船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法技术

船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法。该方法用１８个相关联的参数来描述和构建平进口式进水流道的三维几何结构。其中，３个参数用于构建流道二维结构的整体轮廓，１１个参数用于构建流道二维结构的局部形状，２个参数用于确定流道的进水口形状，２个参数用于确定流道的尾斜角和侧斜角。流道背部与船体的交界区以及流道的唇部等流动复杂的区域采用贝塞尔曲线构建。调整这１８个参数可灵活地控制进水流道三维几何的形状。流道几何的参数化建模与流体动力性能数值计算联合使用能够实现流体动力性能综合兼优的进水流道的快速设计。该参数化设计方法与传统的设计方法相比设计周期短、费用低、效果好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶喷水推进器平进口式进水流道的设计，能实现水动力性能优良的 进水流道的快速设计。
技术介绍
进水流道是船舶喷水推进器从船底吸水的过流通道，其水动力性能对喷水推进器 的推进性能影响十分显著。进水流道水动力性能优越与否不但影响到流道内的流动损失从 而明显影响喷水推进器对来流动能的利用以及推进系统的推进效率，也明显影响船底水流 进入喷水推进泵的通畅程度和出流的质量从而明显影响喷水推进泵的抗空化性能和振动 与噪声性能。另外，进水流道的吸水过程改变了船尾的流动特性，对船体姿态和船体阻力产 生明显影响，改变了船舶的推力减额。性能优良的进水流道要求出流尽量均勻、流道内部流动分离和空泡现象不明显、 能充分利用来流动能并使流道的流动损失最小、并且在较宽的流量和航速变化范围内都能 有效工作即适应性强。这对流道设计提出了较高的要求，需经过迭代和优化设计，通过反复 修正几何形状，不断优化流体动力性能来满足要求。对于船尾空间狭窄、尺寸限制苛刻、工 况变化范围大的喷水推进船舶，其进水流道的设计难度进一步增加。进水流道传统的设计方法一般是根据经验来构建几何结构并进行模型风洞试验 或水洞试验来检验流体动力性能。传统的设计方法周期长，费用高，对经验的依赖大，且设 计效果有限。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了克服传统的流道设计方法设计效果有限，对经验的依赖度大，设计周期长这 一不足，本专利技术介绍平进口式进水流道的一种参数化设计方法，该方法用18个相关联的参 数来描述和构建进水流道的三维几何结构，通过调整参数来调整流道结构，并运用计算流 体力学(CFD)方法来评估流道的水动力性能，能够实现快速、高效、灵活地设计出流体动力 性能综合兼优的进水流道。( 二 )技术方案本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是进水流道参数化设计包括流道几何 的参数化建模和流体动力性能数值计算与评估两个方面，遵循“几何建模-流体动力性能 分析_修改几何再分析”的迭代方式来进行，直至流道性能满足要求为止。在流道的参数化设计中，流道几何结构采用最少个数的参数来构建。各参数之间 相互关联，调整任一几何参数，其余参数随之变化，从而能实现流道结构的快速构建与调iF. ο流道几何参数化建模分两步进行。首先对流道纵中剖面的几何形状即二维形状进 行构建，这是流道几何参数化建模的基础。然后在二维建模的基础上对流道的进水口形状3进行设计，结合流道二维形状和流道进水口形状来构建进水流道的三维几何。流道二维几何形状用水平直管段、圆弧弯管段、倾斜直管段、流道与船体过渡段以 及叶轮轴五个部分组成，如图1所示。该二维形状采用14个参数来构建，如图2所示。流 道出口处的水平直管段是喷水推进泵的进流段，直径大小取决于泵的进口直径，它用于提 高泵进流的均勻度。圆弧弯管段由两段同心圆弧构成，与水平直管段相切连接，通过改变圆 弧半径和圆弧中心角来控制圆弧弯管段的弧长及弯曲程度。倾斜直管段由两段平行但长度 不等的直线段构成，两条直线段分别与圆弧弯管段的两段圆弧相切。倾斜直管段主要用于 保证流道高度或长度发生较大变化时能够通过它来平滑过渡流道形状。流道与船体的过渡 段是最复杂的区段，由斜坡和唇部两部分组成，是流道几何结构设计中的重点和难点，采用 贝塞尔曲线来构建，如图3所示。从流道的二维结构拓展到三维空间结构还需考虑进水口形状和船艉结构特点。进 水口形状采用椭圆形与矩形相结合的方式来构建，如图4所示。