[发明专利]船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法

说明书

一、所属技术领域

本发明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。

二、背景技术

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匀、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。

三、发明内容

(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，本发明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

本发明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整。

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匀度。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γ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匀度、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

本发明的有益效果是：

(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。