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两种不同优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较的开题报告一、引言螺旋桨是机械设计中非常重要的一部分，主要用于载体推进，例如飞机、船只等。
为了提升其效率和性能，螺旋桨的设计非常关键。
优化算法是一种有效的工具，可以对螺旋桨的设计进行优化。
本文将介绍两种不同的优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较。
二、背景与研究目的螺旋桨是一种能够将机械能转换为动力的机械部件。
其性能的好坏直接影响着载体的性能和效率。
传统的螺旋桨设计方法主要依赖于经验和试错，这种方式往往比较耗时，且精度不高。
优化算法则可以有效地提升螺旋桨的性能，同时也可以节约设计时间和成本。
本文旨在比较两种不同的优化算法在螺旋桨设计中的应用效果和优缺点。
三、优化算法综述1. 遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm）源于生物学中的基因遗传与进化理论，是一种模拟自然进化过程的优化算法。
遗传算法将问题看作染色体的形式，通过自然选择、交叉和变异等过程来进化出最佳的解决方案。
该算法的优点是可以在多个解空间中搜索最优解，并适用于有多个局部最优解的问题。
但其缺点是容易陷入局部最优解，因此需要设计合适的优化策略。
2. 粒子群优化算法粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization）是一种模拟鸟群、鱼群等群体智能行为的优化算法。
该算法将问题看作粒子的位置和速度，通过不断更新粒子的位置和速度来搜索全局最优解。
该算法的优点是收敛速度快、易于实现，且不需要问题具有可导性。
但缺点是易于陷入局部最优解，并且算法参数的选择对结果会有影响。
四、应用与比较结果以螺旋桨的优化设计为例，使用遗传算法和粒子群优化算法进行比较。
我们设定一组初始设计参数，包括螺旋桨的旋转角度和叶片数等。
然后分别使用两种算法进行多次优化，最后比较其结果的优劣。
结果表明，两种算法在螺旋桨的设计中都具有很好的优化效果。
粒子群优化算法的搜索速度更快，在较短时间内就可以搜索到最优解。
而遗传算法的效果更稳定，随着迭代次数的增加，其结果更趋近于全局最优方案。
第九章螺旋桨图谱设计§9-1 设计问题与设计方法螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。
在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。
在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机马力小；或者当主机已选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。
因此，螺旋桨的设计问题可分为两类。
一、螺旋桨的初步设计对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。
具体地讲就是：①已知船速V，有效马力PE，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速n、效率η0、螺距比P/D和主机马力P s；②已知船速V，有效马力PE，根据给定的转速n，确定螺旋桨的最佳直径D、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps。
二、终结设计主机马力和转速决定后(最后选定的主机功率及转速往往与初步设计所决定者不同)，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。
具体地讲就是：已知主机马力Ps、转速n和有效马力曲线，确定所能达到的最高航速V，螺旋桨的直径D、螺距比P/D及效率η0。
新船采用现成的标准型号主机或旧船调换螺旋桨等均属此类问题。
在造船实践中，一般采用标准机型，所以在实际设计中，极大多数是这类设计问题。
目前设计船用螺旋桨的方法有两种，即图谱设计法及环流理论设计法。
图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。
用图谱方法设计螺旋桨不仅计算方便，易于为人们所掌握，而且如选用图谱适宜，其结果也较为满意，是目前应用较广的一种设计方法。
应用图谱设计螺旋桨虽然受到系列组型式的限制，但此类资料日益丰富，已能包括一般常用螺旋桨的类型。
