臺灣博碩士論文加值系統

超空泡減阻技術為一種可實現水下潛體高速航行的新理論與新途徑；其減阻的原理，係利用超空泡完整包覆水下航行體，使流體與航行體表面分離，進而大幅降低水下潛體的黏性阻力。超空泡形態受超空泡激化器影響甚鉅，探討空化器參數對超空泡影響的研究成果也頗為豐碩，但多數係以改變各個參數來加以探討研究，以系統化之概念來整合影響參數，進行分析設計卻鮮少見到；故本文利用商業CFD軟體Fluent 6.2內建之多相流模型，以及Singhal空化模型求解均質超空泡流場RANS方程式，針對錐頭、圓頭以及平頭超空泡激化器進行穩態軸對稱性自然超空化現象數值模擬；接著藉由穩健參數設計求取目標為超空泡形態(超空泡長度、超空泡直徑、阻力係數)之空泡激化器最佳參數水準組合，並且將操作環境對超空泡形態的影響也納入考量。同時，為了補足穩健參數設計只能挑選由吾人所給定的離散水準之不足，故輔以智慧型參數設計，以求得其最佳參數值。最後以品質損失函數對各最佳化參數組合進行評估比較；模擬結果顯示，使用超空泡減阻技術可使水下航行體減阻效率達93%以上。比較智慧型參數設計以及穩健參數設計的結果，主成份分析結果較田口法分析結果之品質損失減少百分率可提高37.91%，而智慧型參數設計結果較田口法分析結果之品質損失減少百分率更可提高達61.42%。

The drag reduction for supercavitation is a new theory and approach that can conduct high-speed navigation of underwater vehicles. This mechanism of drag reduction is to generate a supercavity that can envelop the underwater vehicles, which would result in isolating the submerged body from water to avoid considerable frictional drag. A supercavity is influenced significantly by cavitator, many researches investigating the parametric effects of cavitator on supercavity have been proposed. However, most of these researches just paid attention on the effects of individual parameter; the assessments by using a systematized concept to integrate parameters are few. In this research, the software of computational fluid dynamics, Fluent 6.2, was used to simulate this study that is the steady, axis-symmetry natural supercavitation generated by cavitators with the types of cone, ellipse and trapezoid. The mixture multiphase model and the Singhal’s cavitation model were adopted to solve the RANS equation for the homogeneous supercavitation flow. The intelligent parameter design was implemented to obtain the best combination of multiquality characteristics that include length of supercavity, diameter of supercavity, and drag coefficient. In this work, we also used reduction percentage of quality loss (RPQL) to compare each optimum result. The effects of operating and environment factors were also taken into consideration. The results of simulation show that the underwater vehicle using supercavitation technology can obtain over 93% of drag reduction. Comparing the result by intelligent parametric design with the one by robust parametric design, the Principal Component Analysis’s reduction percentage of quality loss is 37.91% more than RPQL of Taguchi, for the intelligent parametric design, its reduction percentage of quality loss even increases up to 61.42%.

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
符號說明 xiv
1. 緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 文獻回顧 4
1.2.1 超空泡減阻技術 4
1.2.2 穩健參數設計 6
1.2.3 數值流場模擬 7
1.3 研究目的與本文架構 10
2.穩健參數設計 11
2.1 問題定義 11
2.2 田口法 12
2.2.1 直交表與點線圖 13
2.2.2 品質特性的選定 14
2.3 實驗數據分析 16
2.3.1 因子水準反應表 16
2.3.2變異數分析 17
2.4 多品質特性問題最佳化 20
2.4.1主成份分析法 20
2.4.2品質損失減少百分率 22
3. 智慧型參數設計 24
3.1 類神經網路 24
3.1.1 類神經網路特性 26
3.1.2 類神經網路架構分類 28
3.2 倒傳遞網路 30
3.2.1 倒傳遞網路架構 31
3.2.2 倒傳遞網路的運作 33
3.2.3 倒傳遞網路訓練流程 33
3.3基因演算法 34
4.數值方法與分析 39
4.1 問題描述 39
4.2 基本假設 40
4.3 數值方法 41
4.3.1統御方程式 43
4.3.2 PISO演算法 44
4.4 紊流模型 48
4.4.1紊流模型之分類 48
4.4.2標準k-ε模型 52
4.5 多相流模型(Multi-Phase Model) 53
4.5.1多相流模型的選擇 54
4.5.2 Mixture模型概述及數學模式 55
4.6 空化模型 58
4.7 邊界條件 59
4.8 網格測試 61
4.9 直交表實驗條件規劃 66
5. 結果與討論 75
5.1超空化之減阻特性 75
5.2穩健參數設計 76
5.2.1田口法 76
5.2.2主成份分析 90
5.3智慧型參數設計 102
5.4品質損失減少百分率 117
6. 結論 118
7. 未來展望 119
參考文獻 120
附錄 126
附錄A 快速機載滅雷系統 126
附錄B 適形高速水下快砲 129
附錄C 數值驗證 130
自傳 132

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