组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法技术

本发明专利技术公开了组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，建立目标组合式推进器几何模型、流体网格模型和流体动力学分析模型，依次进行稳态无空化湍流求解、稳态有空化湍流求解、瞬态有空化湍流求解，直至求解出减小迭代时间步之后各个时间步的有空化多相湍流，并与所建立的声学边界元网格一起计算出空化噪声。在本发明专利技术的各个计算步骤之后均设有与之相适应的校验步骤，且空化初生状态判定三条准则的技术方案也是本发明专利技术首创。本发明专利技术能保证对转桨和泵喷在800Hz以上频段三分之一倍频程中心频率处谱级的预报误差小于3分贝、总声级预报误差小于4分贝，可用于预报鱼雷或者是潜艇的空化初始航速，直接服务于新型高速、低噪声鱼雷和潜艇方案设计。

【技术实现步骤摘要】
组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法
本专利技术涉及一种推进器空化辐射噪声的预报方法，尤其是涉及以对转螺旋桨和泵喷射推进器为代表的组合式推进器在空化初生状态下的宽带谱噪声的预报方法。
技术介绍
对转螺旋桨(简称对转桨)是现有电动力鱼雷的主要推进器，由同轴、反向旋转的前螺旋桨(简称前桨)和后螺旋桨(简称后桨)组成。通常，后桨为了避开前桨的梢涡脱落与其桨叶导边相互作用辐射发声，直径要比前桨小，且叶片数要少。泵喷射推进器(简称泵喷)是现有热动力鱼雷和核潜艇推进的主要推进器，由环状导管、转子和定子组成。导管是剖面为翼型的环状结构，同时包围转子和定子，且通常对应为渐扩式导管，使流经转子的水流减速以延迟空化(泡)产生。定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，在轴向位置上可位于转子前方或后方。位于前方时，称为前置定子式泵喷，通常用于潜艇推进；位于后方时，称为后置定子式泵喷，通常用于鱼雷推进。对转螺旋桨和泵喷射推进器可统称为组合式推进器。随着转速不断增加，螺旋桨各类空化通常表现为：从无空化到出现梢涡空化、片空化、再到发展了的片空化和泡空化。一旦螺旋桨产生空化，空化噪声将成为舰艇最主要的噪声源([1]Ross.MechanicsofUnderwaterNoise(水下噪声原理).NewYork:PergamonPress,1976.)。因此，对螺旋桨空化初生时机的判定和空化初生后辐射噪声大小的衡量就成为了舰艇声隐身性能的重要指标。螺旋桨空化初生通常特指梢涡空化初生。当桨叶(或转子)和导管间存在叶顶间隙时，通常首先对应为叶梢泄露涡空化初生，如泵喷空化初生。目前，对推进器(多指螺旋桨)空化水动力性能和空化噪声性能的评价还主要依赖于模型尺度的空泡筒(或循环水槽)试验测量。空化噪声测量在空化试验的基础上完成，测得总的噪声谱源级曲线后需要扣除背景噪声。试验测量存在的主要问题是：含气量或者是液体中的非凝结性气核对空化初生存在显著的影响([2]ITTC.CavitationCommitteeReport(空化专家委员会报告).18thInternationalTowingTankConference,Kobe,Japan,1987.)，且空化初生时机的判定在很大程度上与观察人员的经验有关，所以空化试验经常表现出难以重复性和与试验场地密切相关的特点。并且，因空化初生存在显著的尺度效应([3]SzantyrJA.ScaleEffectsinCavitationExperimentswithMarinePropellerModels(船舶模型尺度螺旋桨空化试验中的尺度效应).PolishMaritimeResearch,2006,4:3-10.)，使得模型尺度的空化和噪声测量结果在由经验相似公式放大到实尺度时会存在很大的不确定性，并且只适用于充分发展了的片空化[2]，而对于实尺度下的推进器空化初生辐射噪声来说，目前国内外尚极少见到可信的测量和预报结果，在组合式推进器方面就更为少见。在采用计算流体力学方法(CFD)预报推进器空化和空化噪声的学术文献方面，目前主要集中于螺旋桨片空化，尤其是片空化辐射噪声，并且主要是针对模型尺度螺旋桨([4]SeolH,CheolsooP.NumericalandExperimentalStudyontheMarinePropellerNoise(船舶螺旋桨噪声的数值和试验研究).19thInternationalCongressonAcoustics,Madrid,2007.[5]TestaC,AcousticFormulationsforAeronauticalandNavalRotorcraftNoisePredictionbasedontheFfowcsWilliansandHawkingsEquation(基于FW-H方程的航空和船舶螺旋桨噪声预报声学公式).Netherlands:DelftUniversityofTechnology,2008.[6]YANGQiongfang,WANGYongsheng,ZHANGMinming.PropellerCavitationViscousSimulationandLowFrequencyNoisePredictionwithNon-uniformInflow(非均匀进流条件下螺旋桨空化粘性模拟和低频噪声预报)。ChineseJournalofAcoustics,2013,32(2):1-19.)，这对于获取舰艇或者是鱼雷空化初始航速(也称为安静航速、临界航速)性能指标来说存在较大的滞后性，难以直接促进新型高速、低噪声推进器的设计研发。在有关推进器空化噪声的预报方法方面，尚未检索到相关中国专利。中国专利技术专利(申请号：200910073352.9，公开号：CN101813568)所公开的《采用计算机程序确定空化初生的判定方法》，由实测时域水声信号中峰峰值随空化数的变化趋势来判定水轮机的空化初生，也难以应用到船后或者是雷尾推进器的空化初生判定上。船舶螺旋桨空泡筒试验表明([1],[4])：螺旋桨空化噪声谱既包含有突出的低频线谱，同时也具有显著的宽带谱(或者称为连续谱)特征。中国船舶研究中心研究得出因受壁面混响和背景噪声影响，当前国内空泡筒在测量推进器空化噪声信号时，最低有效频率只能达到600Hz左右，使得空化低频线谱难以准确分离和定位，也就无法为推进器低频线谱噪声预报提供可信的校验数据，进而直接导致了难以准确评估当前的线谱噪声预报方法的可信性。
技术实现思路
本专利技术为了解决组合式推进器在空化初生状态下的噪声预报问题，提供了一种组合式推进器空化初生状态下宽带谱噪声的可信数值预报方法，能够从辐射噪声变化量的角度准确判定鱼雷或者是潜艇的空化初生航速。为了解决上述技术问题本专利技术提供的技术方案为1.组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，包括如下步骤：1)建立组合式推进器的三维几何模型、流体网格模型，设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，并进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤3)，若否，则回到步骤1)重新构建所述流体网格模型；3)以所述稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤4)，若否，则回到步骤1)重新设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；4)以所述稳态求解的空化初生状态下有空化多相流湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断其中的脉动推力和脉动力矩是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤5)，若无，则重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流；5)减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；6)依据流体网格模型建立组合式推进器的声学边界元网格；7)依据步骤5)瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和步骤6)的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。较佳地，所述步骤1)的具体步骤为：11)依据目标组合式推进器的几何型值建立组合式推进器的三维几何模型；本文档来自技高网...