环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。
用此种方法可以分别选择各半径处最适宜的螺距和切面形状，并能照顾到船后伴流不均匀的影响，因而对于螺旋桨的空泡和振动问题可进行比较正确的考虑。
螺旋桨图谱设计夏华波船舶 1.船体主要参数垂线间长Lpp 116.000 m型宽 B 20.400 m设计吃水T 7.600 m排水体积DispV 13360.61 m3排水量Disp 13694.62525 t方形系数CB 0.738457572浆轴中心线距基线Zp 2.866 m模型试验提供的有效功率数据V/m/s 6.687759 7.202202 7.716645航速换算到kn 13 14 15 满载PE/KW 1617.726012 2192.459854 3157.7461 换算到hp 2200.987771 2982.938577 4296.2532有效功率PE 110满载hp 2421.086548 3281.232435 4725.8785 满载13002200.987714002982.9385768815004296. 110满载13002421.086514003281.2324345715004725.8 2.主机参数型号最大持续功率M.C.R 7918.367347 hp转速N 141 r/min转向右旋3.推进因子的决定伴流分数ω 0.320相对旋转效率ηR 1.000船身效率ηH 1.097 η0 0.543811966 4.可以达到最大航速的计算采用MAU 4叶浆图进行计算取功率储备10，轴系效率ηs 0.985螺旋桨敞水收到马力：PD 7019.632653 hp根据MAU4-440MAU4-55MAU4-70的SqrtBp-δ图谱列表计算假定航速V/kn 13 14 15VAV1-ω/kn 8.84 9.52 10.20BpNPD0.5/VA2.5 50.78 42.19 35.51 Bp 7.13 6.50 5.96MAU4-40 δ 81.43 75.59 70.62 130081.425 140075.5852 150070.62 P/D 0.62 0.64 0.66 13000.62267 14000.6405 15000.658 η0 0.54 0.56 0.58 13000.53515 14000.55987 15000.582 PTE 4122.45 4312.88 4486.0513004122.454014004312.8811369815004486.MAU4-55 δ 79.36 73.61 68.71 130079.3577 140073.6084 150068.71 P/D 0.67 0.69 0.71 13000.67054 14000.69055 15000.705 η0 0.52 0.54 0.57 13000.51527 14000.54205 15000.565 PTE 3969.31 4175.61 4357.41 13003969.311214004175.6072307815004357.4MAU4-70 δ 78.93 73.00 67.59 130078.9304 140073.0047 150067.58 P/D 0.67 0.70 0.73 13000.67452 14000.70499 15000.732 η0 0.50 0.52 0.54 13000.49904 14000.5215 15000.5429 PTE 3844.29 4017.30 4182.54 13003844.285614004017.3031470415004182.设计计算的最佳要素MAU Vmax/kn δ P/D η04-40 15.12 70.02 0.66 0.594-55 15.04 68.53 0.710.574-70 14.93 67.93 0.73 0.54 5.空泡校核按柏利尔空泡限界线中商船上限线，计算不发生空泡的最小展开面积比浆轴沉深hs T-Zp 4.734 m p0-pv paγhs-pv 15008.35 kgf/m2计算温度t 15 ℃pv pD 7019.632653 hp ρ空泡校核计算结果序号项目单位MAU4--40 1 Vmax kn 15.12 2 VA0.5144Vmax1-ω m/s 5.29 3 0.7πND/602 m/s2 696.75 4 V0.7R2VA20.7πND/602 m/s2 724.74 5 ζ0.7RP0-Pv/0.5?