CN113779898A - 小通径循环水系统的自流循环设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小通径循环水系统的自流循环设计方法，针对进口导流装置内流道进行优化设计，包括S1、考虑水下航行器表面粘性流体绕流产生的边界层效应对自流循环引水效果的影响，确定引水口的布置位置；S2、在保证截面积相等的情况下，通过流场仿真，分析不同入口形状对系统自流能力的影响，进而确定对自流能力影响最小的引水口截面形状；S3、开展进口导流装置内流道阻力优化设计：对导流装置内流道特征进行多参数优化，采用二阶响应面回归模型确定内流道主要特征的最优组合，使系统自流流量达到最大。本发明可支撑紧凑空间下小通径循环水系统自流循环方案设计，提升系统自流能力，满足设计航速范围内特别是低航速时的自流流量需求。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器自流冷却技术领域，具体涉及一种具有小通径特征、低流阻优点的自流循环水系统优化设计方法。
背景技术
循环水系统是水下航行器最重要的通海系统之一，是主汽轮机组、汽轮发电机组等重要设备的冷源保障，也是全船用电和推进动力安全的重要保障。传统大通径循环水系统的流量大，其通海辐射噪声是各航行工况的主要噪声源，直接影响水下航行的安静性。
自流式循环水系统以自流冷却技术为基础，是一种全新的低噪声通海系统。自流冷却技术利用水下航行器航行时的迎面来流动压头为系统提供冷却水，可在设计航速范围内取代传统的大功率循环水泵运行供水，实现停运循环水泵，从而在自流航速范围内消除了机械设备强噪声源，可大幅降低系统辐射噪声，提升水下航行安静性。
传统循环水系统的典型组成包括循环水泵、冷凝器、舷侧阀以及相关管路、阀门、仪表等，自流式循环水系统相较传统循环水系统，在系统组成中增加了用于海水引流的导流装置，导流装置的布置及水力设计决定着系统自流循环性能。
对于安装空间十分紧凑的水下航行器，由于系统管路通径及布置限制，开展自流循环水系统设计时，低航速下系统自流流量无法满足冷却需求，需要针对小通径自流循环水系统开展流阻优化设计，通过降低系统阻力提升自流能力，进而拓宽自流设计航速范围，重点突破航速下限，实现较宽航速范围内循环水系统的自流运行，提升低航速时航行安静性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在紧凑空间下小通径循环水系统采用自流循环方案无法满足低航速时冷却需求的不足，提供一种小通径循环水系统的自流循环设计方法，该方法解决了紧凑空间下小通经循环水系统进行自流循环设计和提升自流能力的问题，可指导高效低流阻自流循环方案设计，保证循环水系统自流能力满足不同设计航速下冷却用户流量需求。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种小通径循环水系统的自流循环设计方法，该方法针对进口导流装置内流道进行优化设计，具体包括以下步骤：
S1、确定自流循环引水口的布置位置：考虑水下航行器表面粘性流体绕流产生的边界层效应对自流循环引水效果的影响，确定引水口的布置位置；
S2、确定自流循环引水口截面形状：在保证截面积相等的情况下，通过流场仿真，分析不同入口形状对系统自流能力的影响，进而确定对自流能力影响最小的引水口截面形状；
S3、开展进口导流装置内流道阻力优化设计：对导流装置内流道特征进行多参数优化，采用二阶响应面回归模型确定内流道主要特征的最优组合，使系统自流流量达到最大。
上述方案中，所述导流装置采用航行器腹部伸出表面的吸入口布置方式。
上述方案中，步骤S1中所述的布置位置指引水口距航行器表面的距离，确定方法具体包括：
S1.1、通过流场仿真，得到边界层厚度随航行器长度方向的变化规律；
S1.2、根据航行器表面开口附近的边界层厚度确定引水口伸出航行器表面的距离，需要满足引水口距航行器表面的距离大于开口附近边界层厚度。
上述方案中，步骤S2中，若自流能力受截面形状的影响不明显，则根据制造工艺的难易程度选取合适的截面形状。
上述方案中，步骤S3具体包括：
S3.1、确定优化变量：选取入口圆直径、入口引流直流段长度、直流段管路渐扩比、入口截面倾角四个特征参数作为优化变量建立导流装置内流道多参数优化模型，优化目标为使系统自流流量达到最大；
