喷水推进器性能预报系统设计与实现

喷水推进器性能预报系统设计与实现喷水推进器性能预报系统喷水推进器性能预报系统设计与实现摘 要本文研究的是喷水推进器性能预报系统设计与实现。由于在不同的水流速度以及空化、气蚀情况下喷水推进器的实际性能与喷水推进器厂家给定的性能存在较大的差异。其中进口的边界层影响、进口损失、喷口损失、管道损失、以及喷口高度损失为喷水推进器性能的主要影响因素。分析对比三种喷水推进器推力的计算理论K1，K2,K3法。选择最适合本研究课题的计算方法求解喷水推进器的推力，扬程，流量，以及功率等性能指标。本论文使用MATLAB软件作为开发环境建立喷水推进器模型。并使用该软件的GUI图形界面设计功能设计了喷水推进器性能预报系统以及人机交互界面，可以预报喷水推进器位于不同的水流速以及不同的喷速比时不同的性能并对其性能进行对比分析。本论文的主要内容：喷水推进器各项性能以及影响因素的介绍。喷水推进器的性能计算方法，影响因素对于喷水推进器各项性能的影响。对比三种喷水推进器计算方法建立喷水推进器数学计算模型。MATLAB软件设计喷水推进器仿真模型以及性能预报系统界面。分析性能预报仿真系统，根据真实的喷水推进器系统数据优化喷水推进器性能预报系统。本研究主要研究的是喷水推进器本身的性能，故船体以及动力源的影响以常规影响给出。并且本实验的参数缺乏实体喷水推进器实验依据，所以于真实的喷水推进器存在着一定的差距。在优化了模型以及算法，调整参数后，可以较准确的预报出喷水推进器的各项性能指标。关键词:喷水推进器，性能预报，MATLAB，GUI，系统仿真

AbstractThispaperstudiesthedesignandimplementationofperformancepredictionsystemforwaterjetpropeller.Theactualperformanceofwater-jetpropellerdiffersgreatlyfromthatgivenbywater-jetpropellermanufacturerunderdifferentflowvelocities,cavitationandcavitationconditions.Themainfactorsaffectingtheperformanceofwater-jetpropelleraretheboundarylayereffectoftheinlet,theinletloss,thenozzleloss,thepipelinelossandthenozzleheightloss.ThethrustcalculationtheoryK1,K2andK3ofthreekindsofwaterjetthrustersareanalyzedandcompared.Choosethemostsuitablecalculationmethodtosolvethethrust,lift,flow,powerandotherperformanceindicatorsofwaterjetpropeller.ThispaperusesMATLABsoftwareasthedevelopmentenvironmenttoestablishthemodelofwaterjetpropeller.TheGUIgraphicinterfacedesignfunctionofthesoftwareisusedtodesigntheperformancepredictionsystemandhuman-computerinteractioninterfaceofthewater-jetpropeller,whichcanpredictthedifferentperformanceofthewater-jetpropelleratdifferentwatervelocitiesanddifferentspeedratiosandmakeacomparativeanalysisofitsperformance.Themaincontentsofthispaperareasfollows:1）Introducetheperformanceofwater-jetpropelleranditsinfluencingfactors.Theperformancecalculationmethodofwater-jetpropellerandtheinfluencefactorsontheperformanceofwater-jetpropeller.2）Comparingthethreecalculationmethodsofwater-jetthruster,themathematicalcalculationmodelofwater-jetthrusterisestablished.3）MATLABsoftwareisusedtodesignthesimulationmodelofwaterjetpropellerandtheinterfaceofperformancepredictionsystem.4）Analysetheperformancepredictionsimulationsystemandoptimizetheperformancepredictionsystemofwater-jetpropelleraccordingtotherealdataofwater-jetpropellersystem.Thisresearchmainlyfocusesontheperformanceofwaterjetpropelleritself,sotheinfluenceofhullandpowersourceisgivenbyconventionalinfluence.Andtheparametersofthisexperimentlacktheexperimentalbasisofsolidwater-jetpropeller,sothereisacertaingapbetweentherealwater-jetpropeller.Afteroptimizingthemodelandalgorithmandadjustingtheparameters,theperformanceindexesofwaterjetpropellercanbepredictedaccurately.Keywords:waterjetpropeller,performanceprediction,MATLAB,GUI,systemsimulation