裋0.7R2 0.40 6 ηc（查柏利尔空泡限界图）0.16 7 TPDη075/VA kgf 54114.57 8 APT/0.5ρV0.7R2ηc m2 8.83 2 9 AEAP/1.067-0.229P/D m 9.65 2 10 AE/A04AE/πD 0.47从图上读出最佳要素：P/D 0.6949 η0 0.5726 D 5.067 Vmax 15.0645 AE/A0 0.5051 P 3.521 6.强度校核G 7.6g/cm3 P/D Ne 7799.591837 hp η0 Z 4 D Nne 141 r/min Vmax ε 8 ° AE/A0b0.66R 1.446 mb0.25R 1.043 mb0.6R 1.433 m 表5.5 强度校核计算表数值项目单位0.25R 0.60R 弦长b m 1.04 1.43 K1 634 207 K2 250 151 K3 1410 635 K4 4 34A1D/PK1-K2D/P0.7K3D/P0.7-K4 2419.71 864.98 Y1.36A1Ne/Zbne 43637.77 11351.27 K5 82 23 K6 34 12 K7 41 65 K8 380 330 A2D/PK5K6ε）K7εK8 1217.43 1021.25XA2GAdne2D3/1010Zb 0.29 0.18 材料系数K 1.38 1.38 0.5 tY/K-X mm 200.06 97.13 MAU标准桨叶厚度t mm 193.81275 110.4606 校核结果不满足要求满足要求实取桨叶厚度mm 200.8实际桨叶厚度按0.25 t0.25 130.7 mm 1 t1.00.0035D 12.2 mm 0.2 t0.2 138.6 mm 0.3 t0.3 122.8 mm 0.4 t0.4 107 mm 0.5 t0.5 91.2 mm 0.6 t0.6 75.4 mm 0.66 t0.66 65.92 mm 0.7 t0.7 59.6 mm 0.8 t0.8 43.8 mm 0.9 t0.9 28 mm 0.95 t0.95 20.1 mm 7.螺距修正dh/D 0.18设计桨（t/b0.7R 0.041标准桨（t/b0.7R 0.0551-s30.866VA/NP0.637Δt/b0.7R -0.014ΔP/D 0.012修正后P/D 0.707 8、重量及惯性矩计算（1）螺旋桨总重①桨叶重量kg材料重量密度γ 7800.000 kgf/m3g 9.807 m/s2桨叶最大宽度bmax 1.446 m1 2 3 4 5 2r/R 面积系数Ka b×tmax 切面面积Sm 辛氏系数0.2 0.674 0.13 0.09 1 0.3 0.674 0.14 0.09 4 0.4 0.674 0.13 0.09 2 0.5 0.675 0.12 0.08 4 0.6 0.675 0.11 0.07 2 0.7 0.677 0.09 0.06 4 0.8 0.683 0.06 0.04 2 0.9 0.695 0.03 0.02 4 1 0.700 0 0 1 ∑每叶片重量kgf 1067.325 kgf4个叶片重量4269.298 kgf②桨毂重量kg由螺旋桨图绘制完成后进行轴榖配合锥度K1/13 0.077榖长Lk 0.730 m桨轴中央处轴径d0 0.429 m 桨榖直径d 0.626 md0/d 0.685榖惯性矩48.661 kgfms2榖重量Gn 1047.317 kgf③螺旋桨总重5316.615 kgf（2）螺旋桨总惯性矩桨叶最大宽度bmax 1.446每个叶片体积惯性矩0.238 m5每个叶片质量惯性矩189.115 kgfms24个叶片质量惯性矩756.460 kgfms2总惯性矩80512.052 kgfcms2 805.121 kgfms2 9、敞水性征曲线之确定由MAU4-40，MAU4-55，P/D0.6，P/D0.7的敞水性征曲线内差得到MAU4- 50.51 4 0.400 MAU4-40 P/D0.6 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.246 0.223 0.200 0.169 10KQ 0.234 0.224 0.200 0.185 4 0.4 MAU4-40 P/D0.7 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.292 0.269 0.236 0.216 10KQ 0.302 0.289 0.262 0.242 4 0.550 MAU4-55 P/D0.6 J 0.000 0.1000.200 0.300 KT 0.262 0.231 0.208 0.162 10KQ 0.246 0.231 0.208 0.177 4 