[发明专利]弹性叶片螺旋桨流噪声预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹性叶片螺旋桨流噪声的预测方法，设计专利分类号G06计算；推算；计数G06F电数字数据处理G06F17/00特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法G06F17/50计算机辅助设计。

背景技术

螺旋桨噪声是潜艇噪声的主要部分，按生成机理可分为桨叶振动噪声、空泡噪声、流噪声，其中桨叶振动噪声和空泡噪声是螺旋桨噪声的主要部分，而且随着螺旋桨优化设计理论的逐步成熟，桨叶的振动噪声和空泡噪声都能够通过优化螺旋桨设计得到一定程度的解决。螺旋桨流噪声是指湍流与螺旋桨相互作用而产生压力脉动及叶梢处涡脱落等而产生的噪声，其产生的原因主要是水流与桨的相互作用。对于潜艇来说，其低速航行时，螺旋桨流噪声所占比重虽然很小，但它却对声呐信噪比产生很大的影响。螺旋桨流噪声会增加声呐的背景噪声，影响声呐对目标声信号的接收，从而影响了潜艇的作战能力。潜艇在高速航行时，噪声主要为流噪声，从而降低了潜艇的隐蔽性，增加了暴露的风险。因此，通过对螺旋桨流噪声的研究来优化螺旋桨设计，减小螺旋桨噪声，对于提升潜艇的性能有重要意义。

由于螺旋桨流噪声试验水听器安装困难、试验中存在声反射、透射等问题，因此国内外对螺旋桨流噪声的研究主要以数值模拟为主，如Seol H将势流理论与声类比方法结合，通过数值方法预报螺旋桨的空泡和非空泡噪声；谢建波等人在Lighthill声类比理论和FW-H方程的基础上，应用带平均流效果的格林函数对螺旋桨辐射线谱噪声进行了理论和数值分析；龚京风等人运用大涡模拟和K-FWH方程相结合的方法，对螺旋桨水动力噪声进行了预报，证明了大涡模拟结合K-FWH模型进行螺旋桨噪声预报的可行性。

但是在过去的研究中，学者们主要将螺旋桨视为刚性体或者只进行流体-结构的单向耦合，即先计算流场，然后将压力结果传递到结构中，并不考虑流体-结构之间的双向耦合作用。随着复合材料的发展及人们对柔性表面降噪研究的深入，通过改变螺旋桨叶片的弹性来减小螺旋桨流噪声成为科研人员的新课题。采用弹性叶片的螺旋桨必然不能再视为刚性体，这就要求在数值模拟的过程中考虑流体-结构之间的双向耦合作用，耦合后的流场计算完毕之后进行流噪声的分析。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种弹性叶片螺旋桨流噪声预测方法，包括如下步骤：

—建立待分析的螺旋桨和流体域的全尺寸模型，该模型中包括随螺旋将转动的旋转域和不发生旋转的静止域；网格化所述的全尺寸模型；设置噪声的采样点；为网格化的全尺寸模型设置流场和声场的求解参数；

—为所述的全尺寸模型的更新动态网格；设置固体部分螺旋桨的材料属性。网格划分和耦合面参数；设置流固耦合计算过程参数和流固耦合控制方程；

其中：τ为应力；n为法向向量；d为位移；下标f和s分别代表流体与固体；

—进行流固耦合计算，直至算法收敛；获取所述监测点处流场数据，根据FW-H方程计算监测点处的声压级；依据快速傅里叶变换FFT功能得到声场的功率谱密度曲线，对所得结果进行声学分析，完成弹性叶片螺旋桨流噪声的预测。

作为优选的实施方式，计算弹性模型步骤前还具有验证建立的全尺寸模型正确性的步骤：

—计算假定为刚性的螺旋桨声场和流场的数据；

—通过对比得到的刚性螺旋桨与试验的声场和流场数值，验证所述全尺寸模型的正确性；

—若满足正确性要求，则继续计算弹性桨流场和声场数据。

作为优选的实施方式，所述的螺旋桨投影原理及坐标转换公式完成螺旋桨叶切面二维平面坐标至三维空间坐标的转换，进而完成螺旋桨叶切面轮廓曲线的绘制；

其中：φ为螺距角；θ为纵倾角；L为最大厚度线和参考线之间距离；r为叶切面半径；X₁、Y₁、Z₁为局部坐标系下的坐标值；X，Y，Z为全局坐标系下坐标值。

作为优选的实施方式，所述的流固耦合的控制方程为满足连续性方程和纳维-斯托克斯方程N-S方程，方程函数形式如下：

其中：ρ为流体密度；t为时间；u_x、u_y、u_z分别为速度在空间直角坐标系x、y、z轴的分量；p为压力；X、Y、Z分别为外力在x、y、z方向上的分量；μ是流体动力粘性系数；Δ是拉普拉斯算子。

更进一步的，流固耦合计算过程中湍流场计算采用RNGk-ε湍流模型：