根据流道二维形状、进水口 形状以及船体尾部的结构，通过放样生成进水流道三维结构，如图5所示。在构建流道三维 几何时，通过调整进水口所在平面的侧斜角β和尾斜角Y来实现进水流道与船尾结构的 一致，如图6和图7所示。参数化建模得到的进水流道其流体动力性能是否满足要求采用计算流体力学 (CFD)手段来分析。根据CFD数值计算结果对流道的出口流动均勻度、流动分离程度、空化 程度、流动损失大小及适应工况变化能力等多方面性能进行综合评估。(三)有益效果本专利技术的有益效果是(1) 18个参数能全面地构建出平进口式进水流道的三维结构，既能对流道的宏观 整体轮廓进行调整，也能对流道的局部结构进行微调，能够灵活自如地调整流道结构来得 到水动力性能优异的进水流道。(2)进水流道的三维结构通过调整参数值来实现。各参数之间建立了关联，调整其 中的一个或多个参数值后其它参数值能通过参数间的关联关系自动进行调整，加快了进水 流道三维结构的建模和修改的速度。(3)流道唇部和斜坡这两处流动变化比较剧烈、容易产生空化的区域采用贝塞尔 曲线来构建，形状调节灵活，能较好地适应流动特性从而得到理想的流道结构，避免了用圆 弧法来构建时因调整灵活度不大而引起的水动力性能不佳的缺点。(4)流道三维几何的参数化建模与流体动力性能数值计算相结合可实现高质量进 水流道的快速、灵活的设计。四附图说明图1是二维流道的组成图。二维流道结构由水平直管段、圆弧弯管段、倾斜直管 段、流道与船底的过渡段以及叶轮轴这5部分组成。图2是进水流道的二维构造图。图中参数D表示流道出口直径，H表示流道高度， 代表流道出口中心线距船体尾板底部的高度，L表示流道纵向总长度,L1表示流道水平直管 段的长度，L2表示流道倾斜直管段上边沿的长度，L3表示流道倾斜直管段下边沿的长度，L4 表示唇部与尾板之间的距离，R表示流道圆弧弯管段中心圆弧的半径，α表示流道的倾斜角，d表示叶轮轴的直径，C1和C2是控制流道斜坡贝塞尔曲线形状的两个控制参数，C3和C4 是控制流道唇部贝塞尔曲线形状的两个控制参数。图3是斜坡和唇部贝塞尔曲线原理图。图中P1点是与流道倾斜直管段的连接点， 作为贝塞尔曲线的起点。&点是曲线与船底的交点，作为贝塞尔曲线的终点。P2和P3点是 调整曲线形状的控制点，P0是辅助点。图4是进水流道在船底处的进水口形状。图中的箭头表示船底来流的速度方向。 进水口宽度用参数W来控制，椭圆形长轴直径采用参数L5来控制。进水口长度L6之值等于 图2中流道总长度L与流道唇部距尾板距离L4之差。图5是参数化建模方法构建的进水流道的三维结构示意图。图6是进水流道进水口处的侧向斜升角β的示意图。图7是进水流道进水口处的尾部抬升角Y的示意图。五具体实施例方式(一 )进水流道二维结构的构建进水流道的二维几何模型采用14个参数进行描述与构建，如图3所示。流道的形 状通过调整这些控制参数的值来实现。流道的宏观轮廓采用流道出口直径D、流道高度H和流道纵向总长度L这三个参数 来描述和构建。流道出口直径大小通过调整参数D的值来控制，流道高度通过调整参数H 值控制，流道纵向总长度通过调整L值控制。这3个参数的值直接决定了流道占船艉的空 间位置，一般需结合船尾空间尺寸的允许条件来给出。流道的局部结构通过控制其它11个参数的大小来实现。其中，L1用于控制水平直 管段的长度，L2控制倾斜直管段上边沿的长度，L3控制倾斜直管段下边沿的长度，L4控制唇 部离尾板的距离，R控制圆弧弯管段中心圆弧的半径，α控制流道的倾斜角，d控制叶轮轴 的直径。C1和C2是控制流道斜坡贝塞尔曲线形状的两个控制参数，C3和C4是控制流道唇 部贝塞尔曲线形状的两个控制参数。通过控制这11个参数值，可实现进水流道局部结构的 灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法，用１８个参数来描述和构建进水流道的三维几何，通过改变参数值来调整进水流道的几何形状，并运用计算流体力学方法来评估流道的水动力性能来实现快速、灵活地设计性能优异的进水流道，其特征是：用３个参数来构建流道二维形状的整体轮廓，用１１个参数来构建流道二维形状的细节结构，用２个参数来构建进水口形状，用２个参数来实现流道与船体的匹配，并结合进水口形状和二维形状通过放样生成进水流道的三维结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁江明，王永生，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：83