CN112836443B - 一种极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道及其设计方法 - Google Patents

一种极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道几何及其设计方法，包括流道几何由流道出口圆、轴面投影曲线和进口截面曲线在三维CAD软件中曲面放样得到。所述流道出口圆直径等于泵进口直径；所述轴面投影曲线由流道倾角、径向安装高度和弯管段上壁面圆弧半径三个几何参数控制；所述进口截面曲线是方形与半椭圆形组合曲线，由流道出口直径和流道倾角控制；所述轴面投影曲线的上壁面包括弯管段、过渡段和背部圆弧段，下壁面包括弯管段和唇部圆弧部，取消中高航速流道的斜直管段，具有径向最矮、轴向最短的几何外形特征。所设计进水流道设计航速12节，流道倾角25度，流道出口直径1米、径向安装高度0.7米、弯管段上壁面半径2.42米、轴向总长4.18米，流道出口的速度不均匀度系数0.137，无流动分离和空化产生，与泵匹配后总推进效率不低于0.5，实现了极低航速流道在最矮、最短条件下的参数化设计。设计方法适用于典型艉板式喷泵、浸没式喷泵以及内置式泵喷推进系统，推广应用后可有效促进泵推进系统在特种推进平台上的工程应用。

Description

一种极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道及其设计方法
技术领域
本发明涉及船舶推进器技术领域，特别是涉及设计航速低、安装空间严格限制的泵推进系统，包括艉板式喷泵推进系统和内置式泵喷推进系统。
背景技术
21世纪西方海军强国的主战舰艇滨海战斗舰(LCS)采用喷水推进器(Waterjet，简称喷泵)、“弗吉尼亚”级和“机敏”级核潜艇采用泵喷推进器(Pumpjet，简称泵喷)，标志着以喷泵和泵喷为主的泵推进系统在舰艇高性能推进器应用方面走上了快车道。从结构布局上来看，喷泵多应用于水面舰艇，常见的有艉板式喷泵和浸没式喷泵两类，差异是前者水面喷射而后者水下喷射；泵喷多应用于水下潜器，可行结构包括外置式和内置式两大类，差异在于前者自然进流，类同于艇尾螺旋桨，后者需要加装进水流道辅助进流，类同于喷泵。驱护舰喷泵的设计航速通常高于30节，如LCS甚至高于40节，核潜艇泵喷的设计航速通常高于25节，如海狼级潜艇甚至高于30节，均有效体现了泵推进系统高速高效、抗空化的技术特征。典型艉板式喷泵、浸没式喷泵以及内置式泵喷，都包括进水流道部件，统称为带进水流道的泵推进系统，推进效率由泵效率和进水流道效率两者共同决定。现有泵推进系统的高速应用需求，极大促进了高速进水流道的匹配设计和工程应用。然而，低速进水流道当前却少有所见。国际知名推进器厂商KaMeWa公司曾经建议：设计航速低于25节的水面船舶，应优先采用螺旋桨推进，而不是喷泵推进，一个重要的原因就在于低速进水流道的设计难度较大，与泵配合后可能无法发挥出喷泵系统高效、抗空化的技术优势，而且，静止状态下流道内填充水还会显著增加船尾重量，对配重不利。那么，是否就意味着设计航速低于20节，甚至是低于15节的极低航速需求来说，泵推进系统无法实现，或者说其工程应用价值难以体现？
当前，随着泵叶片设计技术的快速进步以及对辐射噪声控制的日益重视，特种推进平台，如两栖装甲车、水下无人潜器、水面无人艇等，对泵推进系统的应用需求日益突显，其设计航速通常低于15节，属于极低航速应用范围。不仅如此，因受限于吨位和续航力要求，特种推进平台留给推进系统的布置空间极其有限，使得泵推系统的轻量化和小型化设计，变得与推进性能同等重要，甚至成为了泵推系统能否走向工程应用的关键性约束之一。如果直接借鉴应用当前国际市场上常见的KaMeWa公司或者是MJP公司的中高速流道，狭小的轴向和垂向安装空间约束，极有可能直接将泵推系统方案拒之门外。极低航速、紧凑式进水流道设计自然就成为了泵推进系统特种平台应用的核心技术之一。
