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原文传递喷水推进器进水流道出流畸变特性及控制方法研究

论文题名：	喷水推进器进水流道出流畸变特性及控制方法研究
关键词：	船舶喷水推进泵;进水流道;出流畸变;控制策略;多目标优化
摘要：	作为一种新型舰船推进方式，喷水推进器因其优越的操纵性能在军民高性能舰船上均有着广泛的应用。然而，喷水推进器的主要过流部件进水流道由于自身几何形状存在不对称性，其出流的畸变性导致喷水推进泵入口流场重新分布，对泵的影响不容忽视。传统设计中均匀来流的假设已经不能满足工程实际需求，应充分考虑进水流道出流场的非均匀特性。本文在江苏省自然科学基金（BK20190847）与中国博士后科学基金面上项目（2019M661744）的资助下，以现有平进口式进水流道为研究对象，将其出流面不均匀度与唇口最低压力设定为优化目标，结合径向基神经网络和NSGA-Ⅱ算法，寻求能使两个优化目标同时得到最大改进的进水流道几何特征参数，并详细探讨这种出流畸变控制方法对进水流道内流特性、出流畸变形成特性与喷水推进泵性能的影响。本文主要的研究工作和内容如下：　　（1）面对喷水推进器进水流道出流畸变研究成果单薄的现状，借鉴喷气发动机S弯进气道相关工作对该领域进行发展与完善。通过探究进水流道获流面的确定方法，计算求解虚拟进流管，从而将其与进水流道实体合并视为S形弯管。该S形弯管出流畸变流动结构参照S弯进气道出流畸变特性、类型与评价指标进行深入研究，寻找不同领域交叉下的共通性。　　（2）将进水流道出流畸变控制问题转化为包含出流面不均匀度ζ与唇口最低压力pmin两个目标函数的优化问题。选取主要几何特征参数：流道倾斜角α、唇口高度h、唇口上部和下部圆弧半径R3和R4作为决策变量，确定变量取值范围后采用拉丁超立方抽样构建样本空间（N=115）。利用径向基神经网络作为适应度评价模型展开训练与测试。最后建立基于NSGA-Ⅱ的多目标优化模型，从Pareto前沿中选择最优模型。求得优化模型ζ=0.1571，降幅为74.17%；pmin=-24488.9Pa，增幅为72.4%，优化效果明显。　　（3）对不同航速下优化前后进水流道进行数值模拟，从出流面轴向速度分布与旋涡特性分析优化模型出流面不均匀度下降原因：弯管二次流得到抑制，驱动轴扰动减弱，高强度集中涡被拆解整流，出流面不均匀度下降。从湍流特性与能量输运角度分析优化模型唇口最低压力与效率提升原因：唇口半径增大，离心力减弱，压能恢复能力增强，唇口最低压力提升；同时，因几何参数调整抑制进水流道上壁面流动分离，湍流损失降低，能量输运能力与动-压能转换效率增强，效率提升5%。　　（4）在喷水推进泵上游分别安装优化前后的进水流道，探究优化后进水流道与泵的匹配度及其对泵外特性的增益效果：运行流量增大了96m3/h，实际扬程增加了3.6%，运行效率提升了4.8%。量化优化前后进水流道出流总压和旋流畸变指数并绘制畸变图谱，优化模型出流面周向/径向总压畸变明显减弱，出流品质得到改善，泵进流不均匀度降低了0.168。选取展向系数0.75的流面将叶轮进流场划分为过流区（轮毂和中间流面）和堵塞区（轮缘流面），结合泵叶片静压分布与载荷突变构建扬程增益与内流结构之间的映射关系：过流区内，原模型展向分离涡和尾迹绕流消除，叶片进口静压差增大，优化模型叶片载荷系数曲线转变为前载型，做功能力增强，叶片载荷/环量增大，泵扬程提升。堵塞区内，优化模型叶片轮缘处壁面涡通量极大值区域减小，轴向扭矩增加，叶片输出有用功增多，泵扬程提升；同时，优化模型叶片背面流线曲率和离心力增大，背面静压下降，静压差上升，叶片载荷系数曲线整体上移，做功能力增强，叶片载荷/环量增大，泵扬程提升。
作者：	朱芮
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	王洋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文