适用多速度域的翼型设计方法与结构技术

一种适用于多速度域的翼型设计方法与结构，该翼型设计方法是先将此翼型环境建立后，再进一步依所要设计翼型压力分布条件而加入限制条件，再进行最佳化计算，并于最佳化计算后，进行流体特性分析并获翼型的形状，之后再依翼型于各速度域所使用比例来进行权重计算，如此，可筛选出最佳翼型的形状与其环境参数组合，使其所设计出来推进器螺旋桨的翼型结构，不仅于所设计速度域内的运转效能较为已知高，并于高速度时有着超空化系列翼型的特征，同时于低速度时性能却不受影响的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是与船舶的推进器螺旋桨设计方法相关，特别是指一种适用于多速度域的 翼型设计方法与结构
技术介绍
已知船舶推进器螺旋桨是以NACA系列、KCA系列或超空化(Supercavitating)系 列螺旋桨为主，请参阅第一图所示，当推进器速度愈快时，可发现NACA系列与KCA系列螺旋 桨的效率会急速下降，同时可发现推进器于高速度时，以超空化系列螺旋桨的效率为较佳， 然于低速度时则超空化系列螺旋桨的效率则远低于NACA系列与KCA系列螺旋桨的效率，因 此，可发现以上几种船舶推进器仅在于某些速度域中发挥最佳的效能，一旦超过范围时，其 效能则会大幅下降。
技术实现思路
已知船舶的船速是以30节以下的低速度域为主时，则该船用推进器螺旋桨多采 用NACA系列或KCA系列的螺旋桨，而船舶的船速是以30节以上的高速度域为主时，则因为 NACA系列或KCA系列的螺旋桨于高速度域时，会因为超空化状态的产生，而使其效率大幅 度的降低，所以当航速是以30节以上的高速度域为主时，该船用推进器螺旋桨则多采用超 空化系列螺旋桨为主，但现在一般船舶最常航行的船速是以20 40节为主，因此，如采用 NACA系列或KCA系列的螺旋桨且航速超过30节时，则其此推进器的效能不仅会因为空化 现象的产生而大大降低效能，同时螺旋桨表面也会因为空化现象同时所产生的许多破裂气 泡，而造成船体的震动，但如果以超空化系列螺旋桨为主时，则其于低速度域时的速率又不 佳，因此，如何整合NACA系列、KCA系列与超空化系列的螺旋桨的优点，而建构出可适用于 用低速度域与高速度域的船用推进器螺旋桨，实为有待改善的处。本专利技术是提供一种适用于多速度域的翼型设计方法与结构，该翼型设计方法其主 要步骤包含有翼型环境建立、最佳化处理、流体特性分析、翼型建立与权重计算，其中，该翼 型环境建立后，再进一步依所要设计翼型压力分布条件而加入限制条件，再进行最佳化计 算，并于最佳化计算后，将符合最佳化计算的群组进行流体特性分析，再依翼型于各速度域 所使用比例来进行权重计算，如此，可筛选出最佳翼型的环境参数组合，及所对应的翼型的 形状。本专利技术所提供一种适用于多速度域的翼型设计方法与结构，其中，该翼型的设计 方法所设计出来推进器螺旋桨的翼型结构，不仅于所设计速度域内的运转效能较为已知 高，且该翼型于高速度时有着超空化系列翼型的特征，同时于低速度时性能亦兼具NACA系 列与KCA系列翼型的优点，而使该翼型所形成的推进器螺旋桨，能让船舶于低速度域与高 速度域的船速时，皆能具有较高的效能，另，该翼型的设计方法于进行最佳化处理至翼型建 立时，其所采用的数值分析技术与翼型反算技术，是可于多操作点上进行最佳效率运算，增 加翼型建立的准确性。附图说明 以下配合附图、实施例的详细说明及申请专利范围，将上述及本专利技术的其它目的 与优点详述于后，其中图1是已知船舶不同翼型的速度与效率比较图。图2是本专利技术的翼型结构剖视图。图3是本专利技术的翼型设计方法流程图。图4是本专利技术的翼型于不同船舶速度的升力系数图。图5是本专利技术的翼型群组经压力反算的翼型图。图6是本专利技术的加权计算后的升力系数、阻力系数与效率比较图。图7是本专利技术的经加权计算后所获得最佳翼型图。图8(A)是本专利技术的翼型于30节的压力分布图。图8(B)是本专利技术的翼型于40节的压力分布图。图9是本专利技术的翼型的空化分析图。具体实施例方式首先，请参阅图2所示，其是适用多速度域的翼型结构，该翼型结构并形成船舶的 螺旋桨，以提供船舶航行时所需要足够的升力，而该翼型结构主要是包含有一上表面10，是提供流体平滑地自上表面前半部11朝其后半部12流动，并使该翼 型于不同速度域时，能有效率地提供每一速度域所需要的升力；一下表面20，与该上表面10结合而形成此翼型的结构，并提供流体自下表面前半 部21朝其后半部22流动，同时提供船舶螺旋桨足够升力的功能者，其中，该下表面于后半 部22并延伸形成有一转折部221与一弧形部222 ；一翼型前缘30，是由该上表面10与该下表面20的前半部交接处所形成；一翼型后缘40，是由该上表面10与该下表面20的后半部交接处所形成。