在中国专利网中分别以“进水流道”、“进流管道”、“喷水推进进水流道”为关键词进行检索，相关专利主要集中于民用水利工程泵站技术领域，如发明专利“一种水力性能优异的前置竖井式贯流泵进水流道及其应用方法(CN 104294883 A)”、“一种水力性能优异的钟形进水流道及其应用方法(CN 104373387 A)”、“水力性能优异的系列斜式进水流道及其应用方法(CN 104595238 A)”、“一种水力性能优异的簸箕形进水流道及其应用方法(CN104895145 A)”、“一种钟形进水流道的设计方法(CN 105275885 A)”、“高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法(CN 105574288 A)”、“一种水力性能优异的灯泡体前置式贯流泵装置进水流道及应用方法(CN 105715586 A)”、“一种水力性能优异的后置型卧式泵装置进水流道及应用方法(CN 105465045 A)”、“一种泵站用的肘形进水流道的设计方法(CN 106870462 A)”、“一种泵站用的斜式进水流道的设计方法(CN 106886646 A)”等，无法应用于船舶推进系统。真正与泵推进系统相关的仅有两项，甚至还包括已经撤回、视为无效的一项，分别为发明专利“一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵(CN110594199 A,2019.12.20)”和“船舶喷水推进器进水流道的一种参数化设计方法(CN101901285 A,已撤回)”。其中，变截面进水管道式进水流道在结构布置上类似于潜器的内置式泵喷系统，而且是6分支进水流道共同为一个喷泵提供进流。该专利并未阐述该类型进水流道的设计方法，也没有给出航速适用范围，更不适合用于无人水面艇和两栖车等特种平台。另一项专利描述了喷泵进水流道由18个几何参数进行控制，流道壁面包括水平直管段、弯管段、斜直管段、背部和唇部区域，设计案例在几何外形上十分类似于KaMeWa公司和MJP公司的中高速流道。尽管该专利已撤回无效，但其几何参数化设计的思路还是值得借鉴的，能够有效缩短设计周期。只是由于其控制参数的数量过多，而且相互之间的约束关系不明显，使得可实践性不强，面对全新推进平台设计时还是只能依赖于试凑性设计，收效有限。
此外，在世界专利网中以“waterjet inlet duct”和“waterjet propulsionintake”为关键词进行检索，可见部分与喷泵推进系统直接相关的专利，主要包括美国发明专利“喷水推进船管道系统(Duct systems for waterjet propulsion boats,US4276035,1981.6.30)”、“喷水推进船喷泵系统(Jet pump system for a waterjet propelledboat,US5324216,1994.6.28)”、“一种与船体集成化设计的平进口式喷泵推进系统(Designof a flush inlet as integrated with ship hull for waterjet propulsion,US7798873B1,2010.9.21)”、“一种船舶紧凑式喷泵推进系统(Compact waterjetpropulsion system for a marine vehicle,US5476401,1995.12.19)”、“一种水面船浸没式喷泵推进系统(Surface vessel with a fully submerged waterjet propulsionsystem,US6071156,2000.6.6)”以及“带简易进水流道的喷水推进船(Waterjet propelledmarine vessel with simplified intake duct,US2006/0073746A1,2006.9.6)”。其中，命名以及流道几何的外形与本发明较为接近的是后三项，具体包括：紧凑式喷泵系统专利中明确提出，常见进水流道结构主要适要于中高航速，紧凑型设计时必须将流道变短、变陡；浸没式喷泵系统专利中阐述，最小化进水流道的垂向安装高度，不仅有利于减小流道中能量损失，而且利于提升泵的抗空化性能；简易进水流道专利中，喷泵仍采用艉板式安装结构，进水流道实现模块化法兰安装。上述结论和措施对本发明极低航速、紧凑式进水流道设计有一定的启发作用，但上述发明中都没有给出流道几何参数及其设计过程，无法再现，也无法判断能否用于极低航速推进需求。
