本發(fā)明涉及一種彈性葉片螺旋槳流噪聲的預(yù)測方法，設(shè)計專利分類號G06計算；推算；計數(shù)G06F電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理G06F17/00特別適用于特定功能的數(shù)字計算設(shè)備或數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)據(jù)處理方法G06F17/50計算機(jī)輔助設(shè)計。

背景技術(shù)：

螺旋槳噪聲是潛艇噪聲的主要部分，按生成機(jī)理可分為槳葉振動噪聲、空泡噪聲、流噪聲，其中槳葉振動噪聲和空泡噪聲是螺旋槳噪聲的主要部分，而且隨著螺旋槳優(yōu)化設(shè)計理論的逐步成熟，槳葉的振動噪聲和空泡噪聲都能夠通過優(yōu)化螺旋槳設(shè)計得到一定程度的解決。螺旋槳流噪聲是指湍流與螺旋槳相互作用而產(chǎn)生壓力脈動及葉梢處渦脫落等而產(chǎn)生的噪聲，其產(chǎn)生的原因主要是水流與槳的相互作用。對于潛艇來說，其低速航行時，螺旋槳流噪聲所占比重雖然很小，但它卻對聲吶信噪比產(chǎn)生很大的影響。螺旋槳流噪聲會增加聲吶的背景噪聲，影響聲吶對目標(biāo)聲信號的接收，從而影響了潛艇的作戰(zhàn)能力。潛艇在高速航行時，噪聲主要為流噪聲，從而降低了潛艇的隱蔽性，增加了暴露的風(fēng)險。因此，通過對螺旋槳流噪聲的研究來優(yōu)化螺旋槳設(shè)計，減小螺旋槳噪聲，對于提升潛艇的性能有重要意義。

由于螺旋槳流噪聲試驗水聽器安裝困難、試驗中存在聲反射、透射等問題，因此國內(nèi)外對螺旋槳流噪聲的研究主要以數(shù)值模擬為主，如Seol H將勢流理論與聲類比方法結(jié)合，通過數(shù)值方法預(yù)報螺旋槳的空泡和非空泡噪聲；謝建波等人在Lighthill聲類比理論和FW-H方程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用帶平均流效果的格林函數(shù)對螺旋槳輻射線譜噪聲進(jìn)行了理論和數(shù)值分析；龔京風(fēng)等人運用大渦模擬和K-FWH方程相結(jié)合的方法，對螺旋槳水動力噪聲進(jìn)行了預(yù)報，證明了大渦模擬結(jié)合K-FWH模型進(jìn)行螺旋槳噪聲預(yù)報的可行性。

但是在過去的研究中，學(xué)者們主要將螺旋槳視為剛性體或者只進(jìn)行流體-結(jié)構(gòu)的單向耦合，即先計算流場，然后將壓力結(jié)果傳遞到結(jié)構(gòu)中，并不考慮流體-結(jié)構(gòu)之間的雙向耦合作用。隨著復(fù)合材料的發(fā)展及人們對柔性表面降噪研究的深入，通過改變螺旋槳葉片的彈性來減小螺旋槳流噪聲成為科研人員的新課題。采用彈性葉片的螺旋槳必然不能再視為剛性體，這就要求在數(shù)值模擬的過程中考慮流體-結(jié)構(gòu)之間的雙向耦合作用，耦合后的流場計算完畢之后進(jìn)行流噪聲的分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種彈性葉片螺旋槳流噪聲預(yù)測方法，包括如下步驟：

—建立待分析的螺旋槳和流體域的全尺寸模型，該模型中包括隨螺旋將轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)域和不發(fā)生旋轉(zhuǎn)的靜止域；網(wǎng)格化所述的全尺寸模型；設(shè)置噪聲的采樣點；為網(wǎng)格化的全尺寸模型設(shè)置流場和聲場的求解參數(shù)；

—為所述的全尺寸模型的更新動態(tài)網(wǎng)格；設(shè)置固體部分螺旋槳的材料屬性。網(wǎng)格劃分和耦合面參數(shù)；設(shè)置流固耦合計算過程參數(shù)和流固耦合控制方程；