目录20986_WPSOffice_Level11绪论 716852_WPSOffice_Level21.1喷水推进器性能预报的研究背景和意义 727601_WPSOffice_Level31.1.1喷水推进器性能预报的背景 714436_WPSOffice_Level31.1.2喷水推进器性能预报研究的意义 727601_WPSOffice_Level21.2国内外喷水推进器的研究现状 814436_WPSOffice_Level21.3本设计的主要内容 1213001_WPSOffice_Level21.4论文的章节安排 1227601_WPSOffice_Level12总体设计 132988_WPSOffice_Level22.1喷水推进器推推力计算 1312158_WPSOffice_Level32.1.1推进器内部的影响 138216_WPSOffice_Level32.1.2推力公式 1512158_WPSOffice_Level22.2两种喷水推进器的模型图 1526834_WPSOffice_Level32.2.1AWJ-21TM侵没式喷水推进器 1511003_WPSOffice_Level32.2.2SD-HGD266型混流式喷水推进器 1525736_WPSOffice_Level22.3性能预报系统设计 167382_WPSOffice_Level32.3.1系统流程图 1614063_WPSOffice_Level32.3.2使用的软件简介 168216_WPSOffice_Level22.4喷水推进器性能预报系统设计小结 1714436_WPSOffice_Level13喷水推进器基本理论及方法比较 1826834_WPSOffice_Level23.1喷水推进系统原理 182530_WPSOffice_Level33.1.1喷水推进系统的工作原理 1816108_WPSOffice_Level33.1.2喷水推进系统的基本方程式 1814866_WPSOffice_Level23.2喷水推进器的性能 2129969_WPSOffice_Level33.2.1喷水推进器的性能指标 215_WPSOffice_Level33.2.2喷水推进器的特性 2211003_WPSOffice_Level23.3喷水推进器的基本理论 2230161_WPSOffice_Level33.3.1边界层影响 2226788_WPSOffice_Level33.3.2三种喷水推进理论 232806_WPSOffice_Level33.3.3喷水推进器的推力 253409_WPSOffice_Level33.3.4船体对喷水推进系统的作用 2513685_WPSOffice_Level23.4本章小结 2513001_WPSOffice_Level14喷水推进器性能预报系统设计 267382_WPSOffice_Level24.1喷水推进器模型的建立 2632064_WPSOffice_Level34.1.1喷水推进器模型的开发环境 2628577_WPSOffice_Level34.1.2喷水推进器模型建立 2614063_WPSOffice_Level24.2MATLAB算法设计以及GUI界面的设计 267263_WPSOffice_Level34.2.1MATLAB算法设计 2627444_WPSOffice_Level34.2.2GUI界面的设计 277546_WPSOffice_Level34.1喷水推进器性能预报界面布局 282530_WPSOffice_Level24.3喷水推进器性能预报系统测试及仿真结果分析 2910011_WPSOffice_Level34.3.1性能预报系统测试结果 2932482_WPSOffice_Level34.3.2性能预报系统结果分析 3014211_WPSOffice_Level24.4本章小结 312988_WPSOffice_Level15总结与展望 3223714_WPSOffice_Level25.1研究总结 3216108_WPSOffice_Level25.2研究展望 3212158_WPSOffice_Level1参考文献 331绪论1.1喷水推进器性能预报的研究背景和意义1.1.1喷水推进器性能预报的背景目前主流的船舶推进装置为螺旋桨推进器与喷水推进器螺旋桨推进器是指靠桨叶在水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。喷水推进器是推进机构的喷射部分浸在水中，利用喷射水流产生的反作用力驱动船舶前进的一种推进器。由水泵、管道、吸口和喷口等组成，并能通过喷口改变水流的喷射方向来实现船舶的操纵。效率比螺旋桨低推进器，但操纵性能好，特别是对于泥沙底的浅水航道，喷水推进器具有良好的适应性。螺旋桨的叶片和舵经常引起对通航河流的破坏，同时，因为复杂多变的航线，船只的可操纵性降低，又因为在浅水区域，所以加重了这种危险性。在许多船舶中，喷水推进器能够达到30+节的速度，而传统的螺旋桨解决方案无法克服气蚀的相关问题，并可能导致推进器崩溃和推进器系统故障等问题。设计来用于高速航行的船舶都要求相对低的阻力和相应细长的船体[1]。这就需要船舶的推进器能够提高水平的动力。所以喷水推进器被广泛应用与快艇以及潜水艇上。由于在不同型号的喷水推进器以及其安装在不同船舶上时影响喷水推进器性能的因素会存在不同使得喷水推进器的实际效率与理论效率存在不同。为了更好的设计船舶控制系统，对于喷水推进器性能预报的研究变得尤为重要。1.1.2喷水推进器性能预报研究的意义水泵是喷水推进器的动力核心，当喷水推进器的泵制造并安装好后，其不一定能在泵的设计条件下运行，可通过水泵的特性曲线综合直观地来表示泵的性能，了解各参数的变化，从而更好的对泵的性能进行分析。进气管的作用是吸收船体底部的水并输送到泵。进气道也是影响喷水推进器特性的主要因素。首先，管道中消耗了工作推进轴功率的值。其次，导管进口处存在着推进力与船舶之间的相互作用，对推进效率有很大影响。最后，进气管中的水力损失也会影响喷射的效率。同时，许多科学家研究了进气管的倾斜、唇口、斜坡、弯曲等影响因素。科学家在实验室进行了均匀进水试验，但由于进水管的限制，非均匀进水在喷水泵中实际上很常见，甚至影响到水力性能。非均匀进水还会影响叶片承受的负荷。喷水泵的实际功率是在实际工况下发现出来的，必须进一步验证。因此，理论效率与实测效率之间的较大偏差是喷水推进设计和应用中遇到的一个主要问题。所以对喷水推进器进行性能预报就变得尤为重要。首先因探讨其效率低下的原因，特别是喷水推进器的水力性能与非均匀流场的相关性以及进口的影响。通过性能预报研究喷水推进器在何种情况下能够达到最大的功率。减少能耗的同时提高船舶的运行速度。对船舶的性能进行预报能明确的了解船舶的性能。更准确的标定船舶的使用范围和使用效率。1.2国内外喷水推进器的研究现状近年来，世界各国的军事实力基本上都处于转型中，为了满足各种新的作战需求，对海上战斗力提出了更严格的要求，例如军用船舶要具有更高的航速、更优的操纵性、优异的隐身性、高度自动化控制等。而喷水推进装置具有以上这些优点，因此国内外的高速后勤运输补给舰、高速登陆艇、高速攻击艇、濒海战斗舰艇、护卫舰等军用舰艇多数采用了喷水推进装置来作为动力推进方式。喷水推进装置逐渐的从中小型向大型化、高效化、高速化发展。图1.1喷水推进器模型国外现状：自上个世纪七十年代开始，许多国家都在不遗余力地开展喷水推进的研发和推广普及的工作。在随之的中后期，喷水推进的技术慢慢延伸拓展到军事应用范畴中。1974年，英国将喷水推进技术应用在核潜艇“无上”号(Sovereign)上。1983年服役的“特拉法加”(Trafalgar)级核潜艇通过试验测试，证实了该型潜艇比奥白龙级柴电潜艇的噪声级别低的多，因此，被英国认为是最安静型的潜艇.喷水推进主要适合应用于高速、静音、动力定位要求严格的舰艇，以及高性能舰艇和浅吃水型舰艇上等。起初主要是应用于小型快艇如巡逻艇上，但随着大功率喷水推进器的发展和市场需求的扩大，一些大中型舰艇也开始采用喷水推进。喷水推进技术在军用船舶上的初步应用，呈现出了喷水推进的诸多优点。各国的海军研究机构已经投入了大量人力、物力来开展此项技术的研究工作，促使喷水推进的科研工作得到极大的推进。