喷水推进器进水流道参数化设计方法

喷水推进器进水流道参数化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法 喷水推进器进水流道参数化设计方法 第32卷第4期 2011年4月 哈尔滨工程大学 JournalofHarbinEngineeringUniversity Vo1.32?.4 Apr.2011 doi:10.3969/j.issn.1006—7043.2011.04.005 喷水推进器进水流道参数化设计方法 丁江明,王永生 (海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033) 摘要:为了提高喷水推进器进水流道的设计水平,改善其水动力性能,缩短设计周期,降低设计费用,研究了进水流道 的参数化设计方法.在该方法中,进水流道的三维几何结构采用11个动态关联的控制参数定量描述.改变这些控制参数 的值可自动调整流道的三维空间形状,实现流道几何的快速建模.在此基础上,利用计算流体力学方法对进水流道及船 尾流场进行数值计算,用进水流道的出流均匀度,流动分离程度,空化程度,流动损失程度以及变工况适用性等多项指标 对进水流道的流体动力性能进行综合评估.流道三维几何结构的参数化建模和综合流体动力性能的数值模拟这2个过 程迭代运用,可实现进水流道的优质,快速设计. 关键词:喷水推进;进水流道;参数化设计;计算流体力学 中图分类号:U664.34文献标识码:A文章编号:1006-7043(2011)04-0423-05 Researchontheparametricdesignof aninletductfoundinamarinewaterjet DINGJiangming,WANGYongsheng (CollegeofNavalArchitectureandPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China) Abstract:Inordertosatisfactorilydesignaninletductfoundinmarinewaterjetsinawaythateconomicallyuses timeandmoney,aparametricdesignmethodwasinvestigatedinthisarticle.The3-Dgeometryoftheinletduct wascharacterizedandcreatedbyelevengoverningparameterswhichwereincidentwithoneanother.Itsshape couldbemodifiedautomaticallybyturningthevalueofthegoverningparameters.Theviscousflowinregionsa- roundtheinletductandsternwassimulatedbymeansofacomputationalfluiddynamicscode.Thehydrodynamic performanceoftheinletductcanbeevaluatedintheroundaccordingtoflowuniformityattheductoutlet,flowsep— aration,cavitations,flowlossinsidetheduct,andtheapplicabilitytovariousworkingconditions.Multipleitera- tionsbetweentheparametricmodificationofthegeometryandCFDsimulationoftheflowfieldcanquicklyresultin anexcellentinletductdesign. Keywords:waterjetpropulsion;inletduct;parametricdesign;computationalfluiddynamics 喷水推进器进水流道的流体动力性能直接影响 到整个喷水推进器的推进性能.喷水推进器工作时, 约有7%,9%的功率损失在进水流道内?J.喷水推 进器与船体的相互作用对推进效率的影响甚至可达 20%以上,而这一相互作用主要发生在进水流道的 进水口附近J.