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原文传递 S翼型水动力特性优化及其应用研究

论文题名：	S翼型水动力特性优化及其应用研究
关键词：	舰船压载泵;S翼型;水动力特性;自动寻优
摘要：	双向轴流式叶轮在舰船压载、水力输送、潮汐发电等诸多领域应用广泛，具有双向输送、控制便捷等优点。S翼型是双向轴流式叶轮的组成基元，其水动力特性直接决定双向轴流式水力机械的综合效能，S翼型优化及其应用研究亟待深入。本文依托军工预研项目，以S3525翼型为基础优化对象，基于构建的优化平台对其进行多变量自动寻优。综合利用数值计算及试验测量手段对优化前后S翼型的水力性能、绕流特征及激励特性进行了对比研究，对优化S翼型在某型舰船压载泵水力优化中的应用进行了初步探索。论文主要工作及成果如下：　　1.对比分析了Bezier曲线法、Hicks Henne型函数法以及CST参数化法在S翼型参数化上的适用性，采用正交试验设计法确定了S翼型优化中的关键自变量及其约束范围，基于Matlab、Fluent、ICEM以及拉丁超立方设计法构建的优化平台对S翼型进行了自动寻优。研究结果表明：CST参数化法对S翼型重构的适用性最佳，在相同设计空间下，其拟合精度较其余两种参数化方法可提升一个数量级；自变量参数对S翼型升阻比的影响水平依次为攻角、拱度、最大厚度；构建的ISIGHT自动寻优平台具有较好的稳健性。　　2.基于试验数据对定常及非定常数值计算方法的有效性进行了验证，对不同攻角下优化前后三维S翼型的水力性能、稳态以及非稳态绕流特性进行了较为全面的对比分析，验证了S翼型优化结果的有效性，初步揭示了优化后S翼型水动力特性改善的水力诱因。研究结果表明：优化后OP1翼型、OP2翼型相较于基础翼型具有更宽泛的高效运行范围，其最大升阻比分别提升了31%和37%；S翼型压力侧流动较为理想，吸力侧流动则呈强非稳态特性；S翼型吸力侧流动分离诱发的多尺度旋涡演化是其非定常激励力产生的主要水力诱因，优化翼型可较好抑制压力面前缘处的压力陡降现象、显著迟滞吸力面上流动分离的起始位置、缩小周期性涡脱的影响范围、易于尾缘处形成再附；OP1翼型吸力侧前部条带涡以及中部至尾缘范围内复杂涡系的尺度及强度得到有效抑制，同时尾迹区内的低频离散信号强度及主频幅值均低于基础翼型。　　3.搭建了闭式水洞循环系统，结合PIV及LDA试验系统对不同攻角下优化前后S翼型的绕流流场进行了测量，对时均速度场、不同测点处时均速度分布及速度脉动强度进行了对比分析。研究结果表明：优化翼型可减小压力侧尾缘处分离流动的发生范围，减弱与主流剪切引起的流动损失；吸力侧0-0.3C范围内为高流速区，中部至尾缘的近壁区为楔形剪切区，优化翼型可提升高流速区的范围及平均流速，使吸力侧回流区更贴近于吸力面；优化后S翼型吸力侧的逆压梯度值明显小于基础翼型，且可在一定程度上降低压力侧前缘至中部的湍流强度，减弱吸力侧近尾缘区以及尾迹区内的湍流强度。　　4.借鉴轴流式叶轮设计理论，分别基于基础翼型(S1方案)以及优化翼型(S2方案)对舰船压载双向轴流泵进行了水力设计，采用数值计算对两种方案下双向轴流泵的能量性能以及内流特征进行了对比分析，初步揭示了双向轴流泵应用优化翼型后性能提升的主要原因。研究结果表明：S2方案的能量性能整体优于S1方案，在设计工况下其扬程及水力效率较S1方案分别提升了5%和2.01%；叶片压力面和吸力面上的负向涡和正向涡沿轴向先增加后减小，流道内高涡量区主要位于叶片前缘以及吸力面近壁区，其分布范围沿叶轮外法线方向呈递增趋势；泵内不可逆损失主要位于近壁区以及靠轮缘的吸力侧，优化翼型的应用有助于降低双向轴流泵靠轮缘吸力侧由流动分离诱发的不可逆损失。
作者：	周俊杰
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李忠
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022