一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则：a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；b)开孔率(开孔总面积/翼表面积)不大于1％；c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式；其设计方法：根据舵翼尺寸确定初步的开孔区域；计算舵翼表面积；根据开孔总面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值；根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案；根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。本发明专利技术降低了尾涡脱落强度，提高了涡脱频率，降低了低频噪声，开孔对舵翼操纵性影响较低。较低。较低。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法


[0001]本专利技术属于舵翼水动力噪声控制
，具体涉及一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法。

技术介绍

[0002]水下航行器结构复杂，其流线型结构中较为明显的突出部位——舵翼结构，破坏了流场及压力场的连续性，产生水动力噪声。流体流经舵翼表面会产生流动分离，并在尾缘逆压梯度的作用下卷起形成尾涡并脱落，这一现象在舵翼来流攻角较大时尤为突出。尾涡除直接辐射噪声外，在其脱落的过程中还会激励舵翼，引起舵翼的振动声辐射，其幅值较大、频率较低，影响了水下航行器的声学性能。同时尾涡中心存在低压区，存在潜在的空化问题。一旦空化发生，舵翼的水动力和声学特性将会急剧恶化。因此如何降低尾缘附近的脱涡强度、抑制涡激励，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0003]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的问题，提供一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法，从减小尾缘脱涡强度和改善舵翼声学特性的角度出发，在舵上设置开孔，利用开孔的均压作用，降低压力面与吸力面之间的压差，从而减小脱涡尺度和强度，改变脱涡频率，达到有效抑制涡激励振动和直接声辐射的目的。
[0004]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：
[0005]一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则如下：
[0006]a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；
[0007]b)开孔率不大于1％，所述开孔率＝开孔总面积/翼表面积；
[0008]c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式。
[0009]上述方案中，开孔形状为圆形。
[0010]上述方案中，开孔孔径大小为舵翼舷长的1％～2％。
[0011]上述方案中，开孔形式为直开孔。
[0012]上述方案中，所述压力孔在流向和展向均匀分布；。
[0013]上述方案中，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍。
[0014]上述方案中，流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。
[0015]相应的，本专利技术还提出上述抑制涡激励振动的带孔舵的设计方法，包括以下步骤：
[0016]S1、根据具体的舵翼尺寸，以开孔设置在3/4翼弦长至尾缘之间为定位原则，确定初步的开孔区域；
[0017]S2、计算舵翼表面积，为弧长
×
宽；
[0018]S3、根据开孔总面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值；
[0019]S4、根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案
：
孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍；计算舵翼升阻比，所述升阻比为升力与阻力比值，依据升阻比不大于5％的原则，优选升力脉动小、升力损失少的几种开孔方案；
[0020]S5、根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。
[0021]本专利技术的有益效果在于：
[0022]1、本专利技术从减小尾缘脱涡强度的角度出发，在舵上设置开孔，利用开孔的均压作用，降低压力面与吸力面之间的压差，从而减小脱涡尺度和强度，达到有效抑制涡激励振动的目的。
[0023]2.相较于大尺度涡，受开孔后均压影响的小尺度脱落涡声辐射能量集中于中高频，这部分能量容易被耗散掉，可降低舵翼流场的直接声辐射级。
[0024]3.脱涡尺度和强度的降低改善了流场的压力分布，低压区的减小降低了空化发生的可能性。
[0025]4、由于开孔总面积的限制，开孔引起的额外流激噪声相对于涡激励振动噪声为小量，不会引起总的辐射噪声的升高。同时其对舵翼升阻力影响相对较低，不会明显改变舵翼的操纵性。
附图说明
[0026]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：
[0027]图1是本专利技术实施例中带孔舵的立体结构示意图；
[0028]图2是图1所示带孔舵的平面结构示意图；
[0029]图3是开孔对于尾涡涡量和流场压力分布的影响示意图；
[0030]图4是采用Q等值面表征的流场涡结构的对比图；
[0031]图5是无孔和开孔水翼升力系数的对比图；
[0032]图6是水翼表面压力监测点分布的示意图；
[0033]图7是各测点压力系数时均分布的示意图；
[0034]图8是部分测点处压力系数时域曲线；
[0035]图9是无孔和开孔水翼升力系数频域曲线；
[0036]图10是无孔和开孔水翼低频辐射噪声1/3倍频程对比。
具体实施方式
[0037]为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0038]本专利技术实施例提供一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，如图1所示，开孔原则如下：
[0039]a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；
[0040]b)开孔率(开孔总面积/翼表面积)不大于1％，如果希望获得较好的降噪效果，开孔率可在限制范围内取较大值；
[0041]c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式；
[0042]d)开孔形状为圆形，孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；
[0043]e)开孔形式为直开孔；
[0044]f)压力孔在流向和展向均匀分布，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。
[0045]上述带孔舵，压力孔起到了均压作用，吸力面和压力面的压差得以减小，尾缘附近逆压梯度效应减弱，延缓了流动分离后的卷起过程，因而尾涡的强度会相应减弱。同时由于压力孔连通了舵翼的压力面和吸力面，孔中存在自压力面向吸力面的射流，该射流会冲击吸力面尾缘附近的流动，使原有的大尺度尾涡结构破碎成小涡结构。这些小涡结构的脱落频率比原先更高，可以避开舵翼的固有频率，避免共振现象的发生。
[0046]相应的，本专利技术还提出上述抑制涡激励振动的带孔舵的设计方法，包括以下步骤：
[0047]S1、根据具体的舵翼尺寸，以开孔设置在3/4翼弦长至尾缘之间为定位原则，确定初步的开孔区域。开孔位置尽量布置在尾缘附近，可削弱尾缘吸力面的负压效果，一定程度上抑制流动分离引起的涡脱落，使原有的大尺度涡结构破碎成尺度相对较小的涡。这些小涡一是脱落频率比原先更高，可以避开舵翼的固有频率，避免共振现象的发生；二是噪声频段相对较高，比原先大尺度涡发放的低频噪声更容易被耗散掉能量。
[0048]S2、计算舵翼表面积，为弧长
×
宽。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则如下：a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；b)开孔率不大于1％，所述开孔率＝开孔总面积/翼表面积；c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式。2.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔形状为圆形。3.根据权利要求2所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔孔径大小为舵翼舷长的1％～2％。4.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔形式为直开孔。5.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，所述压力孔在流向和展向均匀分布。6.根据权利要求5所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍。7.根据权利要求5所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雨浓，王昭予，王春旭，熊济时，王晴，代金池，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：