【技术保护点】
组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于，包括如下步骤： 1）建立组合式推进器的三维几何模型、流体网格模型，设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型； 2）稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，并进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤3），若否，则回到所述步骤1）重新构建所述流体网格模型； 3）以所述稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤4），若否，则回到所述步骤1）重新设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型； 4）以所述稳态求解的空化初生状态下有空化多相流湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断其中的脉动推力和脉动力矩是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤5），若无，则重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流； 5）减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流； 6）依据所述流体网格模型建立组合式推进器的声学边界元网格； 7）依据所述步骤5）瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和所述步骤6）的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。...

【技术特征摘要】
1.组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立组合式推进器的三维几何模型、流体网格模型，设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，并进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤3)，若否，则回到所述步骤1)重新构建所述流体网格模型；3)以所述稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤4)，若否，则回到所述步骤1)重新设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；4)以所述稳态求解的空化初生状态下有空化多相流湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断其中的脉动推力和脉动力矩是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤5)，若无，则重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流；5)减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；6)依据所述流体网格模型建立组合式推进器的声学边界元网格；7)依据所述步骤5)瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和所述步骤6)的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。2.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤为：11)依据目标组合式推进器的几何型值建立组合式推进器的三维几何模型；12)依据组合式推进器的三维几何模型对组合式推进器所在的旋转域以及外围的静止流体域进行流体网格离散，建立流体网格模型；所述流体网格模型为全六面体结构化网格或混合网格模型；13)设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型。3.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流时，湍流模型采用二方程剪切应力输运涡粘模型SST或雷诺应力模型RSM。4.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤3)稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时，空化模型采用改进型Sauer模型、Zwart模型或Sauer模型；所述改进型Sauer模型采用如下公式：其中，和分别代表了水蒸汽蒸发和凝结过程，蒸发和凝结系数分别取Cprod＝50和Cdest＝0.01，气泡平均初始半径RB＝1.5μm，αv和ρv分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρl表示水的密度，p表示流体压力，pv表示相变临界压力，计算时取值采用公式：其中，psat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，ρm表示混合流体密度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琼方，王永生，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42