从上述研究背景和应用现状可以看出，针对极低航速和狭小安装空间限制的特种推进平台应用需求，本发明引入极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道的设计方法，助力于泵推进技术在极低航速特种推进平台上的应用，是原有喷泵系统中高航速船舶推进的直接拓展，具有开创性，可以有效填补国内该应用领域的缺项，促进特种平台泵推进系统的自主研发和推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了将泵推进技术从常规中高航速舰艇推进拓展到极低航速特种平台推进，在实现进水流道几何最少化控制参数设计的基础上，使流道径向最矮、轴向最短，并且满足无流动分离、无空化产生、出流速度不均匀度尽可能小的流体动力性能特征，适应极低航速、安装空间极其狭小的泵推进应用需求，维持泵推进系统效率适中、辐射噪声低的性能优势。
为达到上述目的，本发明设计的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道，其特征在于：流道三维几何由流道出口圆、流道轴面投影曲线和流道进口截面曲线在三维CAD软件中通过曲面放样得到。所述流道出口圆的直径归一化为1米；所述流道轴面投影曲线由流道倾角、径向安装高度和弯管段上壁面半径三个几何参数控制实现；所述流道进口截面曲线是方形与半椭圆形组合而成的曲线，同时受流道出口直径和流道倾角控制；所述流道轴面投影曲线中上壁面包括弯管段、过渡段和背部，下壁面包括弯管段和唇部，取消了中高航速流道的斜直管段。具有径向最矮、轴向最短的几何外形特征，满足无流动分离、无空化产生、出流速度不均匀度系数尽可能小的性能要求，适应极低航速、安装空间严格限制的特种推进平台应用需求。
所述流道轴面投影曲线的径向安装高度与流道出口直径的比值不大于0.75，流道倾角不大于30度，弯管段上壁面半径与流道出口直径的比值不大于3，流道轴向总长与流道出口直径的比值不大于5.5。
优选的，所述流道轴面投影曲线中径向安装高度与流道出口直径的比值范围是0.6～0.75，首选0.68～0.7。径向安装高度越小，流道轴向总长越短。
优选的，所述流道轴面投影曲线中流道倾角范围是20°～30°，首选20°～26°。流道倾角越大，流道轴向总长越短，流道适应的设计航速越低。
优选的，所述流道轴面投影曲线中弯管段上壁面半径与流道出口直径的比值位于2～3之间，首选2.4～2.7。弯管段上壁面半径越小，流道轴向总长越短。
优选的，所述流道轴面投影曲线中下壁面弯管段半径加上流道出口直径等于上壁面弯管段半径；下壁面唇部半径与流道出口直径的比值范围为3％～4％，首选3.3％。
优选的，所述流道进口截面曲线为平进口式流道进口，与所述流道轴面投影曲线中轴线的水平端点位于同一水平面。流道进口截面曲线中半椭圆的中心位于流道轴面投影曲线中轴线的水平端点，椭圆短半轴为流道出口半径。
本发明设计的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道设计方法，包括以下步骤：
一)根据径向安装空间尺寸限制，确定流道轴面投影曲线的径向安装高度与流道出口直径的比值。流道出口直径等于已确定的泵进口直径；
二)根据轴向安装空间尺寸限制和设计航速需求，选定流道倾角初值，选定上壁面弯管段半径；
三)计算下壁面弯管段半径，选定下壁面唇部的圆弧半径与流道出口直径的比值；
四)计算上壁面背部的圆弧半径，确定流道进口的水平切点，画上壁面过渡段直线。过渡段直线同时与上壁面弯管段圆弧和背部圆弧相切。读取流道轴向总长，若超出安装空间限制，则回到步骤二)增加流道倾角，若否，则确定流道轴面投影曲线，进行下一步；
五)确定流道轴面投影曲线中轴线的水平端点，画流道进口截面曲线的上游半椭圆和下游方形，确定流道进口截面曲线。中轴线的水平端点既是半椭圆中心，也是方形与半椭圆线之间的交界线所在轴向位置；
六)根据流道出口圆、流道轴面投影曲线和流道进口截面曲线，在三维CAD软件中采用曲面放样功能得到进水流道的三维几何。