因此,设计性能优良的进水流道是 喷水推进器设计中的一项关键技术. 性能优良的进水流道具有出流均匀,流动分离 收稿日期:2009—12-25. 作者简介:丁江明(1976一),男,讲师,博士,E-mail;goodluckdjm@si— as?tom; 王永生(1955一),男,教授,博士生导师. 通信作者:丁江明. 和空泡不明显,流动损失小,适应变工况能力强等特 点,但喷水推进船通常存在工况变化范围大,船尾空 间狭窄,尺寸限制苛刻等限制条件,这对进水流道的 设计提出了较高要求.采用传统方法凭经验来设计 进水流道难以较好地满足这一要求.在国外,喷水推 进器厂商和相关研究机构都非常重视采用参数化设 计方法来设计进水流道.美国泰勒水池,美国CDI 船舶公司,挪威MARINTEK水池,喷水推进器着名 厂商KaMeWa公司和Wartsila公司等单位已开发了 进水流道参数化设计和性能分析的应用程序, 但这些参数化设计程序仅限内部使用.国内设计建 造的喷水推进船,采用国产喷水推进器时其进水流 道一般根据经验来设计并采用模型试验来验证设计 哈尔滨工程大学第32卷 效果,周期长且费用高;当选用进口喷水推进器时, 其进水流道通常委托国外厂商设计. 基于此,作者开展了喷水推进器进水流道的参 数化设计方法研究.该方法借助商用CAD软件平台 来快速实现进水流道三维几何的参数化建模,并通 过CFD数值模拟的途径来评估进水流道的流体动 力性能. 1进水流道参数化设计的思路 本研究采用图1所示的思路进行流道设计,主 要包括流道几何结构的参数化建模和流动性能的 CFD分析2个方面.首先采用最少参数对流道结构 进行描述,并借助商用CAD软件几何建模功能建立 流道三维几何结构.各参数之间的关联可采用CAD 软件中的几何关联功能来实现.Solidwoks,KATIA, UG,Pro/E等商用CAD软件都能实现这一功能.调 整流道的任意一个几何参数,其余参数以及对应的 流道形状能够自动进行调整.因流道从船底吸水,其 流动性能与船尾结构以及船舶航行工况密不可分, 故应将流道与船尾流场作为整体进行流体动力性能 分析. 图1进水流道参数化设计与性能分析的原理 Fig.1Sketchmapofparmnetricdesignandhydrodynamic performanceanalysisoftheinletduct 借助Solidwoks软件来创建流道的参数化几何 模型.该CAD软件与网格划分软件ICEM之间通过 接口建立对接关系.在CAD软件里预先设定几何结 构名称及网格尺寸,每次调整流道几何结构后网格 划分程序能自动重新进行网格尺寸设定,因而可以 快速完成几何建模与网格划分工作以进行流场性能 CFD计算.流场网格输入到CFD求解器中来进行流 道及船尾三维粘性湍流流动的数值计算与性能分 析,并根据计算结果对流道的出流均匀度,流道唇部 及流道背部上的流动分离和空化程度,流动损失大 小以及对工况变化的适应能力等多个方面进行评 估.如果该流道的流体动力性能不佳,则需重新回到 几何建模阶段,根据CFD分析结果有针对性地调整 流道结构的控制参数来调整几何结构,并重新进行 流体动力性能CFD计算与分析,直至流道的综合流 体动力性能满足要求为止. 2进水流道几何结构参数化建模 2.1二维流道建模 构建进水流道几何结构时,首先采用最少参数 集来建立流道纵中剖面二维形状,然后再生成三维 几何.其中,纵中剖面二维形状的合理构建是流道几 何参数化建模的关键之一. 图2为平进口式进水流道纵中剖面的构造图. 二维流道采用11个参数进行描述.其中,参数D为 流道出口直径(即泵进流盘面直径),,为进水流道 纵向总长度,日为流道出口中心线距离流道进口面 的高度,为流道出口水平直管段长度,为流道 在圆弧段与进水口之间倾斜直管段的长度,为流 道圆弧过渡段中心线的半径,尺和为控制流道 唇部形状的2个圆弧的半径,R为控制流道与船体 之间过渡区域背部形状的圆弧半径,O/为流道倾斜 角,为用于控制唇部高度的角度参数. 图2进水流道纵中剖面构造 Fig.2Configurationoflongitudinalsectionplane oftheinletduct 这些参数中,D,和日用于流道整体轮廓的控 制.这3个整体控制参数一般由船体设计师根据船 体空间尺寸给出.整体轮廓确定后,可通过调整其他 参数的大小来进行流道局部形状的调整.