基于代理模型的多翼帆设计优化考虑气流相互作用效应外文翻译资料

 2022-08-23 16:02:28

英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于代理模型的多翼帆设计优化考虑气流相互作用效应

摘要

我们的研究目的是数值分析多翼帆的气动特性。三个相同的翼帆连成一排，并根据不同风向下的襟翼长度、偏角和攻角优化其形状和操作条件。采用粘性流体Navier-Stokes方程求解器进行数值气动分析。提出了一种基于进化算法和Kriging代理模型的多翼帆优化设计框架，找到了使多翼帆推力系数最大的最优解。共采用9个设计变量，相对风向允许在45°到90°和135°之间变化。利用三维计算流体力学分析验证了设计实验的结果。验证结果表明，与基线多翼帆相比，优化后的多翼帆在各个风向的平均推力性能均有所提高。

amp;2016爱思唯尔有限公司保留所有权利

1.引言

能源消费量持续增长，主要集中在造成环境污染的化石燃料上，因此能源问题已成为工业界和学术界亟待解决的问题。在所有的工程领域，人们都在积极寻求一种替代化石燃料的环保能源。在船舶工业中，传统的推进系统严重依赖化石燃料，污染物的排放给海洋系统带来了很大的问题。因此，新的推进技术已经开发出来，可以取代或支持现有的基于化石燃料的往复式和涡轮发动机。近年来，随着人们对减少二氧化碳（CO2）排放和提高化石燃料成本的重视，一种风力辅助推进系统正试图应用于商用船舶。风力辅助推进系统，如常规软帆、翼帆、风筝帆和弗莱特纳旋翼，利用环保的替代能源风能产生额外的推进力。将风能转化为船舶的推力是风力辅助推进系统的基本概念。风筝帆系统由一个大风筝和一个用于确定风筝位置的自动控制系统组成。对于现有船舶来说，安装简单，成本低。另一方面，旋翼船或弗莱特纳船使用安装在甲板上的旋转汽缸来产生额外的推进力。由于用于调整船舶的马格努斯效应，推力是由运动流体流动中的旋转圆柱产生的。安装在船甲板上的翼帆从风中获取动能，并协助拉动船。翼帆的基本概念是通过使用翼帆提供的气动推进来提高现有的推进效率，翼帆采用与飞机机翼相同的形状，而不是常规的软帆。最近的研究结果得出结论，超过15-25%的现有推进力可以用翼帆代替，从而节省相当比例的化石燃料（Ouchi等人，2011年）。

许多团体已经对翼帆进行了研究。Ouchi等人（2011）使用数值方法对多翼帆进行了气动和结构分析。藤原等人（2003）研究了多翼帆的气动特性。此外，Fujiwara等人（2005）进行了风洞试验，以揭示帆-帆和帆-壳相互作用效应。Nakashima等人（2010）还进行了风洞测量和数值模拟，以验证新概念风动船舶中翼帆之间的气动相互作用现象。Li等人（2015）研究了最佳设置参数，分析了新翼帆在风洞中的气动相互作用和数值模拟。然而，这些研究大多集中在翼帆的气动分析上，依赖于风洞实验。不太注意对提高翼帆气动性能方面进行优化设计。在本研究中，我们发展了与数值分析和优化算法紧密结合的设计优化框架，并进行了设计优化，以提高翼帆提供的气动力推进力。

在本研究中，我们使用计算流体力学（CFD）流体求解计算器进行气动分析，以研究多翼帆的流动交互作用和气动特性的影响。将粘性流体Navier-Stokes求解器与非结构网格拓扑一起用于多翼帆的二维和三维数值分析。采用Spalart-Allmaras（SA）湍流模型。研究了带襟翼和不带襟翼的翼帆的推进力大小，同时允许风向以15°的幅度从0°到360°变化。为了验证CFD求解器对翼帆当前流动状况的准确性，对NACA 0012翼型进行了二维流动分析，并与实验值进行了比较。其次，考虑到多翼帆内流场的相互作用，将高精度的流场解直接用于气动设计优化。我们工作的一个关键优势是对设计参数进行权衡研究，这些参数在改善翼帆性能方面是确实有效的。根据多翼帆的工作条件和襟翼结构，找到了多翼帆的最优布局。提出了一种多翼帆气动优化设计框架。该框架使用进化算法和Kriging代理模型，是完全自动化的。我们还使用与CFD解算器和伴随解算器紧密耦合的连续伴随方法，进行基于CFD的设计优化。然而，由于我们将操作条件和襟翼结构作为设计变量，因此很难平滑地处理网格变形。利用所开发的设计框架，我们找到了多翼帆的最佳设置，以最大化平均推力系数，从而提高整体推进力。共采用9个设计变量，每个翼帆都有设计参数，用于根据翼帆的长度和偏转角度改变翼帆和襟翼结构的攻角。在我们之前的研究中，我们只考虑了每个翼帆攻角的变化作为设计变量，可以独立旋转715°（Lee，2012）。然而，在本研究中，我们不仅考虑了迎角，还考虑了每个翼帆的襟翼长度和偏角作为设计变量。最后，得到了使多翼帆平均推力性能最大的优化设计变量，并允许风向在45°~90°和135°之间变化。结果，在初始攻角为8°时，推力提高了约14–22%。虽然设计是基于二维流动分析进行的，但由于计算成本昂贵，因此使用CFD分析对完整的三维机翼帆进行验证，以确定从二维假设获得的推力改进是否有效。结果表明，在三维分析中，多翼帆的推力性能改善程度略有降低，考虑到三维气动效应，包括翼尖涡引起的下洗流和横流等，这是非常可预测的。

