螺旋桨的优化设计研究

优化设计方法***先在航空航天的设计制造领域得到应用，并逐渐形成了系统的工程优化设计理论。近年来，在世界航运市场的繁荣及船舶制造业大发展的趋势下，工程优化技术引起了船舶技术研究人员的重视，并迅速在船舶主尺度设计、快速性、操纵性、耐波性等方面得到应用。

Vassilopoulos于1976年***先将优化理论应用于船用螺旋桨设计领域，利用优化理论分析了优化变量对设计目标及限制条件的敏***，通过改进的升力线方法得到设计参数的参考范围，***终由升力面方法确定设计参数。

Benini开发了基于遗传算法的系列螺旋桨多目标优化方法，敞水性能计算采用试验数据的回归公式。以敞水效率和推力的***大化为目标、Keller空泡限界公式为限制条件，对B系列桨获得了推力系数、敞水效率、盘面比等的优化组合图谱，并提出了已知设计航速时，确定***佳直径和/或***佳转速的设计步骤。Chen等也以B系列桨为对象，以敞水效率和激振力为综合优化目标，开发了基于遗传算法的设计方法。系列桨性能采用回归公式计算，激振力计算采用升力面方法。该方法以空泡、强度为限制条件，并在性能计算中引入了尺度效应的修正。算例表明，该方法不仅能够优化效率，而且能够在保持该优化效率的同时进一步降低螺旋桨轴承力。

Mishima和Kinnas利用拉格朗日罚函数法，对桨叶表面可能发生空泡的区域面积进行限制，以效率***大化为目标函数，对高速船螺旋桨进行优化设计，优化过程中运用升力线与升力面方法进行桨叶性能预报。优化结果经试验验证，效率变化不明显，空泡性能得到显著改善。Jang等开发了无线维数优化方法，根据希尔伯特空间理论证明了优化解的***性，螺旋桨性能计算采用升力面方法。以效率为目标对桨叶螺距进行了优化，但得到的螺距分布出现较大波动，实用性存在问题。Takekoshi等基于升力面方法，应用非线性序列二次规划算法在非定常工况下对桨叶形状进行了优化设计。用Fourier多项式表达桨叶螺距、拱度及厚度分布，设计出的参数分布光顺、合理，优化结果经模型试验验证。效率及空泡性能均得到改进。

国内对螺旋桨优化设计研究相对较少。王广东等通过荷兰船模试验水池的试验数据进行回归分析，得出螺旋桨推力系数与扭矩系数关于螺距比、进速系数、盘面比、桨叶数的回归公式，以效率***大化为目标，桨叶的空泡数作为限制条件，利用改进的遗传算法对回归公式的自变量进行了优化设计研究，其结果表明了该方法的可行性；程成等应用ISIGHT优化软件的实验设计（DOE）方法，集成FLUENT软件，以降低桨叶表面负压峰值为目标对桨叶部分半径剖面的螺距进行了优化。与前述研究工作相比，该方法具有流场及压力场预报精度高的优点，但是对计算硬件的要求十分苛刻。

综上所述，在螺旋桨优化设计方法的发展过程中，主要有两类方法：***类方法是根据系列桨模型的试验结果拟合得到关于螺旋桨设计参数与性能参数之间的经验公式（回归公式），并根据经验公式设定限制条件与优化目标，***终通过优化算法得到***优结果。该类方法对计算机性能要求不高，优化计算速度较快，设计周期较短，如果经验公式准确，设计结果也会非常可靠，但该类方法与图谱设计方法一样。受系列桨型式的限制，无法对螺距、拱度等参数的径向分布进行优化；第二类方法是在螺旋桨水动力性能的数值计算结果的基础上进行优化设计，对计算机的性能要求较高，可以将数值计算获得的螺旋桨推力、扭矩、效率、桨叶表面的压力分布甚至空泡、振动等结果设置为限制条件与优化目标，理论上能够在指定综合性能要求下对桨叶所有几何参数进行优化设计，即对桨叶形状进行***优化，因而具有较大的发展潜力。