高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验_焦俊
基于遗传算法的翼型气动优化设计
第18卷第3期2000年9月 空 气 动 力 学 学 报 ACTA AER ODYNAMICA SINICA V ol.18,N o.3Sep.,2000收稿日期:1999205226;修订日期:1999211217. 基于遗传算法的翼型气动优化设计 王晓鹏,高正红 (西北工业大学,西安710072) 摘要:采用遗传算法进行跨声速翼型的反设计与阻力和升阻比的优化设计。翼型的反 设计达到了设计要求,优化设计后的翼型其气动特性也有显著的改善,这表明了遗传算法应 用于翼型气动优化设计的可行性。在优化设计的过程中,翼型由解析函数线形叠加法表示, 目标函数和个体的适应值由二维欧拉方程的流场解来提供。 关键词:翼型;遗传算法;气动优化设计;欧拉方程 中图分类号:V21111 文献标识码:A 文章编号:025821825(2000)0320324206 0 引 言 遗传算法是一种基于达尔文自然选择和进化规则的优化搜索方法。该方法通过模拟自然界生物适者生存、优胜劣汰的遗传法则使解的性能逐步趋优。它无需传统优化方法对搜索空间的苛刻要求,因而具有极强的鲁棒性。此外,采用遗传算法进行优化设计时,仅用到个体的目标函数值,不要求函数具有连续性和可导性,因此特别适合处理复杂的工程优化问题[1,2]。 本文应用遗传算法对跨声速翼型进行优化设计。首先进行翼型的反设计,使优化设计的翼型具有预先给定的压力分布,以验证优化设计方法和程序的正确性和有效性;然后优化翼型形状,使其在给定的约束条件下具有最小的阻力或最大的升阻比。 1 遗传算法 基于遗传算法的气动优化设计是由模拟生物的进化过程演变而来的一种飞行器外形设计方法。它是通过遗传算法中复制、杂交和变异算子的操作来实现的。复制是进化个体经过赌盘选择,使父代的优良个体以较大的概率在子代中得到继承的遗传过程。杂交是指父代中的个体随机的交换染色体中的基因而在子代中产生新的个体。变异是个体染色体中的基因以变异概率发生随机性改变的过程。可见,杂交和变异使后代中产生新个体,复制使父代的基因在子代中得以继承,从而使生物物种在继承的基础上不断进化。 采用简单遗传算法[3]进行优化设计时,需要确定设计变量及其变化范围,在此基础上对所有父代个体进行二进制编码,编码后的个体经过复制、杂交和变异算子的作用产生进化的子
船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究
船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究 2010年6月11日 摘要 基于螺旋桨水动力性能的升力面理论预报程序，利用iSIGHT软件进行指定负荷分布形式下桨叶螺距及拱度的优化设计研究，并对设计结果进行粘流CFD计算验证。以某集装箱船螺旋桨为母型桨，保持其原有的径向负荷分布形式，指定不同的弦向负荷分布形式，采用上述方法进行螺距及拱度的优化设计（桨叶其它参数与母型桨相同）。CFD计算表明，通过指定适当的负荷弦向分布，可以在保证效率的同时使桨叶表面压力分布更加均匀，从而推迟桨叶空化。 关键词：船舶、舰船工程；螺旋桨；优化；设计；升力面理论；CFD 0引言 随着船舶向大型化、高速化发展，对螺旋桨的综合性能要求日益提高。现代船舶螺旋桨设计在追求高推进效率的同时，还必须在复杂的船尾流场中尽量推迟乃至避免空化的发生，从而降低螺旋桨诱发的船体振动及噪声。为了满足这些相互制约的要求，螺旋桨优化设计方法的研究日益受到船舶工程界的重视。 传统的螺旋桨设计方法分为图谱设计和理论设计两大类，前者无法直接用于适伴流及大侧斜桨的设计，后者可分为升力线、升力面及面元方法等，能够处理伴流及侧斜问题，但对负荷面分布形式的处理比较单一，应用也不够广泛。近年来，优化方法在螺旋桨设计中的应用研究开始出现，性能计算采用系列桨性能试验回归公式或升力面、CFD等数值方法，优化采用遗传算法、序列二次规划法、DOE方法等，优化目标包括推力、效率、激振力或其组合，但尚未形成比较成熟的体系，与工程应用的要求也有较大距离。 Benini开发了基于遗传算法的系列螺旋桨多目标优化方法，采用试验数据的回归公式计算敞水性能。以敞水效率和推力最大化为目标、Keller空泡限界公式为限制条件，对B
旋翼的空气动力特点9页
旋翼的空气动力特点 (1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。即使直升机的发动机空中停车时，驾驶员可通过操纵旋翼使其自转，仍可产生一定升力，减缓直升机下降趋势。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻力使直升机前进，类似于飞机上推进器的作用(例如螺旋桨或喷气发动机)。 (3)产生其他分力及力矩对直升机；进行控制或机动飞行，类似于飞机上各操纵面的作用。旋翼由数片桨叶及一个桨毂组成。工作时，桨叶与空气作相对运动，产生空气动力；桨毂则是用来连接桨叶和旋翼轴，以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接。 旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不，因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外，还要绕旋翼轴旋转，因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。 先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况，它相当于飞机上螺旋桨的情况。由于两者技术要求不同，旋翼的直径大且转速小；螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所区别设一旋冀，桨叶片数为k，以恒定角速度Ω 绕轴旋转，并以速度Vo沿旋转轴作直线运动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合，而半径为r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2，1—3)，并将这圆柱面展开成平面，就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动，对于叶剖面来说，应有用向速度(等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo)，而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图2．1—3)，用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面，他们的合速度是不同的：大小不同，方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的附加气流速度(诱导速度) )，那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加不同。与机翼相比较，这就是桨叶工作条件复杂，对它的分析比较麻烦的原因所在。 旋翼拉力产生的滑流理论 现以直升机处于垂直上升状态为例，应用滑流理论说明旋翼拉力产生的原因。此时，将流过旋翼的空气，或正确地说，受到旋翼作用的气流，整个地看做一根光滑流管加以单独处理。假设： 空气是理想流体，没有粘性，也不可压缩； 旋转着的旋冀是一个均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘)，流过桨盘的气流速度在桨盘处各点为一常数； 气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影响)，在正常飞行中，滑流没有周期性的变化。 根据以上假设可以作出描述旋翼在：垂直上升状态下滑流的物理图像，如下图所示，图中选取三个滑流截面，So、S1和S2，在So面，气流速度就是直升机垂直上升速度Vo，压强为大气压Po，在S1的上面，气流速度增加到V1= Vo+v1，压强为P1上，在S1 的下面，由于流动是连续的，所以速度仍是V1，但压强有了突跃Pl下＞P1上，P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面，气流速度继续增加至V2=Vo+v2，压强恢复到大气压强Po。 这里的v1是桨盘处的诱导速度。v2是下游远处的诱导速度，也就是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象，可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。 旋翼的锥体
美国飞艇
美国无人浮空器尚未解决机动性能有限难题(图) 中国网 https://www.360docs.net/doc/2211523075.html, 时间： 2008-03-19 发表评论>> 美国在2005年发布的《美国2005-2030年无人机路线图》中纳入了多个正在进行的无人飞艇和系留气球项目。这些浮空器的续航时间从5天（RAID）到1个月时间（JLENS）不等，主要用于对局部地区进行防御性监视，例如保护部队或探测巡航导弹。目前，美国已经在伊拉克和阿富汗部署了多架浮空器，用来保护在当地的驻军。有些浮空器（如TARS）适合执行心理战和边境监视任务，可以作为飞机的补充。浮空器还能够与无人机协同作战，从而在多种任务中增强作战能力或降低成本，包括部队保护、信号情报收集、通信中继和导航增强。目前浮空器也面临着很多问题，其中最大问题可能是机动性能有限。 1 先进飞艇飞行试验室（AAFL） AAFL是美国未来先进飞艇技术、ISR传感器、相关处理器和通信网络测试平台的原型机。首架飞艇将具有以下特点：推进器将装在艇首以增强低速控制能力；采用重质燃料发动机，提高效率、安全性和互用性；采用自动飞行控制，提高运载能力、飞行高度并降低飞行成本。AAFL将安装专用硬点、设备机架和宽带网络接口等设备。 表1 AAFL参数