流道进水 口与船体之间过渡区域的形状对流道进流质量影响 很大,形状设计不合理将引起阻力增加,唇部附近和 流道背部产生流动分离及局部空化现象.唇部和背 部的形状可采用多种方法来控制,常用的生成形式 包括分段圆弧,高阶多项式,贝塞尔曲线以及样条曲 线.用分段圆弧来实现唇部和背部的造型,方法简单 易行,调整方便,但唇部和背部结构与流道直管段以 及船体之间连接处的高阶导数不连续,会引起流动 的局部扰动.尽管存在结构上的局部缺陷,大部分工 业设计仍然采用分段圆弧来进行唇部和斜面的构 建,本研究也采用了该方法.其他几种方法构建的几 何形状曲率更光顺,局部形状的调整更灵活,但调整 过程更复杂.在二维几何的调整过程,各参数之间的 约束关系通过CAD软件的关联功能来实现,无需专 第4期丁江明,等:喷水推进器进水流道参数化设计方法研究 门编程.调整任一控制参数的值,其他参数会根据几 何关联功能自动调整,从而实现流道几何结构的快 速构建与修正. 2.2三维流道建模 从流道的二维结构扩展到三维空间之前还需确 定进水口的形状.研究显示,椭圆形进水口(图3 (a))和矩形进水口(图3(b))都能较好地利用来流 动能,满足流道设计的要求,这2种进水口到底哪一 种类型性能更好,业内还存在一些争论J.很多实 际应用中综合了这2种形状来进行进水口形状的设 计(图3(C)).本研究中,进水口形状可采用上述3 种中的任意一种来进行流道设计. o[]口 (a)椭圆形(h)矩形)椭圆形+矩形 图3常见的进水口形状 Fig.3Commonshapesofintakeoftheinletduct ?(a)侧视图(b)后视图 图4进水流道三维效果图 Fig.4Threedimensionalconfigurationsofinletduct 根据流道二维构造,进水口形状以及船体尾部 的结构,采用放样和扫描功能可生成进水流道三维 结构.图4为采用本方法生成的一个三维进水流道 在2个不同视角的效果图. 3流体动力性能CFD计算与分析 用参数化设计方法得到的进水流道是否满足设 计要求,还需进行流体动力性能的计算与分析.因为 进水流道的性能与船体结构以及使用工况密不可 分,故对流道进行流体动力性能CFD计算与分析时 流场计算域应将船尾进水口周围区域的流体也包括 在内,如图5所示. 图5进水流道及船尾流场计算域 Fig.5Calculationdomainofinletductandstern 计算域采用六面体结构化网格进行划分.因流 体在流道内特别是流道与船体过渡区域的流动变化 剧烈,这一区域的网格应适当加密,以便能真实地捕 捉该区域的流动细节.计算域的大小影响到CFD数 值计算的精度和计算时间,其大小应取舍得当J. 流场的数值模拟采用有限体积法求解流场 RANS方程来实现,计算过程采用SSTk一03两方程 湍流模型来封闭控制方程J.流场上游来流面采用 速度进口作为边界,设定进流速度时考虑了船体边 界层影响.上游来流速度分布可以用平板二维粘性 边界层速度分布来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示.根据Svensson对喷水推进 实船的测量结果,边界层厚度采用Wieghardt公式 近似求取: 6=0.27x(Re)1/6. 式中:为距船首的距离,为水的运动粘度. 船底下游出流面采用压力出口,船底外区域其 它边界设为滑移壁面,流道出口设为流量出口.进水 流道及船底流场的数值计算结果将用于流道流体动 力性能的全面分析. 对每一种流道设计方案的流场进行CFD模拟 后,流道的流体动力性能用出流均匀度,流动分离程 度,空化严重程度,流动损失程度和对工况的适应性 等多方面的性能指标来综合评估.流道出流均匀度 可通过观察出流面的速度分布情况进行定性分析, 也可根据出流面流速不均匀系数进行定量评 估"J.流动分离程度通过观察流道纵剖面上的速 度向量分布来辨别,流道壁面上的流线分布是否有 明显漩涡也能间接地判断流动分离程度;流道壁面 上流动分离区域的长度累加值大小可作为定量分析 流动分离程度的依据?.'"J.流道内空化可采用均相 流形式的两相流模型来数值模拟,采用Rayleigh Plesset模型或其它模型求取流道内气液两相的体积 百分比分布来判别空化的位置及严重程度.除了 采用空化模型进行模拟外,流道的空化性能还通常 采用基于单相流模型计算的压力分布云图以及无量 纲压力系数来进行分析u"J.