[发明专利]一种调制通气空泡流噪声预报方法

说明书

本发明公开了一种调制通气空泡流噪声预报方法，包括：在CFD软件中建立流域和空化器模型，对流域进行三维网格划分，设流体为恒密度湍流，采用CFD软件的分离流求解器对流体力学的控制方程进行求解；设定来流速度、重力和基准声压的初始条件；基于CFD软件的残差判断计算结果是否收敛，提取压力监测点、辐射声压级监测点和流场结果，分别对压力脉动监测点和辐射声压级监测点结果进行傅里叶变换，转换成对应的声压级频域谱，从而获得湍流边界层脉动压力噪声结果和远场辐射噪声结果，通过对压力、速度、涡量的流场特性进行分析获得调制通气对空泡长度、空泡闭合形式、辐射噪声的影响。

技术领域

本发明涉及海下航行分析技术领域，尤其涉及一种调制通气空泡流噪声预报方法。

背景技术

在高速水流的低压区域，液体压力低于饱和蒸汽压而急剧汽化产生的气泡称为空泡。当空泡大到一定程度将航行体完全覆盖时称为超空泡。超空泡航行体尾部空泡闭合区破碎后形成大量小空泡，这些小空泡的溃灭会极大地辐射噪声。传统水下超空泡航行体通过人工通气空化的方法形成超空泡，由于通气空泡覆盖的绕流体近壁区内存在多相流、湍流、非定常等复杂的流动机制以及空化噪声的高度非线性，用数值模拟的方法准确计算通气空泡流噪声一直是一个技术难点。

根据空化器通气速率的不同，空腔闭合形式存在自由空气射流、回射流、双涡流和脉动四种形式，其中脉动超空泡辐射噪声远大于另外三种，目前现有技术对通气空泡流噪声进行预报，采用的是设定通气率是一个不随时间变化的恒定值，这样一般得到的空腔闭合形式是脉动的，导致得到的噪声结果偏大。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种调制通气空泡流噪声预报方法，具体包括

在CFD软件中建立流域和空化器模型，流域来流成分设置为水，将空化器模型前端到流域入口的区域设为来流段、空化器后端到流域出口的区域设为去流段，将空化器置于流域的中心位置，用水翼作为支柱设置于空化器底部，空化器模型轴线与来流方向保持平行；

对流域进行三维网格划分，将水翼周围以及空化器选定区域进行网格加密处理，并对整个空化器周围进行加密，其中空化器周围加密区域为空化器直径D的二倍；

设流体为恒密度湍流，采用CFD软件的分离流求解器对流体力学的控制方程进行求解，时间尺度为隐式非定常，选用大涡模拟进行流动计算，并选用WALE亚网格尺度模型计算亚网格尺度粘度μt；

设定来流速度、重力和基准声压的初始条件，分别设置空腔内压力脉动监测点和辐射声压级监测点并在空化器模型的截面处设置平面截面以监测整个流场压力、速度、涡量结果，设置足够长计算时间，观察空泡变化至其稳定周期；

基于CFD软件的残差初步判断上述监测结果是否收敛，当连续体、X方向动量、Y方向动量、Z方向动量都满足残差条件时则判断计算结果收敛；若某一项不满足残差条件则判断计算结果发散，此时重新优化计算模型；

提取空腔内压力监测点、辐射声压级监测点和流场结果，分别对压力脉动监测点和辐射声压级监测点结果进行傅里叶变换，转换成对应的声压级频域谱，从而获得湍流边界层脉动压力噪声结果和远场辐射噪声结果，通过对压力、速度、涡量的流场特性进行分析获得调制通气对空泡长度、空泡闭合形式、辐射噪声的影响。

进一步的，选择流体域体积(VOF)多相模型和Schnerr-Sauer空化模型对通气空化进行计算，设通气成分为空气，空化器模型通气孔输入随时间正弦变换的通气率Q，设定空化器模型通气孔初始通气率为Q₀，通气强度为h，通气频率为ω，则通气率Q随时间t的关系式表示为：

Q＝Q₀×[1+hsin(2π×ωt)]

通过调制通风频率对空泡脉动进行抑制，进而降低空泡流噪声。