Willem.N[2]利用基于RANS方程的数值计算数据，与混流泵实验数据进行了对比分析，验证了数值模拟的精确性，在对该型喷水推进泵内部流动进行分析时，发现进水流道的存在导致了压力分布不均匀性和喷水推进系统之间存在相互作用。R.Verbeek[3]针对喷水推进装置进行了数值模拟分析，得出了汽蚀余量与泵的几何及工作参数有关的结论。随着喷水推进技术的快速发展，以及性能逐渐完善，适用的船舶领域范围也会随之进一步扩大，对喷水推进的设计标准也愈加的细致化、规范化。国内现状：国外对喷水推进技术的研究工作起步早，其研发的初衷均是应用于军事领域的核心技术。因此除了公开的少许相对完善的技术，国内很少能够接触到其技术详情，这就造成了国内应用喷水推进技术的多数企业在关键技术和动力匹配方面都十分仰仗国外的生厂商。因此，若想走出这种困境以及在关键技术上打开缺口和寻求创新，一方面借鉴国外成熟技术和经验，另一方面在技术的研究方法也要有正确定位。在国内的研究中，受制于现实条件和关键技术的成熟度，因此研究喷水推进的部门较少，其中多数为军事领域的研究部门如海军工程大学、哈尔滨工程大学等相关科研院所。随着喷水推进技术的推广应用，已经有大量的民用船舶运用了喷水技术，国内在喷水推进技术研究和推广应用方面也获得了较大的进展。其中，上海708研究所是国内研究喷水推进技术的中坚力量，经过相关研究部门多年努力下，获得了令人骄傲的科研成果，其研发的新型喷水推进组合体获36届鲁布塞尔尤里卡世界创造发明博览会银奖，受到国外船舶领域的广泛关注，现该项技术在出口海上高性能多用途挖泥船上有了较为成功的运用。在2002年完成试验基地建立，规格庞大，设备一流，可以进行喷水推进器进水流道的流场实验，其试验精度可以持平国际先进水准。哈尔滨工程大学也组建了庞大的研究团队投入喷水推进领域的研究中，且取得了比较有竞争力的研究成果。先后有越来越多的学者开展对喷水推进泵程序开发，模型构建和性能优化的研究工作。其中刘仲祥借助Fluent软件对喷水推进泵内部流场进行数值计算，总结出角度的改变引起喷泵的效率的变化趋势，为喷水推进泵设计提供了一定参考意义。胡新生通过对喷水推进泵叶轮相关参数进行优化研究,利用数值模拟法分析产生汽蚀原因及提出了改善抑制喷泵汽蚀问题的方法，提高了泵的性能。大连海事大学针对喷水推进泵的数值模拟和仿真研究方面取得了重要进展，根据无人艇对喷水推进的动力需求，借助现有的设备资源研发设计了两种形式的喷水推进泵，为后续的喷水推进泵的实验提供了一定的依据。综上所述，国内当前在喷水推进技术上的研究也取得了一定的成果，但在理论研究和开发设计方面还未能与国际水平同步。所以进一步对喷水推进技术的研究，将对我国的船舶领域的发展起到巨大的推动作用。目前喷水推进的不足之处[4]：①机械传动机构仍然比较复杂,体积庞大。由于增加了外壳体的保护,推进泵叶轮的拆换比螺旋桨复杂。②由于增加了管道中水的重量,导致航行器的排水量增大,效率有所降低。进水口损失的功率约占主机总功率的7%～9%[5]。在水草或杂物较多的水域,进水口容易堵塞。③推进效率在航速较低时比传统螺旋桨的低。④在航行过程中产生的空气辐射噪声仍较大。⑤推力矢量化程度低,特别在航行器转弯时其推力会丧失。⑥缺乏一套操作灵敏、水动力学性能优异的倒车装置。⑦喷水推进器的浅吃水航行带来了在沙砾较多的水域中碎石和沙砾被吸入系统的风险。喷水推进器发展方向：1）在船舶喷水推进应用中，影响船舶推进性能的核心部件为喷水推进泵。当前，不少制造厂商对于喷水推进泵的研究设计朝着大功率化、大型化方向发展，为了满足大型船舶的动力要求。2）提高应用喷水推进技术船舶的推进效率。喷泵进水口功率的损失，进水流道的不均匀等因素都阻碍了喷水推进技术的发展。3）推进装置的部套化[6]。这样一方面为其使用和生产提供便捷，另一方面制造上的成批生产，有助于系列化、规范化，提高质量，降低成本。使用时配套和安装都很方便，这对造船厂和船东都比较有利。喷水推进适应各种工况的能力比螺旋桨优越，且它是布置在船尾，尾轴不需要穿过船壳，有利于装置部套化的发展。目前喷水推进系统推力的预报与测量方法有三种及其优劣性[7-10]。第一种方法是理论分析法。根据动量定理和伯努利方程以及推进泵的水力性能对各种工况下喷水推进器的推力性能进行描述,系统中的各种能量损失采用经验参数来确定。这种采用经验系数的方法需要有大量试验数据的统计结果作为基础。第二种方法采用试验测量的手段来求取喷水推进器的推力。推力可通过直接测量得到,也可通过测量进水口和出水口(即喷口)处的速度场以及流量,采用动量流量方法计算而间接地求取。由于直接测量推力需要的设备复杂、造价昂贵,而采用动量流量法测量推力不受泵型的限制,且喷水推进器与船体之间无需复杂的水密装置而被各研究机构广为采用。第三种方法是采用数值计算(或数值试验)的方法,即用计算流体力学(CFD)方法来求取喷水推进器的推力。对应于上述第二种方法,这种方法也通过两种途径来计算推力,分别为CFD动量流量法和壁面积分法。这种方法是采用CFD方法计算喷水推进系统的流场,并对其进行数值分析[11-13]。第一种途径是根据所求取的速度场计算进水口和出水口的动量变化,间接地求取喷水推进器的推力;第二种途径是直接对喷水推进器各壁面上的作用力进行积分,求和得到推力。理论分析方法优点在于所得结果具有普遍性，喷水推进器推力性能的影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证数值计算方法的理论基础它往往要求对喷水推进器的模型进行抽象和简化。理论公式对喷水推进器性能的描述具有局限性，有时也不能很好地反映多种工况，如，进流形状受进速比IVR的影响等；喷水推进器空化状态下推力性能预报考虑因素更多、更复杂，理论方法很难实现。性能预报系统界面设计使用技术：图形用户界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点。图形用户界面由窗口、下拉菜单、对话框及其相应的控制机制构成，在各种新式应用程序中都是标准化的，即相同的操作总是以同样的方式来完成，在图形用户界面，用户看到和操作的都是图形对象，应用的是计算机图形学的技术。GUI即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到GUI在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事GUI的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流GUI设计理论与经验为目的。随着中国IT产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用。1.3本设计的主要内容本设计所完成的工作即主要内容归纳如下：用动量计算方法求推力的理论：采用动量定理和伯努利方程求解喷水推进器推力的数值模型。通过实验测量的方法：通过书籍以及论文熟悉并掌握喷水推进器的基本理论、性能指标，以及影响喷水推进器的外部影响因素，选择喷水推进器的推理求解方法。使用MATLAB设计性能预报系统，研究影响喷水推进器性能的各项参数，通过输入的喷水推进器参数计算出来的喷水推进器所得到的推力、喷水推进器的扬程，流量以及工作效率，对喷水推进器进行性能预报。输出并显示出喷水推进器在性能安装在不同水流以及不同喷速比下的性能的性能，并对其进行预报。对得出来的喷水推进器性能指标进行分析，进一步掌握喷水推进器的性能影响因素。1.4论文的章节安排第一章：绪论概述喷水推进器性能预报的研究背景以及研究意义。分析国内外喷水推进器性能预报的研究现状以及喷水推进器的发展方向以及喷水推进器推理的主要方法介绍。第二章：总体介绍喷水推机器的型号以及喷水推进器的工作原理，以及涉及到的喷水推进器的类型。完成实验样机的设计。拟定系统的流程图，MATLAB软件介绍。第三章：对喷水推进器的基本原理，性能指标以及推力理论分析进行详细的介绍。对比不同的推力求解方法，选择最适合本文研究的求解方法进行性能预报系统的设计。第四章：用MATLAB软件设计喷水推进器性能预报系统，并进行仿真。并对得出来的性能指标进行分析。第五章：总结本次设计的研究成果，分析系统存在的不足，改进系统，指明下一步的研究方向。