综上所述，我们的工作为了解翼帆的气动特性和确定不同操作条件下多翼帆的最佳设置提供了有用的信息。我们的工作表明，翼帆的概念是一个有效和可行的工具，可以作为船舶工业的有效替代推进系统。然而，本研究也存在一定的局限性。首先，我们不考虑风切变效应。实际上，由于粘性，在更高海拔的风速比地面或水面要快。因此，风速必须沿翼帆高度变化。然而，在这项研究中使用了沿翼帆高度的均匀风速分布。其次，我们只关注翼帆和它们之间的流动相互作用效应。因此，我们不考虑船体模型和帆壳或其他船体上部结构的相互作用效应。第三，我们假设带翼帆的船无论风向如何，只能朝一个方向（x轴方向）移动。作用在翼帆上的推力方向也定义为沿船舶运动方向（x轴方向）推进船舶。本文忽略了法向力对翼帆侧向力的影响。第四，将简化后的翼帆形状应用于风力辅助推进系统。它是一个没有扭曲和后掠角的矩形机翼，它的截面是由NACA0012对称翼型和襟翼组成。襟翼没有任何间隙。建立了多单元刚性翼帆、带缝翼和方形软帆的混合帆和大型垂直伸缩式刚性帆的模型，并将其作为风力辅助推进系统。多元刚性翼帆由两个不同的翼型组成，两个翼型之间的间隙很小，能够产生比曲板更高的升力（Viola等人，2015）。混合帆由NACA0030型的刚性翼帆组成，桅杆带有圆弧形板条和方形软帆，以获得高空气动力性能（Fujiwara等人，2003）。可伸缩的刚性帆可以垂直折叠，并具有自动旋转机制，以满足风向（Ouchi等人，2013年）。

本文概述如下。第二节介绍了翼帆的概念、多翼帆的拓扑结构以及用于评估推力性能的力关系。第3节和第4节分别介绍了气动分析方法和设计优化框架。第4节讨论了代理模型的Kriging方法，以及本研究中使用的遗传算法。第5节说明了多翼帆的气动特性和流动相互作用。第6节显示了气动设计优化的结果，最初在考虑气流相互作用的8°攻角下，如第5节所述。第七节是本文的结论。

2.翼帆的概念

带翼帆的船是一种环保节能并且燃油效率高的船舶，它使用翼帆来支持现有的化石燃料推进系统。翼帆从风中获取动能，并产生额外的推力来帮助拉动船只。“Shin Aitoku Maru”号是第一艘使用大型硬翼帆推进系统的帆船。日本JAMDA公司在20世纪70年代引进了这种帆船，最初采用的是简单的扁平帆。然后，开发了新型帆船，让它使用翼型的帆，而不是扁平型的帆。这大大改善了翼帆的气动性能。

翼帆必须位于主甲板上可用的有限空间内。翼帆的数量通常由船舶的大小决定（Nakashima等人，2011）。在之前的一项研究中，研究了100-K载重吨（自重吨）级货船共有六个帆的翼帆系统（Lee等人，2012年）。在本研究中，我们研究一艘50-K载重吨级货船的三帆翼帆系统。本研究中翼帆数量的减少是基于对前三翼帆区域内大多数流体动态相互作用的观察（Lee等人，2012）。图1示出了这里所考虑的翼帆系统的示意图。每个翼帆的弦长为10米，高度为20米，长宽比为2，没有任何锥度和扭曲。此外，翼帆间距为15m，是弦长的1.5倍。三个翼帆沿x方向排列。翼帆可以旋转以面对不同的风向，旋转轴位于每个弦长的40%处。翼帆的截面形状是NACA0012翼型，对称且没有弧度。选择对称翼型的原因是为了防止巡航任务期间风向在0°到360°之间变化，从而对空气动力性能产生负的外倾角影响。如图1所示，如果翼帆被连续构造为多个布置以产生更大的推力，则它们之间发生气流相互作用，并且它对多翼帆的整体推进性能具有显著的影响。因此，为了准确估计多翼帆的推力，必须考虑这种气流相互作用的影响。