流道内的流动损失程 度通过求解用户自定义标量方程求取流道内外流场 间的流管形状后以流管进流面与流道出流面之间的 能量变化量来评估10,12]. 4进水流道参数化设计举例 流道设计受船体空间尺寸的限制以及推进器设 计工况的影响.流道设计前,首先要确定所选推进器 的进口直径,船体设计师预留给进水流道布置用的 船体空间以及推进器的使用工况.进水流道往往是 在这些限制因素制约下来设计. 现将参数化设计方法用于某一流道的设计.流 哈尔滨工程大学第32卷 道设计的限制条件为:流道出口直径250mm,出口 中心线距离流道进口面的高度300mm,进水流道纵 向总长度900mm,船速20m/s,进速比IVR=1.进 速比定义为流道出口平均速度与航速之比,是反映 流道工况的一个重要参数.首先,采用流道参数化设 计程序设定11个流道参数,创建进水流道几何结 构.然后对该流道的流体动力性能进行CFD计算, 并根据CFD后处理分析结果有针对性地重新修改 流道参数.受篇幅所限,本文不对流道的各个参数调 整后流体动力性能的变化特性进行全面分析和评 估,仅以流道倾斜角变化对管壁上流动分离程度影 响分析为例来说明流道参数化设计方法. 流道倾斜角仅是影响流动性能的重要几何参 数,调整倾斜角的大小进行流动性能分析可寻找 最优的倾斜角度.设置图2中流道倾斜角仅的值, 流道参数化建模程序能自动调整其几何结构,生成 如图6所示的3个流道,其倾斜角Ot分别为40.,50. 和60..3个流道分别命名为方案1,方案2和 方案3. 对3个方案的流道进行CFD计算和分析后可 知:方案1的流动性能最好,流道内流线光顺,纵中 剖面上流动较均匀,没有发生明显的流动分离;随着 流道倾斜角增加,流道流动质量变差,管壁背部 的流线扭曲越来越严重直至生成强烈的漩涡区,纵 中剖面上流道背部实线箭头所示区域产生了明显的 流动分离. 分析认为方案1是3个方案中最佳的一个.但 该方案还需作进一步的局部修改并进行CFD再分 析,以保证综合性能兼优.另外,即使是同一流道,在 不同的工况下其流动状态有可能发生很大的变化. 一 般情况下,倾斜角大的流道相对倾斜角Ot小的 流道适应变工况的能力要强,即随着工况的变化,流 道性能的下降幅度不明显.为了设计出性能优异的 进水流道,必须进行反复的几何修正和CFD分析, 对上述的各个方面进行综合权衡. (a)方案l(b)方案2(t)方案3 图6不同倾斜角的三型流道的结构,流线分布与速度向量分布 Fig.6Configurations.streamlinedistributionandvelocityvectordistributionof3inletducts, vith differentinclinationang|es 5结束语 流道内的流动性能随着流道几何结构以及运行 工况而变化.对于应用在同一场合的流道,在长度, 宽度,高度以及出口直径限定的条件下,不同几何构 造的进水流道其流动性能可能差别很大,它最终将 显着影响喷水推进器的推进性能;对于结构已定的 流道,应用到不同的船舶上其流动性能也各不相同; 同一船舶上的同一流道,其流体动力性能随工况的 改变而变化,在设计工况下能较好满足要求的流道 第4期丁江明,等:喷水推进器进水流道参数化设计方法研究?427? 在非设计工况下其性能有可能较差.因此,设计性能 优良,适应工况能力强的流道需经过多次几何结构 调整与流动性能分析,经过反复迭代后才能寻找到 最佳的设计方案. 本研究采用多个相互关联的参数对进水流道三 维几何结构进行定量描述,并借助商用CAD程序作 为平台构建进水流道几何模型.这一方法避免了繁 琐的计算机编程,可快速地构建和修改进水流道几 何结构.而流道的综合流体动力性能采用CFD数值 计算的方法来进行全面评估.参数化几何建模和 CFD分析这两种手段的综合运用构成了喷水推进 器进水流道的参数化设计方法.运用该方法能够极 大地缩短喷水推进器进水流道的开发周期,并减小 开发费用. 参考文献: [1]VERBEEKR.Recentdevelopmentinwaterjetdesign[c]// ProceedingsofInternationalConferenceonWaterjetPmpul— sion2.Amsterdam,Netherlands,1998. 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