2总体设计2.1喷水推进器推力求解喷水推进器由泵体和进水管道组成,泵体是喷水推进器的核心,负责把机械能转化为水力能;进水管道把水从外界导入泵体,并从喷嘴高速喷出,产生推力来推动船前进。图2.1为喷水推进器示意图图2.1喷水推进器示意图影响喷水推进器推力的因素：推进器内部的损失、船-泵之间的相互作用和气蚀情况[14]。2.1.1推进器内部的影响进口影响：由于船体边界层的存在,喷水推进器进口的动量和来流的动能都发生了改变。图2.2进水口前虚拟管道截面进口速度分布与边界层厚度有关,可以采用如下公式表示[15]：（2.1）式中，W为边界层厚度;Y为从船壳量起与速度垂直的坐标;为该处的局部速度为船舶的航行速度。边界层厚度可参考如下公式[16]：（2.2）式中，l为计算边界层厚度的点到船首距离m;为船的航速,m/s。进流横截面列方程:（2.3）式中，W为水流进流宽度,m,通常比进口宽度B大50%～100%;当m=2时,进口截面为半椭圆形;进口的高度。动量系数：（2.4）进口动能利用系数:（2.5）进口损失：进口损失与进口的形状有很大的关系,可以表示为：（2.6）式中，为进口损失系数;为进口平均速度。喷口损失：喷口损失与形状有关,目前大多数喷口的设计采用固定面积低损耗收缩型喷口。水力损失系数一般取0.02-0.03。弯道损失：弯管损失主要来源于旋涡和水流管壁分离.管道转角的度数、弯管曲率半径的大小、前后管段的面积比例以及弯管截面形状都可以影响弯道损失。（2.7）喷口高度损失：喷水推进器泵体产生的扬程必须有一部分来克服喷口高度所带来的损失。用h表示2.1.2喷水推进器的基本推力计算公式喷水推进器产生的推力：（2.8）根据能量守恒,泵体所需要的扬程：(2.9)（2.10）通过MATLAB为工具解方程得,通过式(2.8)可计算推力T.2.2两种喷水推进器的模型介绍2.2.1AWJ-21TM侵没式喷水推进器浸没式喷水推进是基于尾板式喷水推进发展起来的一种推进方式AdvancedWaterjet21（AWJ-21TM）侵没式喷水推进器，AWJ-21TM如图2.2[17]。图2.2：AWJ-21TM2.2.2SD-HGD266型混流式喷水推进器SD-HGD266型混流式喷水推进器,混流式喷水推进器具有轴向长度短、功率密度大、过流能力强、汽蚀性能好等特点，但设计难度较高．SD-HGD266如图2.3图2.3：SD-HGD266喷水推进器三维造型2.3性能预报系统设计2.3.1系统流程图本文研究的主要是喷水推进器性能预报系统的设计与实现。该系统主要进行的是信息的处理，通过喷水推进器的模型，以及外部条件（水流速，船体的大小，载重等），系统经过计算得出喷水推进器的性能，再与实验结果中对应的外界因素进行对比实验情况。最终以图表的方式输出喷水推进器的预报性能。系统的流程图如下图所示：2.3.2使用的软件简介MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制系统设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、建模动态仿真等。适合进行喷水推进器的动量计算以及性能预报系统的设计与实现。2.4喷水推进器性能预报系统设计小结通过总结系统设计中所遇到的困难以及关于设计问题的解决，对比其他喷水推进器性能预报系统的优点与缺陷发现自己设计方面的问题，改进的地方，以及了解未来喷水推进器性能预报系统的发展。