七)采用计算流体动力学方法(CFD)数值计算进水流道在设计航速下的水动力性能，察看是否存在流动分离现象、是否存在低于汽化压力的局部低压区，求取流道出口速度的不均匀度系数，均满足设计要求时确定流道几何。若存在明显流动分离，则回到步骤二)修改流道倾角；若无流动分离但存在局部低压区，则首先判断是否允许增加工作水深，若是，可进一步评估流道出口的不均匀度系数，当不均匀度系数小于0.25时，认为流道设计合格，否则，回到步骤二)小量减小流道倾角；若不允许增加水深，则根据壁面压力分布，回到步骤四)小量修改背部圆弧半径，重新确定流道轴面投影曲线；
八)将流道几何与泵几何匹配构成泵推进系统，再次采用CFD计算评估泵推进系统的总推进效率，满足设计指标时，确定极低航速、紧凑式泵推进系统的进水流道几何模型；若推进效率偏低，可适当增加泵直径、成比例放大进水流道几何，最后进行系统性能评估。
优选的，所述步骤一)中径向安装高度与流道出口直径的比值范围是0.6～0.75，首选0.68～0.7。
优选的，所述步骤二)中流道倾角范围是20°～30°，首选20°～26°。
优选的，所述步骤二)中弯管段上壁面半径与流道出口直径的比值位于2至3之间，首选2.4～2.7。
优选的，所述步骤三)中下壁面唇部半径与流道出口直径的比值范围为3％～4％，首选3.3％。
优选的，所述步骤六)中三维CAD软件包括Solidworks,UG,Pro/E,CATIA等，首选UG和CATIA软件，具有强大的曲面造型功能和建模精度。
优选的，所述步骤七)中CFD计算时包括几何建模、网格划分、数值建模、迭代求解、结果后处理五大步骤，网格划分时优先采用全结构化网格离散，数值建模时湍流项至少采用二阶精度格式，湍流模型优先采用剪切应力输运SST模型，迭代求解时收敛标准为压力和速度项残差至少下降3个量级，结果后处理包括管道内流体的速度流线、管道壁面压力分布和流道出口的轴向速度分布。
本发明的有益效果是：本发明在当前中高航速泵推进应用的基础上，采用3个几何控制参数实现进水流道的参数化设计，满足流道径向最矮、轴向最短，且无流动分离、无空化产生、出流速度不均匀度系数尽可能小的设计要求，能够维持泵推进系统效率适中、辐射噪声低的性能优势，使得极低航速、安装空间严格限制的特种推进平台泵推进系统应用变为可行。所设计进水流道设计航速12节，流道倾角25度，流道出口直径1米、径向安装高度0.7米、弯管段上壁面半径2.42米、轴向总长4.18米，流道出口的速度不均匀度系数0.137，无流动分离和空化产生，与泵匹配后总推进效率不低于0.5，实现了极低航速流道最矮、最短条件下的参数化设计。该设计方法适用于典型艉板式喷泵、浸没式喷泵以及内置式泵喷推进系统，包括有轴驱动和无轴驱动两大类，扩展后同样适用于中高航速泵推进系统的进水流道设计，该技术措施推广应用后可有效促进泵推进系统在特种推进平台上的工程应用。
附图说明
图1是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道与泵匹配后的三维几何形状；
图2是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道位于径向和轴向空间尺寸限制下的轴面投影曲线；
图3是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道的轴面投影曲线的控制参数；
图4是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道的进口截面曲线；
图5是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道在设计航速12节时的速度流线分布；
图6是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道出口截面的轴向速度分布云图；
图7是本发明实施例极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道的设计流程图。
具体实施方式