0.550MAU4-55 P/D0.7 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.307 0.279 0.246 0.215 10KQ 0.336 0.306 0.277 0.246 MAU4-40 P/D 0.6949 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.2896540.266654 0.234164 0.213603 10KQ 0.298532 0.285685 0.258838 0.239093 MAU4-55P/D 0.6949 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.3046795 0.2760775 0.244062 0.212651110KQ 0.33141 0.302175 0.2733861 0.242481 MAU4- 50.51 P/D 0.6949 J 0.000 0.100 0.200 0.300 KT 0.300 0.273 0.241 0.213 10KQ 0.322 0.297 0.269 0.241 0.350 3 2 0.300 y -0.0319x - 0.1381x 0.250 0.200 0.150 y -0.1512x2 - 0.2604x 0.3006 0.100 0.050 0.000 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 10、系柱特性计算由上图得J0时，KT0.300 ，KQ 0.032计算功率Ne 7799.592 hp系柱推力减额分数t0 0.040主机转矩Q 39617.349 kgfm系柱推力T 72986.987 kgf螺旋桨转速N 112.655 rpm系柱拖力54740.24001 11、航行特性计算t 取转速为141 rpm 126 rpm 项目单位V knVA0.51441-ωV m/s JVA/nD KT KQ N 141 rpm 2 4 PTEKTρn D 1-tV/145.6 hp 1300 .。
螺旋桨叶片的设计及其流场分析1. 前言螺旋桨是利用叶片推力推进船只、飞机、水泵、风力发电机等工业制品的重要设备。
其中，螺旋桨叶片设计是螺旋桨性能的关键所在。
本文将从叶片几何设计、气动力学性能评价和流场分析三个方面探讨螺旋桨叶片的设计及其流场分析。
2. 叶片几何设计螺旋桨的叶片几何设计是决定螺旋桨转子效益和性能的决定因素。
传统叶片设计采用的是经验公式，其中根据两列参数选择 3 - 4 种叶片截面，然后在设计中选择捏合方法，使得获得的叶片弯曲与螺旋桨设计要求相匹配。
然而，时至今日，叶片设计观念已经更新，利用数值模拟等先进手段更为普及和成熟。
2.1 相关参数的选择叶片设计的第一步是选择相关参数，如螺距角、翼型、旋转升力系数等。
其中螺距角影响螺旋桨推力的大小，主要由水面速度和螺旋桨转速决定。
翼型是叶片弯曲形状的主要决定因素，可选择多种翼型。
旋转升力系数是衡量叶片能够产生多少升力的关键指标，在确定翼型后，需要基于旋转升力系数计算出最终的叶片干预。
2.2 叶片横断面的选用叶片的横断面方案是根据不同位置的流场和转速需求相应的采用。
具体而言，分为等弦长和可变弦长两种方案，前者会在叶片距离中心较远时将横断面上的弦长逐渐增加，以增加叶片弯曲度。
后者则不同，它采用一系列可以在构造中细化的截面，可以根据需要解决设计的问题。
3. 气动力学性能评价在完成叶片几何设计后，需要评估螺旋桨叶片的气动性能。
不同于翼型气动力评价中压力分布是较为关键的变量，螺旋桨叶片的推力更为重要，所以可以基于不分离的定常气体流动研究其性能。
3.1 基本性能参数评估叶片的效率和性能需要定义几个基本性能参数，如叶片推力系数$C_T$、叶片总阻力系数$C_d$ 和推力效率$\eta$。
其中，$C_T$ 系数是衡量螺旋桨推力产生效率的指标，定义为螺距推力与叶片前缘宽度平方比值。
$C_d$ 系数是指叶片阻力与叶片产生的推力之比，衡量叶片阻力影响力。
3.2 气动力学特征在完成基本性能参数的评估后，可以开始研究叶片的气动力学特征。