3喷水推进器基本理论及方法比较3.1喷水推进系统原理3.1.1喷水推进系统的工作原理作为安装在船舶内部的一种推进方式，喷水推进器的工作原理是喷泵中的叶轮经过主机驱动转动的时候，水流从船舶的底部进水口被吸入，经过进水流道进入叶轮。叶轮对水流做功，能够让水流有足够的动能和压能。通过导叶体的整流作用，以及锥形喷嘴的导流功能，使水流的轴向速度有所提高，使其从喷嘴能够以较高的速度形式喷射出，如图3.1所示。依据牛顿的作用力和反作用力原理，从喷泵喷嘴喷射出的水流将对船体产生反作用力，以推动着船舶的航行[18]。1导叶体;2叶轮;3主轴图3.1水流在叶轮和导叶体中的流动在转向机构中通过转向传向臂，带动喷嘴的左右转动，改变喷泵的喷水方向，从而使舰艏的角度发生变化。通过液压控制液压缸伸长，是换向导流器下降到水平位置，喷泵向前下方喷水，产生倒车推力使船舶后退。喷水推进的船舶可以在浅水域航行，但是必须考虑到，在喷泵高速运转下，进水流道的入口处吸力很大，松散的物体会堵住进水格栅，细小的物体也会被吸入到喷泵中，叶轮和缸筒的磨损是不可避免的，当推力下降时，喷泵被杂物堵塞了，需要清理喷泵内部以及格栅处的杂物后，船舶便可以继续正常行驶。3.1.2喷水推进系统的基本方程式在应用喷水推进技术的船舶中，相比较传统的螺旋桨，其推进泵的设计要更加的繁琐。通过喷水推进泵喷射出的出水流的反作用力来驱动喷水推进船舶的航行，而螺旋桨船由螺旋桨直接产生推力驱动船舶行驶，这是两者的主要区别。在这样的情况下，喷水推进的设计可以定性为船舶上的主机、喷水推进泵以及船舶本身三个方面的平衡，即主机输出的功率、扭矩与喷泵接收的功率、扭矩二者之间要相平衡；喷水推进泵产生的扬程和整个系统需要的扬程二者之间要相平衡；喷水推进系统产生的推力和满足工况下的船体总阻力二者之间要相平衡。主要有以下三个基本方程[19]喷水推进系统的推力T与船舶阻力R的平衡关系为：(3.1)式中：为水密度(kg/m³)；Q为喷泵流量(m³/s)；为喷口喷射速度(m/s)；为航速（m/s）；为边界层对进流的影响系数。主机的输出功率与喷水推进泵的接收功率的平衡关系式：(3.2)式中：为水的重度；为主机发出的功率(kw)；H为喷泵扬程(m)；为机械传动效率；为喷泵的效率。喷水推进泵产生的扬程与整个系统所需的扬程之间的平衡为：（3.3）式中，为喷口损失系数；为管道损失系数；为泵内水位升高(m)。根据进水流道中水流的连续性，可得下式：（3.4）式中，为喷口面积（）。（1）理想喷水推进器[20]在应用喷水推进装置的船舶中，水流经过进水流道进入喷水推进泵，通过整流加速从喷嘴喷射出，对船舶产生反作用力来驱动船舶航行。如图3.2所示的喷水推进示意图。图3.2喷水推进示意图水流通过喷水推进装置整流加速，使喷嘴喷射出的水流速度要高于船舶行驶速度。因此，在理想的状况下，喷水推进泵推力的大小等于水流在流道中单位时间内的动量变化率，即推力的计算公式为：（3.5）式中：为水密度(kg/m³)；Q为喷泵流量(m³/s)；为喷口喷射速度(m/s)；为航速（m/s）；喷水推进装置的理想效率为：（3.6）式中，为喷速与船速之比，即，简称喷速比。依据（3.6）式可知道，喷水推进泵的效率随着喷速比的增大而减小，当=1时，喷射效率最高，到达100%。但是，当喷速比等于1时喷口速度和船速相等，喷水推进的推力大小为零。在产生相同推力的条件下，喷速比越大，所需要的流量越小，喷水推进器的尺寸越小，然而，此时的喷射效率越低；喷速比越小时，喷水推进器的效率越高，但所需要的流量越大，喷水推进器的尺寸也随之增大。所以在喷水推进器的设计选型时，需要对喷射效率、推进尺寸等多种因素进行权衡考虑后确定。（2）实际喷水推进器在现实情况下，诸如管道系统损失和喷泵本身的水力损失等因素都会造成喷水推进系统的效率损失，理想推进器则不考虑损失。考虑实际情况的推进器总效率为：（3.7）式中，为推进系统的效率；为机械传动效率；为喷水推进泵效率；H扬程(m)；为水的重度；为主机发出的功率(kw)。为了能够有效地提高实际喷水推进效率，主要着手于下面三点：1）考虑到阻力、船速等影响因子，应该优选喷速比以及喷水推进泵的扬程、比转速等；2）提高喷水推进泵的效率；3）减小整个流道的水力损失。提高喷水推进泵的效率和系统效率(即减少管道损失)是当前对于提高喷水推进效率行之有效的办法。目前，经过优化设计的推进泵效率可超过90%，而系统的效率也可以保证在62%到71%之间，致使喷水推进船舶的总效率可以超过60%。3.2喷水推进器的性能3.2.1喷水推进器的性能指标喷水推进器的水力性能指标称之为特性参数，包括流量、扬程、转速、功率、效率、比转速等[21].。1）流量喷水推进器在单位时间内输送的液体量（体积或者重量）称之为流量，用符号Q表示。通常情况下是以体积流量Q（m³/s）来作为喷水推进器的流量。2）扬程单位重量的液体通过喷水推进器的作用，其能量的增加值，被称之为扬程，用符号H表示。若喷水推进器的轴在水平安置时候，此时其进口与出口之间无高度差，计算扬程的时候可以忽略位头因素，喷水推进器的扬程即等于其进出口总压力的差值。3）转速喷水推进器的轴单位时间内的转数被称之为转速，用符号n表示。4）功率和效率喷水推进器的功率通常指输入功率，即主机传到泵的轴上的功率，所以又称之为轴功率，用符号P表示。喷水推进器的有效功率又称为输出功率，用符号表示。单位时间内液体被喷水推进器输送出去时，在喷水推进泵内获得的有效能量。喷水推进器的有效功率可表示为：（3.8）式中，为液体的密度(kg/m³)；Q为流量(m³/s)；H为扬程(m)。喷水推进泵的输入功率和有效功率两者之间的差值被称为其损失功率，可用喷水推进泵效率来计算其大小。喷水推进器的效率为有效功率与输入功率之比表示为：（3.9）造成喷水推进器内部损失原因是多方面的，主要有三种，第一是应用轴承构件产生的机械损失；第二是叶轮与泵体之间的间隙过大、轴与轴承间的密封泄露以及回流损失；第三是水力损失，主要包括叶轮参数、流道形状以及管道损失等影响因子。5）汽蚀比转速喷水推进器用汽蚀比转速C来表示喷水推进器的抗空泡性能，计算公式为：（3.10）式中，为临界汽蚀余量或称为所需要的最小净正吸高，需通过试验确定。6）比转速比转速是能够反映喷水推进器综合性能的一个主要水力指标，它依据相似定律推理得来，用符号表示。若喷水推进器的比转速高，则相应的流量大，此时的扬程也较低。比转速的计算公式为：(3.11)式中,n为喷水推进器泵的转速(r/min)。3.2.2喷水推进器的特性喷水推进器作为船舶动力应用领域的新型推进器，为了能够适应复杂水域的工况环境，对喷水推进器的性能指标也提出了更高的标准，不仅需要有较高的汽蚀比转速，还需要有较大的扬程同时较大的流量系数也是必要条件，这样能够增强喷水推进器的过流能力，提高其效率。目前喷水推进器主要以混流式喷水推进器为主。3.3喷水推进器的基本理论3.3.1边界层影响根据边界层相关理论知识，船舶在水中航行的船速为时，其在驻点以后贴近船身的部分，流过船体的水流速度比船舶速度低，此即所谓边界层的影响。而在船舶上应用喷水推进技术的时候，喷水推进泵的进水流道出口位于船舶边界层内。通常情况下，水流在边界层内部和外部速度是存在差异性的，一般是前者的速度要比后者的小。因此，从进水流道进入的水流平均速度要小于来流速度。然而，大多数喷水推进泵的吸水口都处在航行船舶船体周围的边界层中，其存在定将会引起推进泵吸水口流速的减小，致使被喷泵吸入水流的的动量以及能量的变化，从而造成喷水推进泵推力以及所需要的功率变化[22]。在喷水推进理论中，通常是引入进流系数α和进口动量利用系数β来表述边界层的影响。从船舶推进角度看，一般在等流量的情况下，喷水推进器所产生的推力与进流系数α有关，当进流系数α逐渐减小时，推力有明显增加的趋势；喷水推进系统的管道系统的效率，如果已经确定了喷速比k和管道阻力系数，那么，其效率将随着α减小而增加。所以边界层影响系数选择将会影响喷水推进泵性能的优劣。3.3.2三种喷水推进器理论分析及对比能够表述喷水推进理论的种类类别众多，其中以管道损失系数K1、K2、K3这三种基本形式表示最具代表性[22]法利用来流速度头的百分比表示喷水推进系统的管道损失。其理论推导公式如下：(3.12)(3.13)(3.14)(3.15)式中，为管道损失系数；为喷口损失系数。在确定船用喷水推进系统主要的参数时，若设计的船舶速度V0变化幅度较小,则利用来表述管道损失时，将不能够造成系统管道损失有较大的变化趋势。此外，使用法获得的系统参数与最佳喷速比较为接近。然而,当选用不同的喷水推进系统来满足相同喷水推进要求时，此法不能够准确地反应各系统在管道上损失上的差异。2）法利用来流速度头的百分比表示喷水推进系统的管道损失。其理论推导公式如下：（3.16）（3.17）（3.18）（3.19）式中，为管道损失系数,为喷口损失系数。因为进水管道损失是造成大部分系统的管道损失,法不足之处为它与喷口速度没有直接的对应关系关系。因而在现实的喷水推进船舶航行工况下，此法不能真实地反应喷水推进系统的损失。例如，在当系统功率和喷水推进泵的效率确定时，如按照法来计算系统管道损失，喷口速度越大流动损失就越大，然而实际情况下是随着增加，则系统的扬程H也增加，此时的流量Q随之减少，因此系统的管道损失应该是减小而不是增大。法管道损失用流量的变化关系来表示。其理论推导公式如下：(3.20)(3.21)(3.22)(3.23)式中，，为水位升高，，为进口管道损失。由此可知，喷速比k的增大伴随着流量Q的减小，致使管道损失也对应着减小，用法来表示管道损失较为符合实际情况。然而,法对喷速比k的变化有较高的要求，此弊端致使管道损失随着2k1变化大。同时值变化大，为了能够精确确值,必须要积累大量船型资料和实际经验作为支撑。描述管道损失的三种方法中，法在实际中应用最多。因此选择使用法来设计喷水推进器性能预报系统，把管道损失全部用来表示，则不同管道损失系数条件下喷泵效率随喷速比的变化情况如图3.2所示[23]。图3.2喷水推进器效率与喷速比变化趋势由图像可知：随着管道损失系数k的增加,管道损失随之增加，喷水推进泵的效率呈下降趋势；当喷速比k达到最佳效率时，喷泵效率最大，随后效率随k增大而减小。3.3.3喷水推进器的推力喷水推进的船舶是利用水流经过喷水推进泵的喷嘴以高速形式喷出，产生水流的反作用力来驱动船舶航行。根据动量定理分析得，喷水推进器推力的大小等于流经喷水推进器的流体在喷口与进口之间单位时间内对的动能变化率。喷水推进器的推力为：（3.24）式中，为水的密度；Q为水的流量；为喷口水流速度，为船的航速，为喷口面积。3.3.4船体对喷水推进系统的作用对于大多数应用喷水推进技术的船舶上，船体的边界层覆盖着喷水推进泵的进水口。因为船体周围边界层存在，致使其内部水流速度要比外部小，在这样的情况下，来流的速度要高于被吸入进水流道系统的流速，因此船体对喷水推进系统的作用可以表述为边界层因素对流速的影响。由先前分析可知，进流系数α和进口动量利用系数β为边界层影响因素，可用（2.4）、（2.5）式分别表示。3.4本章小结本章节通过分析喷水推进器的基本原理，明白了喷水推进器的多种性能指标以及影响喷水推进器性能的多种因素，并对于主要的边界层影响因素进行了详细的分析，以及系数α与β的计算原理以及方法。对比了三种喷水推进器的推力理论，选择最适合本课题研究的理论计算方法。最后总结了船体对于喷水推进器性能的影响。