下面通过图1～图7以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。
本发明设计的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道设计方法的流程图如图7所示，
步骤S1，根据径向安装空间尺寸限制，确定流道轴面投影曲线的径向安装高度Dh与流道出口直径D的比值，如图2中所示。真实流道出口直径等于泵进口直径，设计时流道出口直径归一化为1米。Dh/D推荐取值为0.6～0.75，首选0.68～0.7。本案例取值为0.7。
步骤S2，根据轴向安装空间尺寸限制和设计航速需求，选定流道倾角初值α和上壁面弯管段半径初值R，如图2中所示。流道倾角推荐取值范围为20°～30°，首选20°～26°。本案例取值为25°。R/D推荐取值为2～3，首选2.4～2.7。本案例取值为2.42。
步骤S3，由步骤S2中上壁面弯管段半径计算下壁面弯管段半径，选定下壁面唇部圆弧半径与流道出口直径的比值。下壁面弯管段半径与流道出口直径之和等于上壁面弯管段半径。下壁面唇部半径与流道出口直径之比的推荐取值范围为3％～4％。本案例取值为3.5％。
步骤S4，由步骤S2中流道倾角α和上壁面弯管段半径R计算上壁面背部的圆弧半径R1，确定流道进口的水平切点A2，画上壁面过渡段直线。过渡段直线同时与上壁面弯管段圆弧和背部圆弧相切，如图3中所示。读取流道轴向总长L，若超出安装空间限制，则回到步骤二)增加流道倾角，若否，则确定流道轴面投影曲线，进行下一步。
上壁面背部的圆弧半径R1计算表达式为：
R1＝0.5/(tanα*tan(α/2))-0.5Rsinα
流道总长L计算表达式为：
L＝(R-0.5)*sinα+[Dh-(R-0.5)*(1-cosα]/tanα+0.5/sinα
以流道出口中心为坐标原点，流道上壁面曲线中3个控制点和流道下壁面曲线中2个控制点的坐标分别为A4(0，0.5)、A5(R1sinα，R1cosα-R1+0.5)、A6(-L，0)、A7(0，-0.5)、A8((R1-1)sinα，-(R1-0.5-(R1-1)cosα))。
步骤S5，确定流道轴面投影曲线中轴线的水平端点A1，画流道进口截面曲线的上游半椭圆和下游方形，如图4中所示，确定流道进口截面曲线。中轴线的水平端点A1既是半椭圆中心，也是方形与半椭圆线之间的交界线所在轴向位置。
中轴线由弯管段圆弧和相切直线段组成。中轴线圆弧半径等于上壁面圆弧半径减去流道出口半径D/2。水平端点A1为相切直线段与水平面的交点。流道进口截面曲线中半椭圆的短半轴等于流道出口半径、长半轴等于点A1和A2之间的距离；流道进口截面曲线中方形的宽等于流道出口直径、长等于点A1和下壁面唇部圆弧与水平面交点A3之间的距离。
步骤S6，联立步骤S1所得流道出口圆、步骤S4所得流道轴面投影曲线和步骤S5所得流道进口截面曲线，在三维CAD软件中采用曲面放样功能得到进水流道的三维几何，如图1中所示。
三维CAD软件包括Solidworks,UG,Pro/E,CATIA等，推荐选用UG和CATIA软件，具有强大的曲面造型功能和建模精度。
图2所示为进水流道二维轴面投影几何。流道壁面包括上壁面、下壁面和侧面。上壁面包括弯管段1、过渡段2和背景圆弧段3，下壁面包括弯管段4和唇部圆弧段5，侧面在曲面放样过程中自动生成。
步骤S7，采用计算流体动力学方法(CFD)数值计算步骤S6所得进水流道在设计航速下的水动力性能，察看是否存在流动分离现象、是否存在低于汽化压力的局部低压区，求取流道出口速度的不均匀度系数。若存在明显流动分离，则回到步骤二)修改流道倾角；若无流动分离但存在局部低压区，则首先判断是否允许增加工作水深，若允许，可进一步评估流道出口的不均匀度系数，当不均匀度系数小于0.25时，认为流道设计合格，否则，回到步骤S2小量减小流道倾角；若不允许增加水深，则根据壁面压力分布，回到步骤S4小量修改背部圆弧半径，重新确定流道轴面投影曲线；当无流动分离、无低压区且不均匀度系数满足要求时，认定归一化进水流道设计合格。