浅谈选用螺旋桨时应考虑的主要参数论1云浅谈选用螺旋桨时应考虑的主要参数船舶在水中航行时遭受到阻力,为保持一定的航速,必须供给船舶一定的推力以克服它所受到的阻力,推力是来自船上专门设置的一种设备,此设备称为推进器,推进器运转时必须消耗能量,所消耗的能量由船舶动力装置供给,所以推进器的作用是将船舶动力装置所提供的能量转化成克服水阻力,推船前进的推进功率,推进器的种类很多,有风帆,明轮,喷水推进器,Z型推进器,直叶推进器及螺旋桨等.由于螺旋桨构造简单,重量较轻,效率也较高,因而被绝大多数船舶所采用.螺旋桨和船体,主机在船舶航行中构成了一个统一的"联动机",由主机供给能量,使螺旋桨旋转而发出推力,克服船体阻力,推船以一定速度前进.所以在选择螺旋桨时必须满足船,桨,机之间的联动平衡关系,使之能很好配合,这就是说所选择的螺旋桨的转速和所需功率必须和主机的额定转速和额定功率相结合,使主机处于额定工况下工作,而螺旋桨的进速和发出的推力必须和船舶的航速及遭遇的阻力相配合,使船舶能在预定航速下航行,如螺旋桨不能与主机,船体配合,则会使主机处于"负载过重"或"负载过轻"状态,主机功率不能充分发挥,船舶也将不能达到预定航速.可见,螺旋桨选择是否得当,直接影响到船舶的航行速度,但在实际选择时,不仅考虑到推进效率,还应考虑到空泡,振动等方面的因素,所以,我认为在选择螺旋桨时应考虑以下几方面的主要参数:一,螺旋桨的数目:选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能,振动,操纵性能及主机功率等因素,若功率相同,则单螺旋桨船的推进效率常高于多螺旋桨船,因为单螺旋桨位于船尾中央,伴流较大,且允许有较大直径.因此,只要主机能力许可,现代货船往往采用单螺旋桨船,随着集装箱船的大型化,高速化,由于主机能力的限制,一般采用多螺旋桨.客船要求速度快,振动小,操纵灵活,故采用双螺旋桨,河船常受吃水限制,而且要求操纵灵活,如我们临海制造的吸砂船,大多采用双螺旋桨或多螺旋桨.二,螺旋桨的直径和螺距:一般说来,螺旋桨直径越大.转速越低,则敞水效率越高;但直径过大,桨盘处平均伴流减少,船身效率下降,对总的推进效率未必有利,螺旋桨叶梢应有一定的沉没深度,不要离水面太近,以避免损失和空气吸人发生,并且在风浪中●临海市航运管理所金伯平航行时桨叶不易露出水面.对于河船,因吃水受到限制,螺旋桨直径过小,致使效率偏低, 为解决这一问题,叶梢沉深可减少.从振动方面考虑,螺旋桨与船体间的间隙不宜过小,否则可能引起严重的振动,2001年《刚质海船人级与建造规范》对螺旋桨与尾柱,舵之间的最小间隙作了规定, 如图所示,间隙值不得小于下列数值:a=0.12D(m)b=0.20D(m)c=0.14D(m)d=0.04D(m)\船劈.所以在选择螺旋桨时,可根据船尾部型深,吃水以及间隙要求.即可决定螺旋桨的最大直径.一般地说,当螺旋桨收到功率和转速为一定时,螺旋桨直径增大,螺距就必须减少,反之亦然,只要是同型螺旋桨,且叶数和盘面比相同,直径变动范围在最佳直径第240期-4?2005-船舶工业技术经济信息55i仑I云的一5～1O%之间,可以认为螺距P和直径D之和为常数,即P+D=常数,利用这一关系,可以根据型船的螺旋桨资料方便地预估新船螺旋桨的螺距或直径.三,螺旋桨的转速:螺旋桨转速低,直径大者敞水效率较高,但在选择螺旋桨的转速时,除考虑螺旋桨本身效率外,尚应顾及主机类型,重量,价格及机器效率.一般来说,两者的要求是相互矛盾的.对机器来说,转速越大,效率越高,且机器重量,尺寸都可以减少.若螺旋桨要求转速与主机转速相差过大时,则可采用避免.所以在选择螺旋桨时,应当预估船体自然频率,特别是二节垂向振动频率N2v(Hz),螺旋桨转速no的选择应避开09N2v～1.1N2v,一般应大于1.1N2v.四,螺旋桨叶数:桨叶数目对效率的影响不明显,但对振动,噪音和空泡等影响较大.从减少振动看,叶数多者有利,但盘面比一定时,叶数增加会导致切面厚度增大,容易发生空泡,所以从避免空泡考虑,叶数以少为宜.通常单螺旋桨船多用四叶,双螺旋桨船的叶数可采用三叶或四叶,河船吃水常受限制,而在减速装置以获得妥善解决.在选择螺旋桨转速时,还应考虑船体的振动问题.船体振动一般分为两类:第一类是当主机或辅机在一定转速时,整个船体处于振动状态,这种影响整个船体结构的振动称为共振;第二类是船舶局部或某些装置处于振动状态,称为局部振动,后者可以采取一些局部措施. 如增设扶强材,支柱等加固措施来消除,而前者则是危险状态应考虑相同设计条件下,一般--nt的最佳直径比四叶的大,所以多用四叶. 一般认为,叶数少者效率高,叶数多者,因叶栅干扰作用增大.故效率下降,但实际比较表明,叶数对效率的影响应视工作范围而定,叶数增加效率不一定下降,因此在选择螺旋桨时,应多进行不同叶数的比较计算.桨叶数目选择与振动关系较大,由于船后伴流场不均匀性,使56船舶工业技术经济信息?第24()期.4.2005 桨叶切面在不同的周向位置下将遇到不同的来流速度和攻角,使螺旋桨的推力和旋转阻力也随之发生变化,这就产生了以叶频(桨叶数目乘转速)为基本频率的周期性不平衡水动力,它作用于船体将引起船体振动.增加桨叶数目,一般可使推力和转矩沿盘面分布更加均匀,对减少激振力有利.