S3.2、生成计算样本：根据所选取的优化变量采用均匀试验设计方法生成针对入口导流装置内流道特征参数的4因素21水平均匀分布表，根据分布表中的每组特征参数值建立相应的系统流体域仿真计算模型，进而生成21个计算样本；
S3.3、计算各样本点系统自流流量：采用三维计算流体动力学仿真软件计算各样本点系统模型的自流流量；
S3.4、建立内流道多参数优化数学模型：对计算得到的21个样本点结果，采用二阶响应面回归模型进行拟合，进而生成针对导流装置内流道的多参数优化数学模型；
S3.5、求解优化模型的驻点：求解多参数优化数学模型的驻点，使系统自流流量达到最大；
S3.6、得到最优解：当系统自流流量达到最大时，得到进口导流装置内流道设计的最优特征参数组合；
S3.7、最优几何模型：根据求取的最优解特征参数组合建立具备最优水力性能的进口导流装置几何模型。
本发明的有益效果在于：
本发明的设计方法可支撑紧凑空间下小通径循环水系统自流循环方案设计，可指导系统引水口布置、入口截面形状设计和导流装置内流道设计优化，从而得到高水力性能的自流循环设计方案，提升系统自流能力，满足设计航速范围内特别是低航速时的自流流量需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是循环水系统方案示意图；
图2是本发明自流循环设计方法的流程图；
图3是本发明实施例中航行器边界层厚度沿长度方向分布示意图；
图4是进口导流装置内流道的优化流程图；
图5是进口导流装置水力性能优化内流道特征参数示意图，标注说明：D1-入口圆直径，L-直流段长度，D2/D1-直流段管路渐扩比，a-入口倾角；
图6是本发明实施例中进口导流装置内流道优化后流场速度分布；
图7是本发明实施例中通过小通径循环水系统的自流循环设计方法得到的具备最优水力性能的进口导流装置三维模型示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明实施例基于的系统初步方案如图1所示，导流装置采用航行器腹部伸出表面的吸入口布置方式，海水经进口导流装置引流进入系统内流道，流经阀门、挠性接管等管路附件后，进入冷凝器冷却排入冷凝器的蒸汽及凝水，换热后流经挠性接管、阀门等管路附件排出。在系统方案确定的情况下，进行自流循环设计时，应确保进口处有足够的动能。针对进口导流装置内流道的设计，本发明提出一种小通径循环水系统的自流循环设计方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、确定自流循环引水口的布置位置：考虑水下航行器表面粘性流体绕流产生的边界层效应对自流循环引水效果的影响，确定引水口的布置位置。
水下航行器在航行过程中因表面粘性绕流形成的边界层会对自流循环引水效果造成影响，因此引水口设计时应避开边界层区域以提升自流性能。S1具体包括以下步骤：
S1.1、通过流场仿真计算，得到边界层厚度(垂直航行器表面方向)随航行器长度方向的变化规律，如图3所示；
S1.2、根据航行器表面开口附近的边界层厚度确定引水口伸出航行器表面的距离，如图3所示，本实施例中，满足引水口距离航行器表面200mm以上即可避开边界层影响，达到最佳水力效果。避开边界层影响区域后，继续增大引水口距离航行器表面的距离，对系统自流循环的流量结果影响甚微，如表1所示。可见导流装置引水口深度在大于边界层厚度的范围内对系统自流流量结果影响甚微。
表1引水口不同布置距离对自流流量影响
S2、确定自流循环引水口截面形状：在保证截面积相等的情况下，通过流场仿真计算，分析不同入口形状(如方口、圆口)对系统自流能力的影响，进而确定对自流能力影响最小的引水口截面形状。经验证，自流能力主要取决于截面积，在截面积相等的情况下，不同引水口形状对系统自流流量结果影响甚微，如表2所示。因此，从制造工艺实现难易的角度考虑，本实施例优选截面形状为圆口。
表2引水口截面形状对自流流量影响
| 引水口截面形状 | 系统自流流量(t/h) |
| 圆形 | Q<sub>2</sub> |
| 正方形 | 99.89％Q<sub>2</sub> |
| 长方形(短边垂直航行器表面) | 99.99％Q<sub>2</sub> |
| 长方形(长边垂直航行器表面) | 99.70％Q<sub>2</sub> |
S3、开展进口导流装置内流道阻力优化设计：对导流装置的内流道特征进行多参数优化，采用二阶响应面回归模型确定内流道主要特征参数的最优组合，使系统自流流量达到最大。