CFD计算时包括几何建模、网格划分、数值建模、迭代求解、结果后处理五大步骤。为了保证计算精度，网格划分时优先采用全结构化网格离散，且壁面边界层流动区域内至少放置6～8层网格节点；数值建模时湍流项至少采用二阶精度格式，湍流模型优先采用剪切应力输运SST模型；迭代求解时收敛标准为压力和速度项残差至少下降3个量级；结果后处理包括管道内流体的速度流线、管道壁面压力分布和流道出口的轴向速度分布。
步骤S8，将步骤S7所得归一化进水流道按比例缩放至真实进水流道出口直径，再与已经设计好的泵几何匹配，构成泵推进系统。再次采用CFD计算方法评估泵推进系统的总推进效率，满足设计指标时，确定极低航速、紧凑式泵推进系统的进水流道几何模型；若推进效率偏低，可适当增加泵直径、成比例放大进水流道几何，最后重新进行泵推进系统的效率评估。
图5所示为步骤S8所得泵推进系统在设计航速12节、额定转速320转/分时流经进水流道的速度流线，可见流体流动顺畅，无流动分离和明显漩涡出现。
图6所示为步骤S8所得泵推进系统在设计航速12节、额定转速320转/分时进水流道出口的轴向速度分布云图，可见除壁面附近和下壁面局部区域存在低速区外，绝大部分面积区域均为大速度区且分布较为均匀，提取得到速度不均匀度系数为0.137。其中，速度不均匀度系数定义为：
Figure BDA0002891823450000061
式中，Q为体积流量，vx(r,θ)为局部轴向速度，r为径向位置，θ为周向位置，U为基于面积平均的轴向速度，A为流道出口面积。

Claims (5)

1.一种极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道，其特征在于：依据流道出口圆、流道轴面投影曲线和流道进口截面曲线在三维CAD软件中通过曲面放样得到流道三维几何；所述流道出口圆的直径等于推进泵进口直径；所述流道轴面投影曲线包括上壁面曲线和下壁面曲线，上壁面曲线包括弯管段、过渡段和背部圆弧段，下壁面曲线包括弯管段和唇部圆弧部，依据流道倾角、径向安装高度和弯管段上壁面圆弧半径三个几何参数确定各段相交控制点的坐标值；所述流道进口截面曲线是方形与半椭圆形连接而成的封闭曲线，封闭曲线几何中控制点的坐标值由流道出口直径和流道倾角根据几何关系式确定；
所述流道轴面投影曲线的径向安装高度与流道出口直径的比值不大于0.75，流道倾角不大于30度，弯管段上壁面半径与流道出口直径的比值不大于3，流道轴向总长与流道出口直径的比值不大于5.5；所述流道轴面投影曲线中径向安装高度为流道出口直径的0.6～0.75；
所述流道轴面投影曲线中流道倾角取值范围为20°～30°；流道轴向总长的数值与流道倾角的数值成反比，流道适应的设计航速的数值与流道倾角的数值成反比；所述流道轴面投影曲线中弯管段上壁面半径与流道出口直径之比取值为2～3，弯管段上壁面半径数值与流道轴向总长数值成正比；
所述依据流道倾角、径向安装高度和弯管段上壁面圆弧半径三个几何参数确定各段相交控制点的坐标值的方法为：
以流道出口中心为坐标原点，流道上壁面曲线的3个控制点的坐标分别为A4(0，0.5)、A5(R1sinα，R1cosα-R1+0.5)、A6(-L，0)，流道下壁面曲线的2个控制点的坐标分别为A7(0，-0.5)、A8((R1-1)sinα，-(R1-0.5-(R1-1)cosα))
其中，流道总长L＝(R-0.5)*sinα+[Dh-(R-0.5)*(1-cosα]/tanα+0.5/sinα，
圆弧半径R1＝0.5/(tanα*tan(α/2))-0.5Rsinα，
α为流道倾角，R为上壁面弯管段半径；
确定流道进口截面曲线的方法包括：
上游半椭圆和下游方形的组合成为流道进口截面曲线，所述上游半椭圆中心位于流道轴面投影曲线中轴线的水平端点，短半轴等于流道出口半径、长半轴等于中轴线水平端点与上壁面背部圆弧水平切点之间的距离；所述下游方形宽等于流道出口直径、长等于中轴线水平端点与下壁面唇部圆弧水平切点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道，其特征在于：所述流道轴面投影曲线中下壁面弯管段半径加上流道出口直径等于上壁面弯管段半径；所述流道轴面投影曲线中下壁面唇部圆弧半径与流道出口直径之比取值为3％～4％，唇部圆弧半径数值与流道轴向总长数值成反比。