2 系留气球雷达系统（TARS） TARS的主要任务是提供低空雷达监视数据，为参与美国禁毒计划的联邦机构提供支援，次要任务是为北美空间防御司令部提供低空监视，保卫弗罗里达海峡的空中主权。同时，一只部署在弗罗里达州Cudjoe Key的气球替古巴广播办公室发射“电视战”信号，将美国的电视信号发送到古巴。所有的雷达数据都发往一个地面站，在那里数字化并回馈给不同的用户。TARS的留空时间受天气限制，通常为运行能力的60%；而不论天气如何，气球和设备的平均利用率超过90%。出于安全和保密的原因，美国空军系留气球站周围的空域是禁飞的，其半径至少为2至3法定英里且高度达到15000英尺。 表2 TARS参数
透平叶片的气动优化设计系统
第33卷 第1期2004年3月 热力透平 THER M A L T UR BI NE Vol.33No.1 Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统 袁 新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1 (1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080) 摘 要: 发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。 关键词: 蒸汽透平;CFD;气动优化设计 中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06 Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade Design Y UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1 (1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China; 2.Sightna Corporation,Beijing100080,China) Abstract: An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines. K ey w ords: steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design 1 三维粘性杂交问题的气动优化设计 蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。蒸汽透平的效率越高,其气动损失水平就越低,对环境的污染也就越小。为了提高透平叶片的设计水平以便能最大限度地提高其热效率,我们必须深入全面准确地了解透平内部的全工况流动状态,尽可能采用高精度的计算流体力学(CFD)分析手段来发展蒸汽透平叶片的气动优化设计方法。 近年来,清华大学与国内外蒸汽轮机制造厂家合作,在发展蒸汽透平通流部分设计方面开展了一些共同的研究,尤其在蒸汽透平叶片的流动分析与叶片气动优化设计技术方面开展了深入的研究工作。这主要源于两方面的原因:其一是我们在高精度的数值分析技术方面提出了独具特色的方法[1],不仅用于流动损失机理的研究,还将其作为一个强有力的分析工具纳入到了叶片气动优化设计体系;其二是我们将近年来发展起来的各种先进的优化技术与我们的分析技术耦合起来[2],由此生成了叶片三维粘性杂交问题气动优化平台。 图1显示了叶片全三维粘性杂交问题气动优化平台的要素框图。对于二维叶型成型,采用了非均匀有理B样条(Non2Uniform Rational B2 Splines)技术(简称NU RBS技术)进行叶片的参 收稿日期:2003-09-20 基金项目:国家重点基础研究发展规划(G1999022306)、国家自然科学基金(50076019)资助项目 作者简介:袁新(1956-),男,工学博士,清华大学教授,博士生导师,主要从事叶轮机械气动热力学、计算流体力学与现代优化设计、燃气轮机与蒸汽轮机技术等研究;目前主持有国家自然科学基金、国家973、国家863、航空领域、国际合作等项目及课题。
可调螺距螺旋桨的优化设计及制造【开题报告】
开题报告 船舶与海洋工程 可调螺距螺旋桨的优化设计及制造 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 螺旋桨在很早之前就已经被人们当做一种船用推进器，经过多年的开发研究，现在的螺旋桨被开发了很多个系列。按螺旋桨安装位置的不同可以分为首推.尾推.侧推。按照螺旋桨的螺距调节性可以分为可调螺距螺旋桨和固定螺旋桨。 可调螺距螺旋桨作为一种新兴的推进器，以其自身的优点已经慢慢变成了一种主流的推进器。可调桨技术来源于国外，世界知名的推进器制造商有：瑞典的卡梅瓦(KAMEWA)、芬兰的瓦锡兰（WASILTA）、德国的肖特尔（SCHOTTEL）、挪威的博格（BERE）。卡梅瓦的调距桨技术全世界首屈一指，“Aquamaster”是其旗下世界知名的全回转舵桨品牌，现在卡梅瓦被英国罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）兼并，但是人们一直对“卡梅瓦”津津乐道，当初卡梅瓦是世界上生产调距桨最大的公司，根据生产卡普兰水轮机的经验，该公司从1937年即生产出第一台船用调距桨，全球多家公司均引进卡梅瓦专利进行生产，如日本三菱公司、美国伯德.