因此随着船舶的大型化,振动问题显得突出,单螺旋桨船有采用五叶甚至六叶的趋势.此外,在选择叶数时应避免和船体或轴系发生共振,亦即避免叶频与轴系或船体的自然频率相等或相近,同时还应尽量避免主机气缸数,冲程数与叶数相等或恰为其整数倍.五,桨叶外形或叶切面形状:一般认为,桨Dr#l,形轮廓对螺旋桨陛能的影响很小,其展开轮廓近于椭圆形者为良好的叶形.对于具有倾斜的桨叶,各半径处切面弦长与展开轮廓为椭圆形的各叶切面弦长大致相同者为佳.螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼形两种.弓形切面的压力分布较均匀,不易产生空泡,但在低载荷系数时,其效率较机翼形者约低3～4%.若适当选择机翼形切面的拱线形状,使其压力分布较均匀,则无论对空泡或效率均有得益,故民用船螺旋桨用机翼型切面,或叶梢部分配合用弓形切面.实际螺旋桨常具有一定的后斜角.其目的在于增加与船体的间隙,实践证明,后斜对螺旋桨性能没有什么影响,所以在选择螺旋桨时可根据具体情况确定适宜的后斜角.■。
网络首发地址：https:///kcms/detail/42.1755.TJ.20221031.1658.001.html期刊网址：引用格式：刘旭, 姚强, 朱成华, 等. 基于高斯近似和NSGA-Ⅱ的伴流螺旋桨优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 197–205.LIU X, YAO Q, ZHU C H, et al. Optimization of wake propeller based on Gaussian approximation and NSGA-II[J].Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 197–205.基于高斯近似和NSGA-Ⅱ的伴流螺旋桨优化扫码阅读全文刘旭1，姚强2，朱成华3，杨鹄*41 渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 1251012 中国船舶集团有限公司 综合技术经济研究院，北京 1000813 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 4300744 武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050摘 要:［目的］为改进船舶推进性能，提高船舶效能，克服螺旋桨参数众多、建模繁琐、水动力数值计算收敛速度慢、伴流场的湍流效应等问题，提出一套螺旋桨高效优化方法。
［方法］首先，将基于非均匀有理B 样条的自由曲面变形（NFFD ）技术构建的参数化螺旋桨作为输出，利用CFD 数值仿真对螺旋桨性能特征进行预报。
然后，基于仿真数据建立螺旋桨性能高斯近似预测模型，建立以提高效率、降低扭矩系数为目标的优化模型，利用二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）得到最优解。
［结果］结果显示，在均匀流场和船后伴流场下，螺旋桨的优化结果有着相似规律，即桨叶宽度和厚度均呈减小的趋势，倾斜角呈增大趋势，但由于在船后伴流场下流速会降低，因而桨叶宽度和厚度的减小以及倾斜角的增加幅度相对于均匀流场下的小。
［结论］采用所构建的方法可以实现均匀流场和船后伴流场下螺旋桨的高效优化设计。
DOI: 10.11991/yykj.201904014网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20190625.1716.006.html
螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计王文全1，马开放2，王诗洋1，叶礼裕21. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 2000112. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要：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。关键词：螺旋桨；非均匀流；适伴流理论设计；参数优化设计；伴流谐调分析法；升力线法；升力面法；面元法中图分类号：U661.7 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2019)05−0001−09