4喷水推进器性能预报系统设计4.1喷水推进器模型的建立4.1.1喷水推进器模型的开发环境本论文的主要研究目标喷水推进器的性能预报系统设计与实现。据喷水推进器的基本理论搭建喷水推进器的数学模型。通过MATLAB软件中的Simulink的GUI进行模型的搭建、系统的设计、图形用户界面的设计。MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。4.1.2喷水推进器模型建立喷岁推进器模型是将一维的换向液压控制系统和三维喷水推进器模型中换向导流器模型进行耦合连接。因为本文着重研究的是喷水推进器自身性能的预报，所以对于船体以及发动机的各项参数的设定为给定值，搭建满足设计要求的相应仿真模型，再将各个仿真模块有效地连接起来，使其变为一个具有整体性的系统，按照实际情况对各个元件的相关参数进行运算，最终完成了喷水推进器性能预报系统仿真模型的创建。4.2MATLAB算法设计及GUI界面的设计4.2.1MATLAB算法设计MATLAB求解微分方程的函数选择：函数

dsolve求解的是常微分方程的精确解法，也称为常微分方程的符号解.但是，有大量的常微分方程虽然从理论上讲，其解是存在的，但我们却无法求出其解析解，此时，我们需要寻求方程的数值解，在求常微分方程数值解方面，MATLAB具有丰富的函数，将其统称为

