速度對比 在常壓下，保持水洞水流速V=4.2 m/s，增加轉(zhuǎn)速，直至產(chǎn)生初生空泡，比較空泡初生的早晚.兩槳模產(chǎn)生初生空泡的工況見表3.表3表明，優(yōu)化槳空泡初生較原槳要更晚些.

表3 空泡初生試驗實測工況

2) 相同水速空化數(shù)和進速系數(shù)下空化面積大小對比 保持水流速度4.2 m/s，同時保持水洞在負0.76 bar，即保持相同的水速空化數(shù)σV=2.50.相同水速空化數(shù)下的試驗觀測工況見表4.

表4 空泡對比試驗實測工況

根據(jù)觀測到的結(jié)果，描繪出螺旋槳葉背空泡示意圖.通過觀察并對比不同工況下2螺旋槳的空化狀態(tài)，可以反映出優(yōu)化前后螺旋槳的空化效果.如圖5～圖8所示.

圖5 工況1下原槳與優(yōu)化槳試驗對比

圖6 工況2下原槳與優(yōu)化槳試驗對比

圖7 工況3下原槳與優(yōu)化槳試驗對比

圖8 工況4下原槳與優(yōu)化槳試驗對比

圖5～圖8表明，優(yōu)化槳在槳葉葉背上空泡面積比原槳的小.尤其是在高進速系數(shù)的時候.

試驗表明，優(yōu)化后的螺旋槳空泡初生較原槳更晚，同時在相同條件下優(yōu)化槳空化面積較原槳更小，有效地改善了優(yōu)化槳的空泡性能.

3 結(jié) 束 語

以提高螺旋槳效率及0.7R半徑處葉背最小壓力系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，利用本單位自行編制的螺旋槳多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)對某吊艙模型槳各參數(shù)進行迭代優(yōu)化.數(shù)值優(yōu)化結(jié)果表明，效率降低0.129%，0.7R半徑處葉背最小壓力系數(shù)提高5.9%.空泡試驗對比驗證，優(yōu)化槳較原槳空泡初生更晚；在相同條件下優(yōu)化槳的空化面積較原槳小，從而表明螺旋槳空泡性能得到有效改善.

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Design and Optimization of Hydrodynamic Performance of Marine Propeller

WANG Bo1)ZHANG Yi liang2)XIONG Ying1)

(DepartmentofNavalEngineering,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)1)(TheUnit92196thofPLA,Qingdao266000,China)2)

In order to seek for a propeller that both good at efficiency and cavitation performance, an iterative optimization design of a pod propeller was accomplished by using propeller comprehensive performance optimization design system-with independent intellectual property rights, and model tests were conducted to verify the optimization results. The propeller parameters distributions are described by Bezier-spline, so that the curve fairing can be ensured. Aiming at improving the efficiency and cavitation performance, genetic algorithm combined with a prediction method of steady hydrodynamic characteristics of propeller based on surface panel method is utilized to optimize and analyze propeller parameters distribution. The optimization results show that the efficiency of the optimized propeller is slightly lower, but the cavitation inception is later and the cavitation area is smaller at the same condition comparing to the original propeller, the cavitation performance have been improved.

propeller; optimization; genetic algorithm; steady surface panel method; Bezier-spline

2015-04-10

*海洋工程國家重點實驗室研究基金項目資助(批準(zhǔn)號：1106)

U644.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.022

王 波(1990- ):男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為艦船流體動力性能