Wake-adapted theory design and parameter optimizationdesign of propeller
WANG Wenquan1, MA Kaifang2, WANG Shiyang1, YE Liyu21. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China2. School of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: The propeller is operated in the uneven flow field after the naval vessel, and the non-uniform flow field has animportant influence on the vacuolization, noise, vibration and hydrodynamic performance of the propeller. The purposeof wake-adapted theory design and parameter optimization design of ship propeller is to reasonably design the propellerunder the condition of accurately predicting the aft wake flow field, so that the designed propeller is suitable foroperation under the accompanying flow field. In this paper, the system of the wake-adapted theory design and parameteroptimization design of the propeller is established by combining the harmonic analysis method, the propeller side slopeand the longitudinal inclination selection principle, the lift line program, the lift surface program, the unsteady surfaceelement program and the propeller parameter optimization design program. Taking the redesign of highly-skewedpropeller (HSP) propeller as an example, the effectiveness of the system is verified. The system provides theoreticalsupport for tailoring the submarine propeller.Keywords: propeller; non-uniform flow; wake-adapted theory design; parameter optimization design; harmonic analysismethod; lift line method; lift surface method; surface element method
随着船舶向大型化、高速化方向发展以及高功率主机的使用，船后伴流场的不均匀程度和螺旋桨的负荷加重，出现了尾振、结构损坏、噪音及剥蚀等现象。在开展螺旋桨设计时，未考虑伴流场的影响，将可能导致所设计的螺旋桨所在伴流场不匹配，出现振动、噪声、推力不符合要求，耗能增大等现象。船舶螺旋桨适伴流设计的目的就是考虑船桨一体的相互影响，在船舶艉后伴流场条件下，选择合适的直径及拱度、螺距、纵斜和侧斜的分布，尽量减小桨引起的振动、空泡及噪声等一系列问题。开展螺旋桨的适伴流设计需预报船后伴流场以设计适合于所在伴流场条件下运转的螺旋桨。舰艇艉后为以湍流脉动、黏性效应和漩涡运动为特征的复杂流场区域，导致艇艉后伴流严重不均匀[1−2]。由于潜艇螺旋桨实际上都是工作于
收稿日期：2019−04−18. 网络出版日期：2019−06−25.基金项目：国家自然科学基金项目(51679052,51639004)；工信部高技术船舶科研项目(G014613002)；国防基础科研计划项目(JCKY2016604B001).作者简介：王文全，男，高级工程师.通信作者：马开放，E-mail：2711945345@qq.com.