而该翼型结构是藉由该翼型设计方法所设计而成，请参阅第三图所示，其主要是 包含有下列步骤翼型环境建立先设定一环境参数，该环境参数是用以改变此翼型后半部下表面 20的压力分布，并是使该翼型具有适用于不同速度域且不会产生效率降低过大的功能，其 中，该环境参数其进一步是选定压力变化转折点与翼型后半部下表面2压力分布的上下限 为主要可变条件，而翼型的前半部上表面10与下表面20的压力面则依据升力系数(CL LiftCoefficient)而自动调整与媒合，而该压力变化转折点的参数是用以决定该翼型结构 的转折部221的形成，该翼型后半部下表面2压力分布的上下限其主要是决定该弧形部222 的形成；最佳化处理将用以限定翼型后半部下表面压力分布的限制条件进一步增加至已 建立的翼型环境，同时依所加入的限制条件进行最佳化处理，进而获得符合此限制条件压 力分布的翼型群组，其中，该限定条件是将升力系数设为一固定值，而进一步求取该翼型其 阻力系数的极值暨其极小值，本专利技术较佳实施例是采用拉格朗日法进行最佳化处理；流体特性分析将符合最佳化处理的翼型群组，进行不同速度域时，该翼型群组中每一翼型的流体特性分析，获得该翼型群组中每一翼型的升力系数翼型建立将经流体特性分析后的翼型群组，依其升力系数与依此环境参数所对 应的压力分布以数值分析方式，针对此翼型群组进行压力反算，获得此翼型群组中每一翼 型的翼型形状，其中，该翼型进行压力反算时，是于二维坐标系统上，采取B-SPLINE法，将 所要求取翼型的形状以B-SPLINE定义，再藉由扰动B-SPLINE的控制点而获得满足此环境 参数的压力分布的翼型的形状，进而获得所对应的翼型的形状，而该B-SPLINE所选择的控 制点4-30为主要范围，并以24个控制点为最佳，且不会产生无法收敛的现象；权重计算进行翼型建立后的翼型群组，依该翼型群组于不同的速度域时，其所产 生的升力系数、阻力系数及有无空化现象(Cavitation)发生，及该翼型群组的每一翼型于 各速度域的性能，同时再依使用比例进行加权计算，使该翼型的群组藉由该权重计算后筛 选出最佳翼型的环境参数组合，其中，最佳翼型的环境参数的数值经权重计算后，是使其于 各速度域中升力系数不低于设定的目标值，且其升力系数最接近限制条件目标值。为供进一步了解本专利技术构造特征、运用技术手段及所预期达成的功效，兹将本发 明使用方式加以叙述，相信当可由此而对本专利技术有更深入且具体的了解，如下所述请配合参阅图3及图7所示，本专利技术较佳实施例的翼型环境建立时，是使该翼型 所适用的速度域为自20节至40节为主要速度范围，同时其环境参数的升力系数(CL:Lift Coefficient)目标值设定于0. 15，并进行拉格朗日法的最佳化处理运算，进而求得最符合 的21种压力分布的翼型。请配合图4所示，将此21种翼型透过流体力学计算方法来进行流体特性分析，计 算其在船速于20节、30节与40节时，该翼型群组的升力系数值，请同时配合图5所示，该 翼型群组于流体分析后，再依其升力系数与依此环境参数所对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用多速度域的翼型设计方法，该翼型结构主要是具有一上表面与一下表面，其中，该翼型设计方法主要是包含有下列步骤：翼型环境建立：先设定一环境参数，该环境参数用以改变此翼型后半部下表面的压力分布，并使该翼型具有适用于不同速度域且不会产生效率降低过大的功能；最佳化处理：将用以限定翼型后半部下表面压力分布的限制条件进一步增加至已建立的翼型环境，同时依所加入的限制条件进行最佳化处理，进而获得符合此限制条件的翼型下表面压力分布的翼型群组；流体特性分析：将符合最佳化处理的翼型群组，再以流体力学计算方法进行不同速度域时，该翼型群组中每一翼型的流体特性分析，获得该翼型群组中每一翼型的升力系数；翼型建立：将经流体特性分析后的翼型群组，依其升力系数与依此环境参数所对应的压力分布以数值分析方式，针对此翼型群组进行压力反算，获得此翼型群组中每一翼型的翼型形状；权重计算：进行翼型建立后的翼型群组，再依此翼型于各速度域所使用比例进行权重计算，使该翼型群组藉由该权重计算后，由该翼型群组中筛选出最佳的翼型的翼型形状，及其所对应的环境参数组合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄正利，辛敬业，金尚圣，
申请(专利权)人：联合船舶设计发展中心，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]