[发明专利]一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法

权利要求书

1.一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：喷水推进器模型包括进水流道、叶轮、导叶和喷口，还包括车底水域；根据流量、扬程参数生成喷水推进泵的叶轮和导叶模型，用三维建模软件生成喷水推进器进水流道、喷口和车底水域模型，最终实现喷水推进器模型的建立；

步骤二：将步骤一的喷水推进器进水流道、喷口和车底水域模型进行结构化网格划分，划分网格是为了离散流动的区域，将步骤一得到的喷水推进泵的叶轮和导叶模型导入涡轮叶栅通道网格划分软件完成对叶轮和导叶区域的结构化网格划分，最终实现喷水推进器模型网格划分；

步骤三：在步骤一和二的喷水推进器模型和网格中，建立计算流体力学模型如下：

式中，ρ为密度；t为时间；i、j＝1、2、3；u_i、u_j为速度分量；x_i、x_j为坐标分量；p为压力；μ_l、μ_t分别为层流粘性系数和湍流粘性系数；

步骤四：剪切应力传输SSTk-ω湍流模型(k为湍动能，ω为湍流频率)集合k-ε模型(ε为湍动能耗散)和k-ω模型的优点，在近壁区域采用k-ω模型，湍流耗散率小，收敛性好；在湍流充分发展区域采用k-ε模型，计算效率高，对复杂流场的适应性更好；湍动能k方程和湍流频率ω方程分别为：

式中，P_k为湍流生成项；D_k为湍流耗散项；σ_k、σ_ω2分别为湍动能和湍流频率的普朗特数；F₁为混合函数；S为剪切应变率；C_ω、β_ω为常数，β_ω＝0.075；

喷水推进器是旋转叶轮机械，由于叶轮的高速旋转，导致推进器内部具有强烈的旋转曲率效应，为了更好的预测喷水推进器内部的流动现象，在SSTk-ω湍流模型的基础上进行旋转曲率修正，得到SST-CC湍流模型，表达式如下：

P′_k＝P_kf_r (7)

S²＝2S_ijS_ij (15)

Ω²＝2Ω_ijΩ_ij (16)

D²＝max(S²,0.09ω²) (17)

式中，P_k'为修正的湍流生成项；f_r为湍流生成项动态修正系数，取值范围为0～1.25；为原始动态修正系数；f_rotation为旋转强度函数；C_r1、C_r2和C_r3为模型常数，分别取值为1.0、2.0和1.0；C_scale为尺度经验系数，取值为1；S_ij和Ω_ij分别为形变速率和旋转速率；r^*为形变速率和旋转速率的比值；为系统坐标系旋转速率，在无旋系统时为0；DS_ij/Dt为形变速率张量的拉格朗日导数；

步骤五：采用Zwart空化模型，对喷水推进器内部空化进行预测，蒸发项凝结项分别为：

式中，p_v为饱和蒸气压，取值为3169Pa；R_B为空泡直径，取值为1×10^-6m；α_nuc为空化核子体积分数，取值为5×10^-4；C_dest和C_prod分别为蒸发系数和凝结系数，分别取50和0.01；

步骤六：自吸过程中存在气、液两相，采用自由液面模型方法对气-液交界面进行捕捉，对气-液交界面进行追踪得到自由液面变形；

步骤七：在计算流体力学软件中，设置物质属性为液态水、水蒸气和空气三相为计算介质；相间相互作用空气与液态水之间设置为自由表面模型，液态水和水蒸气之间设置为空化模型，空气与水蒸气之间无相互作用；车底水域来流面边界条件设置为速度入口，车底水域出流面设置为压力出口，车底水域的侧面和底面设置为开放入口，车底水域顶面设置为无滑移壁面，喷口出口设置为压力出口，泵轴、叶轮表面和导叶表面设置为无滑移壁面，进水流道和叶轮域、叶轮域与导叶域之间设置为动-静交界面；

通过表达式建立叶轮区域转速随着时间的变化规律，转速线性增加至额定转速，具体表达式如下：

式中，t为时间，T_start为启动时间；n为转速；

水线高度以泵轴中心线为零基准线，通过表达式定义水线高度，初始时刻水线以上为空气，以下为液态水；实时监测喷水推进器的流量、扬程、扭矩、功率、效率、轴向力和推力参数随时间的变化趋势；

步骤八：通过步骤一到步骤七的设置，在步骤三计算流体力学模型基础上加上步骤四SST-CC湍流模型、步骤五Zwart空化模型及步骤六自由液面模型，进行气、汽和液三相非定常流场数值计算，读取流场的压力、速度、涡量、气-汽-液体积分数云图，提取流量、扬程、功率、效率、轴向力、推力参数随时间的变化趋势；

步骤九：修改水线高度或者启动时间，重复步骤七至步骤八，得出不同水线高度或者不同启动时间条件下喷水推进器流场信息以及各个参数的变化趋势，并确定喷水推进器正常启动的最低水线高度。