推进器是潜艇的主要振动源和辐射噪声源,其性能直接关系到潜艇的作战性能。潜艇推进器设计是一个复杂的过程,涉及很多推进器几何参数和设计目标。本文基于面元法和优化算法开展了潜艇推进器水动力性能优化设计方法研究。全文的主要工作从螺旋桨剖面二维设计开始,开展了潜艇实效伴流场和螺旋桨线谱噪声预报和研究,然后将剖面设计方法和实效伴流场应用到潜艇七叶侧斜螺旋桨的优化设计方法研究中,最后对潜艇泵喷推进器的转子进行了优化设计。全文的主要内容和结论如下:(1)基于Newton-Raphson迭代法和升力分布开展了螺旋桨叶剖面二维设计方法研究,包括无厚度拱线设计和有厚度剖面设计。提出了以升力分布为目标的设计思路和一种参数化的升力分布形式,建立了基于Newton-Raphson迭代的逆问题求解方法,该方法能够快速精确地设计指定升力分布的拱线或者剖面。在拱线设计中,本文设计了SJ系列拱线供螺旋桨设计参考;在剖面设计中,本文引入PARSEC多项式对剖面厚度分布进行参数化表达。剖面设计与性能计算结果表明:通过改变升力分布形式可对叶剖面空泡斗的位置进行调整,即可调整剖面的叶背或面空泡裕度。剖面的参数化表达方法和二维设计结果在后续螺旋桨优化设计中得到了应用。(2)建立了面元法与RANS模拟相结合的潜艇实效伴流场预报方法。采用RANS方法求解有/无桨叶体积力作用时的艇体阻力与流场,采用非定常面元法计算伴流场中的螺旋桨水动力性能。艇后桨采用体积力模型代替,体积力作用区域为桨叶轮廓绕桨轴线旋转形成的轴对称几何体,体积力分布通过面元法计算得到。采用径向基函数插值方法将面元法计算的力场映射到体积力作用区域,提出了等效平面的概念对力场进行精确快速插值。通过迭代计算满足模型(或实艇)自航条件,从而确定实效伴流场。将螺旋桨在实效伴流场中的非定常压力分布作为输入,并采用Farassat 1A公式对螺旋桨的线谱噪声进行数值预报和分析。以配置七叶侧斜桨的SUBOFF潜艇为对象,首先比较了标称伴流场和实效伴流场中螺旋桨线谱噪声的差异,然后研究了侧斜和纵倾分布对螺旋桨线谱噪声的影响。结果表明:在相同观测点,实效伴流中的叶频声压级最大值比标称伴流中低3分贝;增大侧斜有利于降低实效伴流中螺旋桨的叶频声压级和声功率。(3)基于面元法和多目标优化算法,建立了七叶侧斜桨敞水性能优化设计方法。对螺旋桨弦长分布提出了一种多项式来参数化表达,螺距、拱度和侧斜分布均采用B样条曲线来表达。叶剖面的厚度分布采用PARSEC多项式表达,拱线采用本文发展的SJ系列拱线表达。首先通过实验设计分析了设计变量和目标之间的相关度,并根据相关度结果减少设计变量并确定设计变量的变化范围。然后采用非支配排序微分进化算法对螺旋桨的敞水效率和叶梢压力进行多目标优化设计。最后通过RANS计算对优化设计结果进行校核。设计算例表明,该优化设计方法能够提高螺旋桨的敞水效率,同时降低叶梢负压峰值。敞水螺旋桨的优化设计研究工作确立了本文螺旋桨几何参数化表达方法和优化设计流程。(4)开展了七叶侧斜桨在实效伴流场中的水动力性能优化设计研究。其中,螺旋桨几何参数化方法、多目标优化算法与敞水螺旋桨优化设计相同。首先以螺旋桨的效率和推力脉动量为目标进行了全桨几何优化设计,得到了优化桨GO18。然后以声功率为目标对GO18螺旋桨的叶梢局部几何进行了优化设计,得到了局部优化桨LO343。两个优化桨的盘面比均小于原桨,螺距分布、0.55R~0.95R之间的拱度分布、侧斜分布均比原桨大。最后通过空泡水筒模型试验对原桨和LO343桨进行了对比验证,试验结果表明优化桨LO343在均流中的效率比原桨高1.3%,叶背空泡和梢涡空泡初生线比原桨低25%左右。有空泡时,优化桨在以1260Hz为中心的1/3倍频程带宽内的声压级比原桨高约3分贝,无空泡时该频段内噪声水平与原桨相当。在无空泡状态下,原桨在试验中出现了唱音,而优化桨没有出现。优化桨无论是效率、叶背和梢涡空泡初生还是辐射噪声特性,均比原桨更优。(5)应用本文建立的方法对艇后泵喷推进器转子优化设计开展了探索研究。在研究中将推进器定子和导管作为潜艇附体处理,对转子进行了水动力性能优化设计。首先采用粘势结合方法预报了转子盘面实效伴流场,然后对伴流场中的转子进行了优化设计。在实效伴流场预报中,艇体、定子和导管采用RANS方法求解,转子采用非定常面元法求解。势流、粘流力场的映射仍然采用径向基函数插值方法实现。通过迭代计算满足自航条件,从而确定实效伴流场。计算结果表明:该方法给出的实效伴流场能够反映定子尾涡涡系的影响,与标称伴流场有非常明显的区别。在转子的优化设计中,弦长、螺距、拱度和侧斜分布的参数化表达方式与七叶桨全桨优化相同。采用多目标进化算法对转子的效率和推力脉动量进行了优化,并采用RANS方法对原转子及优化转子进行了计算比较。结果表明,优化转子效率比原转子高约3.4%,叶表面压力分布比原转子更均匀。