如图4所示，S3具体包括以下步骤：
S3.1、确定优化变量。选取入口圆直径、入口引流直流段长度、直流段管路渐扩比、入口截面倾角四个特征参数作为优化变量建立导流装置内流道多参数优化模型，如图5所示，优化目标为使系统自流流量最大；
S3.2、生成计算样本。根据所选取的优化变量采用均匀试验设计方法生成针对入口导流装置内流道特征参数的4因素21水平均匀分布表，根据分布表中的每组特征参数值建立相应的系统流体域仿真计算模型，进而生成21个计算样本，可以通过有限的样本点分析得到优化模型的特征。
S3.3、计算各样本点系统自流流量。通过三维计算流体动力学仿真软件计算各样本点系统模型的自流流量。
S3.4、建立内流道多参数优化数学模型。对计算得到的21个样本点结果，采用二阶响应面回归模型进行拟合，进而生成针对导流装置内流道的多参数优化数学模型。
S3.5、求解优化模型的驻点。求解多参数优化数学模型的驻点(极值点)，使系统自流流量达到最大。
S3.6、得到最优解。当系统自流流量达到最大时，对应进口导流装置内流道设计的最优参数组合，优化设计后的流场仿真结果如图6所示，海水进入引水口后流速降低、压力增大，在引水腔接系统管路的缩径处流速增加、压力降低，引水段前后形成的压差达到引水效果，促进了海水在系统内的流通。
S3.7、最优几何模型。根据求取的最优解参数组合建立具备最优水力性能(流阻最小)的进口导流装置几何模型，如图7所示。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种小通径循环水系统的自流循环设计方法，其特征在于，该方法针对进口导流装置内流道进行优化设计，具体包括以下步骤：
S1、确定自流循环引水口的布置位置：考虑水下航行器表面粘性流体绕流产生的边界层效应对自流循环引水效果的影响，确定引水口的布置位置；
S2、确定自流循环引水口截面形状：在保证截面积相等的情况下，通过流场仿真，分析不同入口形状对系统自流能力的影响，进而确定对自流能力影响最小的引水口截面形状；
S3、开展进口导流装置内流道阻力优化设计：对导流装置内流道特征进行多参数优化，采用二阶响应面回归模型确定内流道主要特征的最优组合，使系统自流流量达到最大。
2.根据权利要求1所述的小通径循环水系统的自流循环设计方法，其特征在于，所述导流装置采用航行器腹部伸出表面的吸入口布置方式。
3.根据权利要求2所述的小通径循环水系统的自流循环设计方法，其特征在于，步骤S1中所述的布置位置指引水口距航行器表面的距离，确定方法具体包括：
S1.1、通过流场仿真，得到边界层厚度随航行器长度方向的变化规律；
S1.2、根据航行器表面开口附近的边界层厚度确定引水口伸出航行器表面的距离，需要满足引水口距航行器表面的距离大于开口附近边界层厚度。
4.根据权利要求1所述的小通径循环水系统的自流循环设计方法，其特征在于，步骤S2中，若自流能力受截面形状的影响不明显，则根据制造工艺的难易程度选取合适的截面形状。
5.根据权利要求1所述的小通径循环水系统的自流循环设计方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S3.1、确定优化变量：选取入口圆直径、入口引流直流段长度、直流段管路渐扩比、入口截面倾角四个特征参数作为优化变量建立导流装置内流道多参数优化模型，优化目标为使系统自流流量达到最大；
S3.2、生成计算样本：根据所选取的优化变量采用均匀试验设计方法生成针对入口导流装置内流道特征参数的4因素21水平均匀分布表，根据分布表中的每组特征参数值建立相应的系统流体域仿真计算模型，进而生成21个计算样本；
S3.3、计算各样本点系统自流流量：采用三维计算流体动力学仿真软件计算各样本点系统模型的自流流量；
S3.4、建立内流道多参数优化数学模型：对计算得到的21个样本点结果，采用二阶响应面回归模型进行拟合，进而生成针对导流装置内流道的多参数优化数学模型；
S3.5、求解优化模型的驻点：求解多参数优化数学模型的驻点，使系统自流流量达到最大；
S3.6、得到最优解：当系统自流流量达到最大时，得到进口导流装置内流道设计的最优特征参数组合；
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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