约翰逊公司等。肖特尔的产品有可调桨、侧向推进器、舵桨、喷水推进器等，其SRP舵桨是世界第一品牌。瓦锡兰不但生产推进器，还是世界上最著名的柴油机制造商，兼并了荷兰的列泼斯（LIPS）推进器，列泼斯是专门生产推进器的厂商，创立于1928年，是世界上从事调距桨生产较早的公司之一，在日本、法国、美国、意大利、西班牙、加拿大等地均有该公司子公司或制造商，其产品涵盖侧推、调距桨、定距桨、舵桨、喷水推进器等，并入瓦锡兰后其推进器品牌仍为LIPS。 在国内，可调螺距螺旋桨的发展与研究也已经越来越受人们的重视，其中主要的设计制造单位有前进马森船舶传动有限公司，镇江中船瓦锡兰螺旋桨有限公司，南京高精传动设备制造集团有限公司等 鉴于国内可调螺距螺旋桨的蓬勃发展，国内对可调螺旋桨的研究迫在眉睫，各大螺旋桨生产商不是自行花大力研究，就是向国外购买一些比较成熟的技术，真的可以说是无所不用其极，努力发展可调螺旋桨的技术，即便如此，国内可调螺旋桨的技术还
螺旋桨概述
螺旋桨概述 1.概念 1.1结构 图1 螺旋桨示意图 图2 螺旋桨结构 螺旋桨由桨叶、浆毂、、整流帽和尾轴组成，如上图所示。 滑失：如果螺旋桨旋转一周，同时前进的距离等于螺旋桨的螺距P，设螺旋桨转速为n，则理论前进速度为nP。也就是说将不产生水被螺旋桨前后拨动的现象，然而事实上，螺旋桨总是随船一起以低于nP的进速V s对水作前进运动。那么螺旋桨旋转一周在轴向上前进的实际距离为h p（＝V s/n），称为进距。于是我们把P与h p之差（P－h p）称为滑失。 滑失与螺距P之比为滑失比： S r＝（P－h p）/P＝（nP－V s）/nP＝1－V s/nP
式中V s/nP称为进距比。 从式中可以得出，当V s＝nP时，S r＝0。即P＝h,也就是螺旋桨将不产生对水前后拨动的现象，螺旋桨给水的推力为零。 因此我们可以得出结论：滑失越大，滑失比越高，则螺旋桨推水的速度也就越高，所得到的推力就越大。 1.2工作原理 船用螺旋桨工作原理可以从两种不同的观点来解释，一种是动量的变化，另一种则是压力的变化。在动量变化的观点上，简单地说，就是螺旋桨通过加速通过的水，造成水动量增加，产生反作用力而推动船舶。由于动量是质量与速度的乘积，因此不同的质量配合上不同的速度变化，可以造成不同程度的动量变化。 另一方面，由压力变化的观点可以更清楚地说明螺旋桨作动的原理。螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的作动原理与机翼相似。机翼是靠翼面的几何变化与入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，且由伯努利定律可知速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力。而构成螺旋桨叶片的翼面，它的运动是由螺旋桨的前进与旋转所合成的。若不考虑流体与表面间摩擦力的影响，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力，而在旋转方向的分量就是船舶主机须克服的转矩力。 1.3推力和阻力 以一片桨叶的截面为例：当船艇静止时，螺旋桨开始工作，把螺旋桨看成不动，则水流以攻角α流向桨叶，其速度为2πnr（n为转速；r为该截面半径）。根据水翼原理，桨叶要受升力和阻力的作用，推动螺旋桨前进，即推动船艇前进。船艇运动会产生顶流和伴流。继续把船艇看成不动，则顶流以与艇速大小相等，方向相反的流速向螺旋桨流来，而伴流则以与艇速方向相同，流速为u r向螺旋桨流来。通过速度合成，我们可以得到与螺旋桨成攻角α，向桨叶流来的合水流。则桨叶受到合水流升力dL和阻力dD的作用，将升力和阻力分解，则得到平行和垂直艇首尾线的分力：
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计 利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。 标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计 Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining. Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design 螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对一种型号的船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。 1 模型处理 利用三维建模软件UG对现有的螺旋桨设计模型进行简单处理，避免在后续有限元分析时遇到的一些问题。如图1所示为螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分，对模型整体模态的影响可以忽略不计，处理如图2所示。另外，根据螺旋桨的结构特点，靠近桨毂部分结构较复杂，靠近叶梢部分结构简单，所以为了在后续的单元划分时保证较高精度的同时又花费较少时间，在模型处理时将螺旋桨分割为两部分实体，一部分是包含桨毂，另一部分包含叶片。最后将处理完成的模型导出x_t格式文件，以便ANSYS软件导入。
