CN101901285A - 船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法

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。

(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。P₄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γ的示意图。

五、具体实施方式

(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控制。

贝赛尔曲线构建和调整斜坡以及唇部几何结构的原理如图3所示。图中，贝塞尔曲线通过P₁(x₁，y₁)、P₂(x₂，y₂)、P₃(x₃，y₃)和P₄(x₄，y₄)四个点构建。其中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。P₄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。贝塞尔曲线(图中的实线)上任意点的坐标用贝赛尔曲线参数方程来确定：

$\left\{\begin{array}{c}x={(1-t)}^3{x}_4+3t{(1-t)}^2{x}_3+{3t}^2(1-t)x_2+t^3{x}_1\\ y={(1-t)}^3{y}_4+3t{(1-t)}^2{y}_3+{3t}^2(1-t)y_2+t^3{y}_1\end{array}\right.,(0\≤t\≤1)$

式中，参数t决定了贝塞尔曲线点的位置，起点P₁处t等于1，终点P₄处t等于0。

控制点P₂和P₃的坐标通过创建辅助点P₀来求取。在流道倾斜直管段P₁点处作切线，并在流道与船底的交点P₄处作船体曲线的切线，将这两条切线的交点作为辅助点P₀。将控制点P₂定位在直线

上，将控制点P₃定位在直线

上，并通过控制参数C₁来调整P₂点在直线

上的相对位置，通过控制参数C₂来调整P₃点在直线

上的相对位置。参数C₁和C₂分别定义为：

$C_1=\frac{\stackrel{\‾}{P_1{P}_2}}{\stackrel{\‾}{P_1{P}_0}},$ $C_2=\frac{\stackrel{\‾}{P_4{P}_3}}{\stackrel{\‾}{P_4{P}_0}}$

式中，

指P₁点与P₀点之间的距离，其它符号含义类似。

C₁和C₂的取值范围在[0，1]之间。在[0，1]范围内调整C₁和C₂的大小可进行两个控制点P₂和P₃位置的控制，从而实现贝塞尔曲线形状的调整。用贝塞尔曲线来构建斜坡几何结构，只要在[0，1]之间调整C₁和C₂这两个控制参数的取值即可灵活快捷地得到各种不同的形状。

采用以上14个参数，既可运用计算机图形学原理编写程序来生成进水流道的二维结构，也可借助商用CAD程序来构建。采用后者比较方便、快捷。

所生成的进水流道的各个部分之间通过相切关系进行约束，唇部和斜坡与船底曲线之间也采用相切关联。在这些约束条件的作用下，调整其中的一个参数或多个参数的值后，流道各个组成部分的形状和相对位置能够自动进行调整。因此，借助参数间的关联约束功能，无需再人工调整，通过调整流道的参数值既可快速地修改流道的几何形状。

(二)进水流道三维结构的构建

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。

进水口形状综合了椭圆形和长方形两种形状，如图4所示。图中箭头方向代表从船艏向船尾的来流速度方向。进水口的前半部分呈矩形，后半部分呈半椭圆形。流道的宽度用参数W来控制，W取为流道出口直径D的1.1～1.2倍。L₆表示流道进水口纵向长度，该参数为从动参数，其大小等于流道总长度L与唇部距尾板的距离L₄之差。L₅表示椭圆形的长轴半径。进水口形状通过调整参数W和L₅的值来调整。

进水流道的三维结构依据流道的二维结构和进水口形状通过放样来构建。生成的三维进水流道形状如图5所示。

进水口的形状与船尾底部形状相一致。当进水口所在船底存在侧向斜升角β和尾部抬升角γ时，首先创建一个与水平面之间侧斜角为β、尾斜角为γ的平面，然后再在该倾斜的平面上来构建进水口的形状。将这一倾斜的进水口用于构建三维流道。进水口带侧向斜升角的进水流道如图6所示。进水口带尾部抬升角γ的进水流道如图7所示。通过调整侧向斜升角β和尾部抬升角γ的值来实现流道进水口与船尾结构的匹配。

(三)进水流道流体动力性能的分析与评估

参数化建模得到的进水流道三维结构其流体动力性能采用计算流体力学(CFD)方法来求取，并根据CFD数值计算结果可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分析与评估。

当分析结果认为流体动力性能不满足要求时，根据分析结果重新调整进水流道的参数得到修改后的结构，然后再进行CFD分析与评估。这种参数化的几何建模过程与流体动力性能CFD计算配合起来循环运用，即可高效地设计出水动力性能优良的进水流道。

Claims (3)

1.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。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是：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，用水平直管段来提高泵进流的均匀度，用倾斜直管段来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，流道与船体的过渡段采用四控制点贝塞尔曲线来构建。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是：流道二维形状的整体轮廓采用流道出口直径、流道高度和流道纵向总长度这三个参数来描述和构建，流道二维形状的局部结构采用水平直管段长度、倾斜直管段上边沿长度、倾斜直管段下边沿长度、唇部离尾板的距离、圆弧弯管段中心圆弧的半径、流道倾斜角、叶轮轴直径、以及流道斜坡贝塞尔曲线和流道唇部贝塞尔曲线的四个控制参数等11个参数来描述和构建。

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