高性能喷泵与进水流道的最优化设计及其与船体的匹配研究

The performance of the waterjet depends not only on the performance of its separate component of waterjet pump and inlet duct, but also depends on the matching performace of the pump, inlet duct and hull. This project mainly concerns the multiobjective and multipoint optimization of high performance waterjet pump, optimal design of the inlet duct and the matching between the pump, inlet duct and hull. Contents of this research are: (1) Establishing the parametric design method of the pump meridional geometry, and founding the efficient pump blades design model by solving the three-dimensional inverse design equations and a full three-dimensional viscid flow iteratively. (2) Constructing the multiobjective multipoint optimization model of high performance waterjet pump basing on RSM and Genetic Algorithm, and summarizing the influence gene of design variables on the combination property of the pump. (3)Constructing the parametric design model of waterjet inlet duct, and optimizing the design results by CFD analysis.(4) obtaining the efficiency, cavitaion, and acoustic performance of the nude pump and the pump after hull based on Computational Fluid Dynamics(CFD) and the Computational Acoustics. (5) analyzing the performance and interaction of the full scale "watjet pump + inlet duct + hull" system, and researching on the matching design of the pump, inlet duct, and hull. (6) carrying out model test to validate the performance of the waterjet pump, inlet duct and numerical model.

高性能喷水推进器既要求喷泵、进水流道等单个部件的性能最优，也要求喷泵、进水流道与船体之间流体性能最佳匹配。本项目围绕高性能喷泵的多目标多工况最优化设计和进水流道的最优化设计以及喷泵、进水流道与船体的最佳匹配展开研究：（1）建立喷泵轴面形状的参数化设计模型和喷泵叶片的三元设计与数值试验相结合的快速设计方法；（2）建立基于响应面模型和遗传算法的高性能喷泵多目标多工况优化设计模型，准确分析各个设计变量对喷泵效率、空化和噪声性能的影响因子；（3）采用参数化几何建模与数值模拟分析相互结合的方法对进水流道进行最优化设计；（4）采用计算流体力学和计算声学手段准确计算和分析喷泵裸泵以及装船后的效率、空化和噪声性能；（5）基于实尺度"喷泵+进水流道+船体"模型的数值模拟分析三者之间的相互影响，实现喷泵、进水流道和船体的匹配设计（6）采用台架试验对喷泵和进水流道性能以及所采用的数值计算方法进行验证。

项目组跟踪了国外喷水推进最新的研究现状，完成了综合运用泵轴面形状的参数化设计、泵叶片的三元反问题设计、进水流道的参数化设计、计算流体力学、计算声学、有限元、遗传优化算法和台架试验等方法来开展具有自主知识产权的高高性能喷水推进器的设计研究。首先，运用参数化模型对喷泵轴面形状进行设计，采用更接近喷泵内部实际流动规律的三元设计方法对喷泵叶轮和导叶叶片进行匹配设计，并将喷泵叶片的三元设计程序和遗传优化算法相结合进行喷泵的多目标优化设计。其次，采用进水流道三维几何的参数化建模与其性能的数值计算分析相结合的方法对进水流道进行优化设计。再次，借助高性能计算机平台运用计算流体力学、有限元、计算声学等方法对所设计喷水推进器实尺度的船泵系统性能进行计算和校核，采用尽可能多的试验数据来验证喷水推进器设计方法以及数值计算的可信性和准确性。.最后，本研究以高速艇所采用的喷水推进器为研究对象，建立了喷泵轴面形状的参数化设计模型、喷泵叶片的三元反问题设计模型、进水流道的参数化设计模型、遗传优化算法、数值试验模型以及有限元（FEM）模型等现代高性能喷水推进器快速优质的优化设计方法，连同喷水推进器台架试验和实船试航一起构成了高性能喷水推进推进器的一体化设计方法。根据设计得到的最优设计模型，课题组完成了喷水推进器的样机制作和台架试验，台架试验的数值计算结果和试验数据取得了很好的一致性，验证了数值计算方法的有效性。并且，对所研制喷水推进器装船后性能进行了数值计算和实船试航，试航结果表明新研制喷水推进泵的推进航速超过设计航速4.3%，并且数值预报航速与试航结果的绝对误差在1km/h以内，相对误差为0.6%。这些既验证了本文所采用的高性能喷水推进器的一体化设计方法的有效性，也验证了所采用的数值模型的准确性。