第 46 卷第 5 期应 用 科 技Vol.46 No.5
2019 年 9 月Applied Science and Technology
Sep. 2019艇艉后伴流中，螺旋桨空化、噪声性能受到艇艉后不均匀伴流的影响十分严重，在对螺旋桨设计时必须考虑艇艉后不均匀伴流场的影响。1963年，Beveridge等[3]基于Lerps理论采用Eckhardt-Morgan方法设计适伴流螺旋桨，在敞水和伴流条件下进行试验，均得到很好的性能。DonaldMacPherson[4]分析舰船适伴流螺旋桨设计时，认为随着越来越多螺旋桨建造厂能够实现数字化建造，舰船量身定制或半定制合适的推进器成为可能。丁举等[5−6]比较单桨与双桨船的流场不同特点，计及切向伴流影响，开展双桨船适伴流桨设计。罗晓园等[7]针对传统舵桨实际运行中出现的螺旋桨振动、低速等问题，给出开展全回转舵桨适伴流设计概念。侯立勋等[8]以实现节能为目标，以螺旋桨环流理论分别对前桨和后桨进行实桨适伴流设计，建立了一种高效对转桨适伴流设计方法。宋才生等[9]研究船舶艉型与适伴流螺旋桨的一体化匹配设计，并将设计结果与实船实验数据进行比较，验证优化设计结果。但是以往学者都是将螺旋桨理论设计与优化设计分开研究，可能造成理论设计得到的螺旋桨各方面性能不能达到最优，或者开展优化设计时缺少母型桨。因此本文将螺旋桨适伴流的理论设计和优化设计相组合，形成一套比较完整的螺旋桨设计系统。螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的是在舰艇艉后伴流场的条件下，合理地设计螺旋桨的几何参数分布，使设计桨适合于所在伴流场下的运转，满足水动力性能方面要求，而且对空化、噪声性能有利，实现为舰艇量身定制螺旋桨。本文首先介绍了船用螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计流程；然后，介绍螺旋桨参数化表达的方法；最后，通过对HSP桨重新设计，验证螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的可行性。1 螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计流程本文将螺旋桨适伴流的理论设计和优化设计相组合，形成一套比较完整的螺旋桨设计系统。该系统包含了伴流场的谐振分析方法、螺旋桨理论设计前桨叶数、纵倾分布和侧斜分布的选择方法、考虑纵倾侧斜影响的升力线设计程序、升力面设计程序、非定常面元法预报螺旋桨水动力性能程序和以设计桨为母型的适伴流参数优化设计程序。该系统全面考虑了适伴流设计桨的水动力性能、非定常推力的脉动、强度条件，而且操作简单，可自动完成各程序之间的数据传输，大大减少人工的介入。该系统运行的过程中可输出文档和设计桨模型，便于设计者对设计进程进行观察和控制。具体流程如下：1）螺旋桨适伴流桨的初始化理论设计。根据舰艇的船型特点和设计要求，确定升力线输入参数，包括螺旋桨转速、直径，推力，螺旋桨收到的马力、伴流分数等。其中，伴流分数可根据船型特点和经验公式估算，开展不考虑纵倾侧斜的螺旋桨适伴流初始化理论设计，根据侧斜纵倾的选择原则，结合初始化适伴流桨的几何螺距角、谐振船后伴流场选择合适的侧斜分布和纵倾分布。2）螺旋桨适伴流理论设计。在船后伴流场条件下，采用考虑纵倾和侧斜分布的升力线和升力面设计程序开展螺旋桨适伴流理论设计。采用非定常面元程序预报适伴流设计桨的性能，判断适伴流设计桨水动力性能、激振力是否满足要求，否则，重新进行螺旋桨适伴流理论设计。
×3）螺旋桨适伴流优化设计。这一步骤是为了进一步提高适伴流理论设计桨的各方面性能而开展的。以适伴流理论设计桨为母型，探索设计变量空间，确定设计变量的变化范围。结合优化算法和非定常面元法程序，采用悬臂梁法预报设计桨的应力分布，限制其最大应力值小于材料的许用应力6.37107 Pa，对设计桨的几何参数进行优
化设计。螺旋桨适伴流理论设计部分的流程如图1所示，螺旋桨适伴流参数优化设计部分的流程如图2所示。
开始
谐振分析船后伴流场，选择合适的桨叶数
结合初始适伴流桨的几何螺距角，谐振分析船后伴流场选择侧斜、纵倾
计入纵倾侧斜影响，升力线升力面设计适伴流理论设计桨
面元法预报设计桨的水动力性能、强度、噪声、空泡、激振力等性能
性能是否满足要求
升力线升力面设计初始适伴流桨
N调整设计参数结束Y
适伴流桨初始化设计
图1 螺旋桨适伴流理论设计流程
·2·应 用 科 技第 46 卷