solver，其一般格式为：[T,Y]=solver(odefun,tspan,y0)(1)solver为命令

ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t、ode23tb、ode15i之一。(2)odefun是显示微分方程

y

'

=

f

(t

,y)在积分区间

tspan=

[t

0

,

t

f

]

上从

t0

到

t

f

用初始条件

y0

求解。(3)如果要获得微分方程问题在其他指定时间点

t

0

,

t1

,

t

2

,,t

f

上的解，则令tspan=

[t

0

,

t1

,

t2

,tf

]

(要求是单调的)。

(4)因为没有一种算法可以有效的解决所有的

ODE问题，为此，Matlab提供了多种求解器

solver，对于不同的

ODE问题，采用不同的

solver。solver命令用法及特点比较如下表4.1：表4.1solver命令用法及特点求解器ODE类型特点说明ode45非刚性单步算法：4、5阶Runge-Kutta方程累计截断误差大部分场合的首选算法ode23非刚性单步算法：2、3阶Runge-Kutta方程累计截断误差使用精度较低的情形ode113非刚性多步法：Adams算法高低精度可达计算时间较短ode23t适度刚性采用梯形算法适度刚性情形ode15s刚性多步法：Gear’s反向数值微分，精度中等若ode45失效时，可尝试使用ode23s刚性单步法：2阶Rosebrock算法，低精度精度较低时计算时间短ode23tb刚性梯形算法，低精度精度较低时计算时间短由于本实验中的微分方程为一般微分方程故选用ode45求解器编写代码求解喷水推进器的推力。4.2.2GUI界面的设计MATLABGUI（图形用户界面设计）介绍MATLABGUIGUIDE把GUI设计的内容保存在两个文件中，它们在第一次保存或运行时生成。一个是FIG文件，它包含对GUI和GUI组件的完整描述；另外一个是M文件，它包含控制GUI的代码和组件的回调事件代码。这两个文件与GUI显示和编程任务相对应。在版面设计器中创建GUI时，内容保存在FIG文件中；对GUI编程时，内容保存在M文件中。通常情况下在版面设计器工具栏上单击