对转螺旋桨敞水试验技术
8.4.1 对转螺旋桨敞水试验技术 敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。敞水试验的目的是： （1）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱； （2）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为改进设计和优化设计提供试验数据； （3）提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。 一、试验方法和试验设备 螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J。雷诺数、弗氏数、相对潜深都属于 限制参数。为了消除自由液面的影响(兴波和吸气)，螺旋桨的轴线潜深应大于或等于一个桨径。为了避免严重的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作专门讨论。 试验方法有二种： (1)固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速度法； (2)固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转速法。 目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱体之间的轴向距离要求大于2—3倍桨直径。另一种是炮弹式敞水试验装置。其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。动力仪及驱动螺旋桨的传动轴系安装在圆柱体内。圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一直伸到水面上，安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转动。这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许增大潜深，提高车速。 敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。中国船舶科学研究中心水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。螺旋桨转速由光电式或磁电式速度仪测量。图8-8是鱼雷对转桨试验装置的示意图。 图8-8 鱼雷对转桨试验装置示意图 1- 内轴；2-外轴；3-空心万向轴节； 4-空心动力仪；5-换向齿轮箱；6，7-万向联轴节 8-减速齿轮箱；9-光电测速仪；10-电机。 二、敞水试验数据表达 敞水试验测量的数据有：前桨推力、前桨扭矩、后桨推力、后桨扭矩；螺旋桨 转速n、拖车速度。 为了便于比较分析，通常均以前桨直径无因次化。 前桨推力系数
翼型多目标气动优化设计方法
翼型多目标气动优化设计方法 王一伟钟星立杜特专 （北京大学力学与工程科学系，北京 100871） 摘要本文将数值优化软件modeFRONTIER同计算流体力学（CFD）软 件相结合，对NACA0012翼型的气动性能进行优化。计算采用N-S方程作 为主控方程以计算翼型气动性能，分别采用多目标遗传算法（MOGA）和多 目标模拟退火算法（MOSA）作为翼型的气动性能优化算法。计算结果表明， 优化后的翼型相对于优化前的翼型的气动性能有很大提高（升阻比增幅可达182％）。 关键字气动优化设计多目标NS方程遗传算法模拟退火算法 Abstract: The combination of the optimization software, modeFRONTIER, and the commercial CFD software is used to optimize the aerodynamic functions of the airfoil, NACA0012.The NS equations are adopted for calculating the airfoil aerodynamic properties (Cl, Cd and etc). Two kinds of optimization algorithm, the Multi-Object Genetic Algorithm(MOGA) and the Multi-Object Simulated Annealing(MOSA), are used in the optimization process respectively. The optimized airfoils show remarkable improvement of its aerodynamic functions (The ratio of lift to drag increases up to 282%) relative to its original one. Key words Aerodynamic Optimization Design, NS Equation, Genetic Algorithm, Simulated Annealing 一、研究背景 翼型的气动力设计是现代飞机设计的核心技术。