3.极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道设计方法，包括以下步骤：
一)根据径向安装空间尺寸限制，依据人工经验确定流道轴面投影曲线的径向安装高度与流道出口直径之比，流道出口直径等于泵进口直径；
二)根据轴向安装空间尺寸限制和设计航速需求，依据人工经验确定流道倾角和上壁面弯管段半径与流道出口直径之比，依据人工经验确定下壁面唇部圆弧半径与流道出口直径的比值，上壁面弯管段半径减去出口直径得到下壁面弯管段半径，计算得出上壁面背部圆弧半径；
三)确定流道轴面投影曲线，读取流道轴向总长，若所述流道轴向总长超出安装空间限制，则回到步骤二)增加流道倾角，若否，则进入步骤四；
四)确定流道进口截面曲线；
五)联立步骤一)所得流道出口圆、步骤三)所得流道轴面投影曲线和步骤四)所得流道进口截面曲线，进行曲面放样得到进水流道的三维几何；
六)采用计算流体动力学方法CFD数值计算步骤五)所得进水流道在设计航速下的水动力性能，依据所述水动力性能判断进水流道是否存在流动分离、是否存在低于汽化压力的低压区，求取流道出口速度的不均匀度系数；
若上壁面过渡段下方存在流动分离，则回到步骤二)以0.5度为间隔增加流道倾角，若上壁面过渡段上方存在流动分离，则回到步骤二)以0.5度为间隔减小流道倾角，若下壁面存在流动分离，则回到步骤二)以0.5度为间隔增加流道倾角；若无流动分离，但存在压力低于汽化压力的区域，则首先判断是否允许增加工作水深，若允许增加水深，则进一步评估流道出口速度的不均匀度系数，当不均匀度系数小于0.25时，认定流道设计合格，否则，回到步骤二)以0.5度为间隔减小流道倾角；若不允许增加水深，则回到步骤二)根据壁面压力分布以10％的变化幅度增加或减小上壁面背部的圆弧半径，直至压力低于汽化压力的低压区消失，重新确定流道轴面投影曲线；当无流动分离、无低压区且不均匀度系数满足预先给定的设计值时，认定进水流道单个部件设计合格，进入步骤七；
七)将步骤六)所得进水流道与推进泵几何装配构成泵推进系统，进水流道出口截面与推进泵进口截面重合，再次采用CFD计算方法评估泵推进系统的总推进效率，所述总推进效率满足设计指标时，确定极低航速、紧凑式泵推进系统的进水流道几何模型；若推进效率低于设计值5％以上，则通过增加泵直径成比例放大步骤六)所得进水流道几何，并再次进行泵推进系统的效率评估；
所述步骤四)确定流道进口截面曲线的方法包括：
上游半椭圆和下游方形的组合成为流道进口截面曲线，所述上游半椭圆中心位于流道轴面投影曲线中轴线的水平端点，短半轴等于流道出口半径、长半轴等于中轴线水平端点与上壁面背部圆弧水平切点之间的距离；所述下游方形宽等于流道出口直径、长等于中轴线水平端点与下壁面唇部圆弧水平切点之间的距离；
所述计算得出上壁面背部圆弧半径的方法包括：
上壁面背部的圆弧半径R1＝0.5/(tanα*tan(α/2))-0.5Rsinα，
其中，α为流道倾角，R为上壁面弯管段半径。
4.根据权利要求3所述的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道设计方法，其特征在于：所述步骤六)采用计算流体动力学方法CFD数值计算时包括几何建模、网格划分、数值建模、迭代求解、结果后处理五个步骤；网格划分采用全结构化网格离散，且壁面边界层流动区域内至少设置6～8层网格节点；数值建模时湍流项至少采用二阶精度格式，湍流模型采用剪切应力输运SST模型；迭代求解时收敛标准为压力和速度项残差至少下降3个量级；结果后处理包括管道内流体的速度流线、管道壁面压力分布和流道出口的轴向速度分布可视化，管道内流体的速度流线用于确定是否存在流动分离，管道壁面压力分布用于判断是否存在局部低压区，流道出口的轴向速度分布用于求取不均匀度系数值。
5.根据权利要求3所述的极低航速、紧凑式泵推进系统进水流道设计方法，其特征在于：进行所述曲面放样时采用三维CAD软件进行曲面放样，所述三维CAD软件包括Solidworks,UG,Pro/E,CATIA。
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