图标可以打开M文件编辑器。MATLABGUI控件介绍：静态文本：不能修改的提示性的文本可编辑文本：可供用户输入数据用，在编辑框内可提供缺省的输入值，随后用户可以修改。面板：包含控件的集合，使得控件可以整体移动。按钮：上面有文字说明，而且单击松开后即触发。轴：运用于显示图片或者函数图像根据喷水推进器的原理在MATLABGUI界面添加的控件。利用GUIDE的外观编辑功能在界面绘制需要的控件，并设定合适的位置以及大小，控件布局如下图4.1所示。4.1喷水推进器性能预报界面布局由于本课题主要研究的是喷水推进器的性能预报，故设定船体的进速系数、动能利用系数、主机功率、水泵效率、环境修正系数为给定值。来流头水流速度（即水流速度）以及喷水推进器喷速比为给输入值。系统效率、总效率、推力、航行船时速、航行船速度、喷水推进器喷速、喷水推进器扬程、经过喷水推进器内部的水流流量为喷水推进器的性能输出到界面中。在M文件中编写程序，根据喷水推进器的基本原理将输入的参数值以及设定的参数通过K1法进行运算，进而得出喷水推进器的各项参数，并显示在输出窗口中，预报出喷水推进器的各项性能指标。并根据管道损失系数的不同求解出最佳的喷速比。4.3喷水推进器性能预报系统测试及仿真结果分析运行喷水推进器性能预报系统输入参数，来流头的水流速度以及喷速比k。运行结果如下图4.3所示。可根据动量定理计算出喷水推进器的各项参数。可清晰的显示出喷水推进器在喷速比k值时航行速度与推力以及有效推力之间的函数关系，并以图像的方式显示出来。并可对不同的输入值进行计算。图4.2喷水推进器性能预报系统运行结果4.3.1性能预报系统测试结果为了更好的测试性能预报系统对于喷水推进器性能的预报功能，所以输入不同的水流速度以及喷速比实验结果如下表4.2性能预报系统结果所示：表4.2性能预报系统结果输入值推力扬程流量最佳喷速比水流速度：2.5喷速比：1.520825.50.901.51水流速度：2.5喷速比：1.42061水流速度：2.5喷速比：1.620730.30.761.51水流速度：3喷速比：1.619331.30.741.62水流速度：3喷速比：1.519226.00.891.62水流速度：3喷速比：1.41862水流速度：3喷速比：1.01589.42.451.62图4.3喷水推进器推力与航速的坐标显示4.3.2性能预报系统结果分析喷水推进器的基本性能指标有流量、扬程、功率和效率等。前面章节对其流量与扬程已经有了较为详细的定义描述，而扬程是泵自身性能，只与泵进出口处液体能量有关，和喷水推进器装置无直接关系。依据（3.8）和（3.9）式也可以知道功率与效率的对应关系。利用已经建立了的喷水推进系统模型，分析其参数之间的对应关系以及变化规律。由上表可知当喷水推进器的喷速比接近于喷水推进器对应的喷水推进器获得的推力较大，而喷速比与最佳喷速比差值较大时获得的推力较小，呈现正太分布。来流头水流速度越低喷水推进器的管道损失系数K1越低，喷水推进器获得的推理越大性能越好。该系统能够计算出喷水推进器在不同的水流条件下喷水推进器的有效推力与航速之间的函数关系。当保持一定转速比的时候，扬程随着流量的增加而逐步减小。通过对比仿真计算结果与喷水推进器实际工作结果，误差绝大多数控制在12%以内，仿真计算的结果要略高于试验结果，这是因为对比于喷水推进器的实际工作状况在仿真计算的时候简化了弯管、喷嘴等多处能量损失，总之两者的大体趋势一致，满足误差范围，最终证明了所建立的喷水推进系统模型的可靠性和一定的准确性。因此，本文所建立的系统模型能够正确反映整个推进装置的工作特性，具有较高的可信度。4.4本章小结本章通过MATLAB仿真软件中的GUI图形界面设计功能设计了喷水推进器性能预报系统。可以通过输入的喷水推进器可变参数计算得出喷水推进器的各项性能并显示，以及显示出喷水推进器所得的推力与船航行速度之间的关系。并利用仿真结果进行对比分析，喷水推进器的扬程、轴功率和效率满足系统设计要求，同时也证明了所搭建的喷水推进系统模型的正确性和可靠性。

5总结与展望5.1研究总结本文在查阅研究了大量相关文献的基础上，通过对喷水推进器的推进理论和数学建模软件MATLAB深入学习，并对船用喷水推进器进行了系统的研究，搭建了船用喷水推进器系统。通过应用软件MATLABGUI图形界面设计功能，创建了整个喷水推进器性能预报系统仿真模型，使整个系统能够在虚拟环境中模拟运行，为系统仿真创建一个便利、高效的仿真平台，其预报结果也能够对船用的喷水推进器的设计提供了有益的借鉴，以及对船用喷水推进器性能有更加详细的了解。本文的主要结论如下：查阅和研究了国内外有关喷水推进器性能预报的大批的文献，对应用喷水推进器的船舶推进性能有了比较深刻的认识。确定了喷水推进器性能需要进行综合考虑的因素以及模块化分析方案，确保整个系统研究方案的可行性。通过MATLAB仿真软件搭建喷水推进器模型，设计喷水推进器性能预报系统，以及人机交互界面。用软件现有模型库中元件搭建模型并设计喷水推进器性能预报系统界面，完成了喷水推进器性能预报系统仿真研究。对喷水推进器自身的推进性能进行了有针对性的分析研究，利用仿真数据进行数据的对比分析，不仅验证了系统模型的有效性和可靠性，同时实践也证明了该系统在喷水推进器动力应用仿真分析方面的可行性，为喷水推进器的船舶设计提供一个便捷、有效的性能预报平台。5.2研究展望本文虽然对喷水推进器的推进性能预报系统进行了较为深入的研究，并且取得了一定的研究成果。但该系统仍有许多值得进一步深入探讨的方面。在创建的喷水推进系统模型中，利用MATLAB开发喷水推进泵的主体模型尚有待进一步改进，整个模型的能量传递还需进一步完善；对于喷水推器性能的优化尚需深入的研究。在搭建的系统模型中，由于只针对喷水推进泵自身性能研究，柴油机模型有待完善，提高其仿真的准确性。由于诸方面条件所限，以及实船的有针对性试