小通径循环水系统的自流循环设计方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。量需求。量需求。

【技术实现步骤摘要】
小通径循环水系统的自流循环设计方法


[0001]本专利技术属于水下航行器自流冷却
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
[0008]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：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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：
[0014]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；
[0015]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。
[0016]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。
[0017]上述方案中，步骤S3具体包括：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]本专利技术的有益效果在于：
[0026]本专利技术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
[0027]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0028]图1是循环水系统方案示意图；
[0029]图2是本专利技术自流循环设计方法的流程图；
[0030]图3是本专利技术实施例中航行器边界层厚度沿长度方向分布示意图；
[0031]图4是进口导流装置内流道的优化流程图；
正方形99.89％Q2长方形(短边垂直航行器表面)99.99％Q2长方形(长边垂直航行器表面)99.70％Q2[0046]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。
[0047]如图4所示，S3具体包括以下步骤：
[0048]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；
[0049]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。
[0050]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。
[0051]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。
[0052]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。
[0053]S3.6、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦暄，周雅杰，彭学创，杨鹏举，余杨，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：