对于某种原始翼型，使用者往往要求改善其气动力参数（升阻力系数，升阻比等）以提高飞机性能。从已有的大多数算例来看，设计中有两个比较关键的因素[8]： 一，优化算法的选择对最终优化结果具有决定性影响。数值优化方法（Numerical Optimization Method）是与反设计法[9]、余量修正法以及基于现代控制理论方法的气动设计法等方法相并列的一种优化算法。该方法大致可以分为两类[2，6]。第一类是采用一种先后顺序搜索的方式的确定性算法，优点是在少参量时优化搜索速度快，可获得高精度的解，缺点是容易陷入局部最优，计算次数随参量增多而迅速增加。另一类是基于全局搜索的随机性算法。该方法不受搜索空间的限制，不要求诸如连续性、单峰性等假设，比较容易达到全局最优解，但是搜索所耗费的时间相对较长[7]。 二，数值计算的精确性是能够得到准确优化结果的前提条件。数值模拟在工业技术、国防军事以及科学研究中，已经成为一种重要手段。相对于传统的实验方法，数值计算具有很多优点，如节省费用，分析速度快，能给出详细完整的资料，可以不受物理条件限制来模拟真实条件等。目前计算流体力学（CFD）在空气动力学方面起到了越来越重要的作用。CFD可以准确的计算出不同攻角和马赫
小型多功能飞艇完整版
报告题目：小型多功能飞艇 学生姓名：杜昊，任伟，古田，吕文斌 学院名称：机电工程学院 指导教师：古乐副教授 1、课题研究目的 该项目针对传统静升力飞艇的弱点，着力于设计开发一种速度更快、抗风能力更强、机动性能更好的小型浮空平台，可以搭载多种任务模块，适于在城市、山区等气流条件复杂的空域执行任务，并制作出功能类似的小比例模型。 该平台以半刚性气囊为浮升体，动力采用矢量推力螺旋桨，可垂直起降，提高机动性能；利用无线数传模块进行无线数据传输与遥控，且可进行实时视频采集与传输；艇内控制信号采用光纤传输，减小重量，避免电磁干扰，提高系统可靠性。 基本功能与性能要求如下： 有效载荷 2－3kg 最大起飞重量 16－18kg 巡航速度 20－40km/h 最大飞行高度 >500m 功率输出 400-600W 续航时间 >30min 遥控距离 >1km 2、课题背景 飞艇，作为一种以艇囊中充轻于空气的氦气形成浮力升空、既节能又环保的“绿色航空器”，其诞生已有150年的历史了。近几十年来，随着航空技术的发展，特别是新型复合材料与推进技术的实用化，使得飞艇的发展“突飞猛进”，势头强劲，展望未来，前景看好。当前世界上，飞艇发展有三个“热点”：中低空软式飞艇、高空飞艇、大载荷巨型飞艇。而飞艇的不断发展也在向人类社会的民用、商业、军事等方面渗透。 此外，在遇到类似汶川大地震等自然灾害中，由于道路阻断，天气恶劣，重型机械工程机械设备难以在第一时间抵达一线灾区。而利用飞艇便可解决疏散人员，运送物资等刻不容缓的问题。可见在应付大型自然灾害时，飞艇也可凭借其对起飞降落条件要求较低的特点发挥其作用。 研究现状： 民用方面，以中低空软式飞艇为主，中低空（3000米左右）中小型软式飞艇，分为有人驾驶、无人驾驶、系留式三种，它们均系百年飞艇历史上已经很成熟的飞艇技术。由于在军事上、商业上均有广泛功能，而且具有造价低、研制周期短、易于设计和制造、安全可靠、低能耗、低噪音、维护简单易行等诸多独特的优势。因而，各国都重视中小型军民通用多用途软式飞艇的制造，使其在军事和民用方面发挥重要作用。中小型飞艇对于建筑施工，电力系统缆线布设，均可提供足够的支持，另外，一些发达国家还出现了有关巨型豪华观光的飞艇的设计，而在北京奥运主体
螺旋桨公式
螺旋桨公式 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数
船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究
船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究 随着造船、航运业的发展,船舶的安全、节能、环保等性能越来越受到重视。作为目前最常用的推进装置,螺旋桨对船舶性能的影响很重要。 由于伴流场的非均匀性,螺旋桨旋转一周过程中其桨叶会以不同的攻角与来流相遇,容易使桨叶上产生空泡。螺旋桨空泡不仅会对桨叶产生剥蚀作用,还会产生噪声及引起尾部振动。 近年来,一方面船舶不断向大型化发展,而船舶吃水受港口、航道水深的限制,螺旋桨直径不能过分增大,于是导致螺旋桨负荷加重;另一方面,肥大型船得到广泛应用,其伴流场均匀性变差,螺旋桨的工作环境恶化。这两方面的原因使出现空泡、振动现象的可能性大为增加。 因而在现代船舶的螺旋桨设计过程中兼顾效率和空泡、振动等性能非常必要。本文针对螺旋桨水动力性能和空泡性能预报及其优化设计问题,开展了以下三方面的研究工作:一、基于CFD方法的船尾伴流场数值预报。 由于船尾伴流场对螺旋桨性能有重要影响,有必要对伴流场的影响因素进行研究。本文以某集装箱船为研究对象,采用前处理软件GMS进行线型建模,并在NAPA软件中进行线型参数化变换,然后采用CFD软件PARNASSOS求解船舶尾部伴流场,并与船模试验结果相比较以验证计算的准确性。 通过对不同方形系数、船体长宽比和尾部UV度等参数的尾部伴流场的研究,探明这些参数变化对伴流场的影响趋势。二、基于支持向量机和遗传算法的螺旋桨敞水性能优化。 由于图谱法设计螺旋桨简便实用,而且可为理论设计方法提供参考,本文首 先建立基于图谱的螺旋桨敞水性能优化设计方法。以敞水效率为优化目标,空泡