图2显示了一个力图，它表示风帆方向，视风向以及作用在翼帆上的力系数。假设船舶在x方向行驶。然后，可以使用公式（1）计算沿x方向的合力，即推力系数（CFx）。推力矢量的表达式可以定义为翼帆视风向（theta;）和空气动力系数（CL，CD）的函数。作用在翼帆上的总气动力可以分解为基于视风向或推力（驱动力）的升力和阻力，以及基于船舶行驶方向的侧向力（侧向力）。沿x和y方向的推力和侧向力系数都可以用公式（1） 和（2）计算。在使用风力辅助推进系统的船舶中，侧向力与推力同样重要，因为它必须由船体和附件产生的水动力侧向力来平衡。翼帆产生的侧向力越大，翼龙骨或舵为抵抗气动力产生的水动力侧向力就越大。为了平衡两边的力，必须增加偏航角，但这会导致船体阻力显著增加。由空气动力和水动力侧力产生的偏航力矩将由舵产生的力矩来平衡。因此，考虑侧向力和力矩的综合评价具有重要意义，因为它直接影响到船舶的性能。然而，这需要详细的船舶几何信息和CAD表示，包括船体形状，螺旋桨，舵，和其他附属物，这在当前的研究中是不容易获得的。在整个设计迭代过程中，整个船舶的CFD模拟计算时间变得非常昂贵。需要一个高层次、多学科的设计优化框架，对约束条件和设计变量进行仔细的选择。尽管这些工作可以在将来的工作中完成，但当前的研究范围仅限于孤立的机翼帆，并着重于基于CFD的流量分析和设计如何有效地计算出性能指标（推力水平）的变化， 在我们的工作中，例如在风向，机翼风帆的迎角和襟翼拓扑方面。 对于多翼帆，平均推力被认为是性能指标，它是平均推力系数除以翼帆的数量。 在这项研究中，考虑了具有三个帆的机翼帆系统。 因此，将平均推力系数定义为公式 （3）。

3.气动分析方法

3.1计算流体力学（CFD）

为了研究流动现象，必须选择合适的CFD流动求解器。SU2_CFD是一个用于在并行计算环境中进行模拟的流体动力学软件，同时还有一个用于在并行流动计算中作为预处理器划分体积网格的模块。 SU2_CFD求解器可以为势能，欧拉，纳维-斯托克斯和雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）控制方程提供直接流解和伴随解。它使用有限体积法（FVM）进行空间离散。显式和隐式方法都可用于时间积分，中心差分或迎风方法也可用于空间离散。为了提高流动解的可靠性和收敛性，还采用了先进的残差平滑和多重网格方法。SU2_CFD程序已通过各种测试案例得到验证和验证，包括稳态和非稳态Euler和RANS、多物种和非平衡流、低速（低马赫数）和超音速模拟（Alonso和Colonno，2012）、自由表面公式（Palacios等人，2012），动态网格的时间精确模拟（Colonno等人，2012），或等离子模拟（Palacios等人，2013）。SU2_CFD还可用于解决各种设计优化问题，例如使用等效面积分布的超音速飞机（Lukaczyk等人，2012年）、使用RANS方程和连续伴随方法的机翼设计（Bueno Orovio等人，2012年）和悬停旋翼的最佳形状设计（econoon等人，2012年）。

为了进行数值分析，我们求解了二维和三维可压缩RANS控制方程，这些方程描述了粘性流体中的质量、动量和能量守恒。这些控制方程具有以下微分形式的结构：

其中t是时间，Omega;是域。 U表示状态变量的向量； Fc是对流通量（无粘性通量）； Fv是粘性通量； Q是一个来源术语。 公式 （5）和（6）简要说明了控制方程各组成部分所涉及的物理学：

其中，rho;是密度，P是静压，E是单位质量的总能量，H是流体焓，v=（v1，v2，v3）是笛卡尔坐标系中的流速矢量。在这些公式中，静态压力P可以在理想气体的假设下从状态方程中导出。

其中T是温度，gamma;是比热比，R是气体常数。CP是恒压下的比热，delta;ij是Kroneckerdelta;函数。对于公式（6）中的粘性通量项，粘性应力可以写成公式（9）。粘度由Stokes假设定义。

利用Sutherland定律（White，1974）导出了动态粘度（分子层流粘度）mu;dyn，并用湍流模型计算了湍流粘度mu;tur。本文采用Spalart-Allmaras（SA）单方程湍流模型计算湍流粘度mu;tur。层流（Prd）和湍流（Prt）的普朗特数分别设置为0.72和0.9。

3.2数值格式

为求解偏微分方程（PDEs）形式的控制方程，应采用有限体积法（FVM）或有限差分法（FDM）对控制方程的空间项进行离散。一般来说，有限体积离散有两种策略。一种方法是基于单元中心的FVM。另一种方法是基于单元顶点的FVM。在以单元为中心的FVM中，控制体积是单元本身，流量变量存储在每个单元的质心中。然鹅，在基于单元顶点的FVM中，控制体由子有限体组成，流变量存储在单元顶点或节点中。在我们的研究中，控制方程的空间项使用基于单元顶点（节点）的FVM和中值双控制体技术进行离散。该技术利用单元质心点和三角形非结构网格边缘中点构造虚拟控制体。采用空间二阶精度的中心差分格式计算无粘和粘性通量项。中心差分格式比迎风差分格式易于实现，计算量小。此外，我们使用Jameson-Schmidt-Turkel（JST）方案作为人工粘性项来获得高分辨率解并防止非物理振荡误差（Jameson，1995a，1995b）。为了获得稳态解，我们使用上下对称Gauss-Seidel（LUSGS

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[236893]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章