限界线为约束条件,进速系数、螺距比和盘面比为优化变量建立均匀流场中螺旋桨性能优化模型;采用支持向量机预报螺旋桨水动力性能,采用遗传算法求解优化模型。 通过将优化结果与商业软件CSPDP以及文献中的计算结果相比较,验证了本文方法的有效性,为非均匀流场中螺旋桨性能优化打下了基础。三、基于升力面法的非均匀流场中螺旋桨性能优化。 非均匀流场中螺旋桨性能预报的方法有升力线法、升力面法、面元法和计算流体动力学(CFD)方法。虽然CFD方法通常比其他方法的精度要高,但是对计算机硬件的要求也较高,计算效率相对较低,不适用于大量算例的计算。 为了兼顾计算效率和预报精度,本文采用升力面程序ANPRO预报螺旋桨的水动力性能和空泡性能。预报结果与试验观测结果的比较表明升力面法可以预报空泡范围变化的趋势。 在此基础上,分别以螺旋桨效率和空泡范围为优化目标,以不同半径处的螺距和拱度为优化变量,建立了优化模型并采用遗传算法进行求解。优化前后的性能对比表明,本文提出的方法可以在一定的螺旋桨效率下优化空泡性能或者在一定的空泡性能下优化螺旋桨效率。
美国军用无人飞艇的发展与应用
美国军用无人飞艇的发展与应用 美国终止"海象"（Walrus）大型混合飞艇项目，同时加大高空飞艇及其在监视与导弹防御等关键能力和技术上的投入，预计美国对于无人飞艇的开发有以下三个方面的趋势：1.美国非常重视战略性高空飞艇能力的研究，计划未来将其发展成为低轨道侦察卫星可行的替代手段；2. 2010年之前或在更长时期内美国暂缓对无人飞艇型号项目的大量投资，而等待有关技术取得进步并具备可行性之后再发展计划装备的产品。3. 美国目前对高空飞艇面临的关键技术，如轻质健壮的新材料、高能量密度燃料、再生燃料电池、高效太阳能电池和高空推进系统等相关技术大力投资，一方面为装备效费比更高的高空无人飞艇奠定能力基础，另一方面以此创造性地大幅提升其他空中无人系统的效能。 一、无人飞艇的特性分析 飞艇是依靠空气浮力升空、可操纵的一种飞行器。按构造可分为软式飞艇、半硬式飞艇和硬式飞艇三大类。软式飞艇的艇体是一个气囊，外形由气囊（包括充满氦气的主气囊和辅气囊）中的气体压力维持；硬式飞艇的艇体依靠其内部骨架支撑，外表覆盖着蒙皮，能保持良好的流线型；半硬式飞艇的艇体形状主要通过气囊中的气体压力维持，一部分也需骨架支撑，由龙骨和蒙皮共同承受整体弯矩和集中载荷。此外还出现了一种重于空气的混合式飞艇，除了具有常规式飞艇的特点外，还具有飞机的特点。混合式飞艇通过综合运用空气动力学、推力矢量和空气浮力来产生升力，可在空中和地面操作的任何阶段控制升力，包括在卸下有效载荷时不需要加载除周围空气之外的压舱物。由于飞艇可携载不同类型的监视设备进行低成本、长航时飞行，从而具有广泛的军事和商业用途。 飞艇的机动性较差使其军事用途相对有限，虽然无人机在护航、跟踪、巡逻等机动行动中应用效果显著，但在监视建筑物等固定目标方面，无人飞艇不仅作为一种低成本超长留空平台成本相对较低，而且效果也要好许多。美国已在伊拉克部署了几个装备有光电和红外摄像机的浮空器提供基本安全保障，还至少部署了一个能持续探测威胁的浮空器系统，该系统能监视整个城市并可对爆炸物和火箭炮的位置进行探测。这些浮空器系统包括美国陆军专门执行监视任务的"快速初始部署浮空器"（RAID），以更好地保护美军部署在伊拉克的地面部队及贵重资产。美国国土安全部（DHS）基于无人飞艇的经济性与有效性将其作为保卫美国本土的一支重要力量，如洛克希德·马丁公司研制的系留飞艇雷达系统（TARS）部署在美国南部边境一带执行监视任务，非常有效地协助抓捕美国与墨西哥边境的毒犯。同时国土安全部的空中和海上行动办公室（AMO）还表示TARS是唯一一种能提供所辖区域内海面上空100~500英尺（30~152米）低空飞行的可疑飞机信息的固定雷达系统，是满足军方无缝隙侦察（覆盖整个地域）需求的理想平台。 随着美军航空航天技术的发展，美军自2003年以来掀起一股近太空研究的热潮。美国空军通过两次对伊战争以及阿富汗战争发现当前的侦察、监视和通信平台面临地空导弹的威胁越来越大。航天侦察平台在瞬息万变的战场环境下明显反应迟缓，同时航天侦察还存在侦察精度和幅宽的矛盾。如在伊拉克战争中美军共使用
螺旋桨计算公式
直升机螺旋桨升力计算公式 直升机螺旋桨升力计算公式 一般直升机的旋翼系统是由主旋翼.尾旋翼和稳定陀螺仪组成，如国产直－8，直－9。也有共轴反旋直升机，主旋翼是上下两层反转螺旋桨，无尾翼，如俄罗斯的卡－28。 1.现在的直升机螺旋桨（叫旋翼）的桨叶是由碳纤维和玻璃钢纤维与复合材料制造而成。 有一定的弹性，不转时，桨叶略有下垂弯曲。当螺旋桨旋转时，由于离心力的原理，桨叶会被拉直。打个比方，我们看杂技“水流星”吧，两只水碗栓在一根绳子两端，放着不动时，绳子是支持不了水碗的，当旋转起来后，我们看到水碗和绳子象直线一样， 空中飞舞。 2.直升机的主螺旋桨是怎么支撑飞机的重量？这个问题就是直升机的飞行原理：（以一般直升机为例）直升机能在空中进行各种姿态的飞行，都是由主旋翼（你讲的螺旋桨） 旋转产生的升力并操纵其大小和方向来实现的。升力大于重量时，就上升，反之，就下降。 平衡时，就悬停在空中。直升机的升力大小，不但决定于旋翼的转速， 而且决定于旋翼的安装角（又称桨叶角）。升力随着转速.桨叶角的增大而增大； 随着转速.桨叶角的减小而减小。直升机在飞行时，桨叶在转每一圈的过程中， 桨叶角都是不同的；而且，每片桨叶的桨叶角也是不同的。这才使直升机能够前. 后仰， 左.右倾，完成各种姿态。直升机尾旋翼的转速和桨叶角的变化同主旋翼原理相同，控制直升机的左转弯.右转弯和直飞。不管天空有风无风，直升机要稳定飞行， 不变航向，也要靠稳定陀螺仪控制尾旋翼来完成。总之，直升机旋翼系统非常复杂，我只讲直升机空中姿态变化与旋翼的关系。 １，直接影响螺旋桨性能的主要参数有： a.直径D——相接于螺旋桨叶尖的圆的直径。通常，直径越大，效率越高， 但直径往往受到吃水和输出转速等的限制； b.桨叶数N; c.转速n——每分钟螺旋桨的转数； d.螺距P——螺旋桨旋转一周前进的距离，指理论螺距； e.滑失率——螺旋桨旋转一周，船实际前进的距离与螺距之差值与螺距之比； f.螺距比——螺距与直径的比（P/D），一般在0.6~1.5之间；一般地说来，高速轻载船选取的值比较大，低速重载的船选取的值比较小； g.盘面比——各桨叶在前进方向上的投影面积之和与直径为D的圆面积之比。通常，高转速的螺旋桨所取的比值小，低速、大推力的螺旋桨所取的比值大。例如，拖轮的螺旋桨盘面比大于１.2甚至更大的情况也不少见； 机翼升力计算公式 升力L=1/2 *空气密度*速度的平方*机翼面积*机翼升力系数（N） 机翼升力系数曲线如下注解：在小迎角时曲线斜率是常数。
高空气球
高空气球/飞艇热潮再起 肖镝
洛·马公司的HALE-D验证艇，未来主要用于复杂地区通信任务。 不久前，西班牙一家名为Zero 2 Infinity（意为从零到无限）的公司对外宣布，他们已经研制出了一种新的氦气球，这种氦气球的上升高度可以达到35千米。据该公司的CEO约瑟·洛佩斯·尤迪亚勒斯（Jose Lopez Urdiales）宣布，这种氦气球未来将主要用于高空旅游，预计在2013年进行首次载人商业飞行。 Zero 2 Infinity公司研制的这种氦气球目前的最大上升高度为32千米，预计到2013年可以将人送到35千米的高空，而其最大升限则可以达到40千米，远远超出了目前所有的民用客机。按照公司的设计，执行载人飞行时，氦气球的下面携带有一个直径近4米的吊舱，可以容纳2名驾驶员和4名乘客。由于吊舱采用气密设计，所以里面的温度以及整个环境都非常舒适。进行高空旅游时，游客搭乘氦气球慢慢上升，达到35千米高空时，气球将停止上升并在固定高度缓缓飘动，游客可以在此高度观赏日出等高空景色。飞行结束后，气球会与吊舱分离，吊舱下降到一定高度时，吊舱顶部的降落伞就会自动弹出打开，以保障吊舱安全返回地面。公司称，他们的高空旅游项目非常有吸引力，并且收费只要9万英镑，更为重要的是，相对于昂贵
的太空旅游而言，游客只要进行两天的安全培训，就可以进行高空旅行了。 虽然不能把人送入真正的太空，但是这种独辟蹊径的超高空旅游项目有自己的优点：经济、环保、安全性高，而这也是最近几年氦气球/飞艇越来越受到各国重视的主要原因。 今年7月27日，美国洛克希德·马丁公司研制的首艘高空长航时飞艇验证艇（HALE-D）完成了首飞。该艇在升空后不久出现技术故障，飞行高度达到9750米，只相当于目标高度的一半，随后飞艇降落在一片树林里。据洛·马公司介绍，虽然首飞没有完全成功，但是这次飞行对飞艇的发射与控制、通信数据链、艇载推进系统、太阳能电池板阵列、遥控操纵、回收等关键技术都进行了验证，证明飞艇的设计是成功的。 这次试飞是洛·马公司承接的美国陆军太空与导弹防御司令部/陆军战略 司令部（SMDC/ARSTRAT）高空飞艇（HAA）项目的一个关键节点，该项目旨在为美国陆军提供一种性能先进的高空飞艇，用作长航时空基固定式通信中继平台，提升其在偏远地区的通信能力。HAA也是由氦气提供升力，艇身铺设的太阳能电池板可以提供飞艇前进的动力，也可以为艇载设备提供电力。 对于长期在伊拉克和阿富汗地区执行任务的美军而言，虽然他们拥有性能先进的多种侦察机以及遍布太空的侦察卫星，但是侦察机很容易受到地面防空武器的威胁，而太空中的侦察卫星则往往由于天气的原因而无法提供准确的信息支持。相对于飞机而言，飞艇具有燃料消耗少、飞行噪声小、环保、经济性好、安全度高等优点，而相对于卫星而言，飞艇则有便于部署、可回收等优点。最终，他们发现飞艇更适合在伊拉克和阿富汗地区执行通信中继与预警服务。 今年4月，由德国TAO科技公司为美国军方研制的STS-111型无人驾驶飞艇成功首飞，现在已经开始在美国军方接受任务测试。这种飞艇的外形介于气球和飞艇之间，奇特的外形和结构使其拥有出色的抗气流干扰能力，能够保持飞行的稳定。