其中：τ為應(yīng)力；n為法向向量；d為位移；下標(biāo)f和s分別代表流體與固體；

—進(jìn)行流固耦合計算，直至算法收斂；獲取所述監(jiān)測點處流場數(shù)據(jù)，根據(jù)FW-H方程計算監(jiān)測點處的聲壓級；依據(jù)快速傅里葉變換FFT功能得到聲場的功率譜密度曲線，對所得結(jié)果進(jìn)行聲學(xué)分析，完成彈性葉片螺旋槳流噪聲的預(yù)測。

作為優(yōu)選的實施方式，計算彈性模型步驟前還具有驗證建立的全尺寸模型正確性的步驟：

—計算假定為剛性的螺旋槳聲場和流場的數(shù)據(jù)；

—通過對比得到的剛性螺旋槳與試驗的聲場和流場數(shù)值，驗證所述全尺寸模型的正確性；

—若滿足正確性要求，則繼續(xù)計算彈性槳流場和聲場數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的螺旋槳投影原理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式完成螺旋槳葉切面二維平面坐標(biāo)至三維空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而完成螺旋槳葉切面輪廓曲線的繪制；

其中：φ為螺距角；θ為縱傾角；L為最大厚度線和參考線之間距離；r為葉切面半徑；X₁、Y₁、Z₁為局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；X，Y，Z為全局坐標(biāo)系下坐標(biāo)值。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的流固耦合的控制方程為滿足連續(xù)性方程和納維-斯托克斯方程N-S方程，方程函數(shù)形式如下：

其中：ρ為流體密度；t為時間；u_x、u_y、u_z分別為速度在空間直角坐標(biāo)系x、y、z軸的分量；p為壓力；X、Y、Z分別為外力在x、y、z方向上的分量；μ是流體動力粘性系數(shù)；Δ是拉普拉斯算子。

更進(jìn)一步的，流固耦合計算過程中湍流場計算采用RNGk-ε湍流模型：

其中：ρ為流體密度；為隨體導(dǎo)數(shù)；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；μ為流體動力粘性系數(shù)；α_k、α_ε為湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)；μ_eff和R為修正參數(shù)；G_k和G_b分別為層流速度梯度和浮力引起的湍流動能；Y_M為可壓縮流體湍流擴(kuò)張貢獻(xiàn)量；C_1ε、C_2ε、C_3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的求解參數(shù)至少包括流場部分湍流模型選擇、流體密度、旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)速以及邊界條件；

聲學(xué)模塊部分至少包括遠(yuǎn)場密度/即流體水的密度、水中聲速以及水中的參考聲壓；

求解部分至少包括設(shè)置求解算法、收斂殘差以及時間步長。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的聲學(xué)分析至少包括預(yù)報螺旋槳流噪聲的聲壓級大??；

通過計算得到流噪聲聲壓級大小隨螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J的變化規(guī)律，進(jìn)而得到螺旋槳流噪聲；

其中v為螺旋槳速度，計算中為進(jìn)口水的流速，n為轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明主要流程圖

圖2為螺旋槳投影原理示意圖

圖3為螺旋槳三維模型示意圖

圖4為旋轉(zhuǎn)域及靜止域示意圖

圖5為所計算流體域尺寸示意圖

圖6為流體域與結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格劃分示意圖

圖7為螺旋槳敞水性能曲線計算值與試驗值對比圖

圖8為螺旋槳流噪聲隨進(jìn)速系數(shù)變化曲線圖

具體實施方式

為使本發(fā)明的實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述：

如圖1-6所示：

步驟一幾何建模：本步驟中采用的軟件為Solidworks，根據(jù)圖2所示的螺旋槳投影原理示意圖及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

其中：φ為螺距角；θ為縱傾角；L為最大厚度線和參考線之間距離；r為葉切面半徑；X₁、Y₁、Z₁為局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；X，Y，Z為全局坐標(biāo)系下坐標(biāo)值。

可以將DTMB 4119螺旋槳葉切面二維平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維空間坐標(biāo)，從而在Solidworks中得到螺旋槳葉切面輪廓曲線，

然后以各葉切面導(dǎo)邊和隨邊線作為放樣曲線進(jìn)行曲面放樣。再將所形成的曲面進(jìn)行修補(bǔ)，得到封閉的曲面，隨后將封閉的曲面轉(zhuǎn)換為實體得到一個葉片模型。接下來建立槳轂?zāi)Ｐ?、對葉片進(jìn)行陣列操作，完成螺旋槳的建模，如圖3所示。

對螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬屬于典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械問題，因此對流體域的建模采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一般建模方法，即建立靜止域和旋轉(zhuǎn)域，

其中旋轉(zhuǎn)域是在模擬中隨著螺旋槳一起轉(zhuǎn)動的一部分，靜止域不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。流體域的建模主要是在SolidWorks中分別作出與靜止域和旋轉(zhuǎn)域直徑相同的圓柱體。然后在靜止域圓柱上進(jìn)行布爾運算切除掉旋轉(zhuǎn)域圓柱，形成最終的靜止域、在旋轉(zhuǎn)域圓柱上進(jìn)行布爾運算切除掉螺旋槳，形成最終的旋轉(zhuǎn)域，如圖4所示。將旋轉(zhuǎn)域和靜止域進(jìn)行裝配操作，得到最終的計算流體域，尺寸如圖5所示。將所建立的螺旋槳和流體域模型以.stp文件導(dǎo)出，以供后續(xù)使用。

在得到模型之后，還具有驗證正確性的步驟，在本實施例中，計算所得螺旋槳敞水性能曲線(如圖7，包括推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、效率)與試驗值進(jìn)行對比，實施例中計算結(jié)果相對誤差小于5％。一般來說，數(shù)值模擬誤差達(dá)5％以內(nèi)已經(jīng)較精確，所以可以判定模型是正確的。

步驟二流體域網(wǎng)格劃分：本步驟運用ANSYS Workbench中meshing模塊對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分時偏好設(shè)為CFD分析；

考慮到流固耦合分析在流體計算時需要進(jìn)行動網(wǎng)格的設(shè)置，同時本身模型的結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，為了使所劃分的網(wǎng)格更好表達(dá)螺旋槳形狀，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對流體域進(jìn)行劃分，螺旋槳處的網(wǎng)格適當(dāng)加密，尤其指在如葉梢部分流態(tài)變化比較大的地方網(wǎng)格要比其他地方密，以保持計算精度。

流體域網(wǎng)格劃分如圖6所示。

步驟三設(shè)置CFD計算軟件：此步驟中CFD計算滿足質(zhì)量守恒與動量守恒定律,即滿足連續(xù)性方程和N-S方程，因此基本控制方程為：

其中：ρ為流體密度；t為時間；u_x、u_y、u_z分別為速度在空間直角坐標(biāo)系x、y、z軸的分量；p為壓力；X、Y、Z分別為外力在x、y、z方向上的分量；μ是流體動力粘性系數(shù)；Δ是拉普拉斯算子。

首先選擇瞬態(tài)計算，然后在ANSYS Fluent軟件的Model選項Viscous中選擇RNGk-ε湍流模型，其余保持默認(rèn)。

RNGk-ε模型在有漩渦的湍流場計算中有更高的精度，其方程為：

其中：ρ為流體密度；為隨體導(dǎo)數(shù)；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；μ為流體動力粘性系數(shù)；α_k、α_ε為湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)；μ_eff和R為修正參數(shù)；G_k和G_b分別為層流速度梯度和浮力引起的湍流動能；Y_M為可壓縮流體湍流擴(kuò)張貢獻(xiàn)量；C_1ε、C_2ε、C_3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

Cell Zone Condition中將旋轉(zhuǎn)域靜止域設(shè)為流體，旋轉(zhuǎn)域勾選MRF(即多重參考系)選項，根據(jù)所研究工況對旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

邊界條件通過Boundary Condition選項進(jìn)行設(shè)置本發(fā)明采用速度進(jìn)口、壓力出口，進(jìn)口速度根據(jù)實際工況取值，若實際工況為非均勻流，則需要采用UDF進(jìn)行設(shè)置，出口壓力設(shè)為0，進(jìn)口、出口處湍流參數(shù)根據(jù)一般經(jīng)驗選擇湍流強(qiáng)度和湍流粘度比，均取2％。旋轉(zhuǎn)域與靜止域相連的面設(shè)為interface，靜止域的圓柱面設(shè)為靜止無滑移壁面，槳葉和槳轂設(shè)置為無滑移壁面。

對聲場進(jìn)行處理需要在Model選項中打開Fluent的聲學(xué)模塊，即FW-H模型，并進(jìn)行設(shè)置。

聲類比理論是Lighthill在研究湍流聲激發(fā)中將N-S方程變形成非齊次波動方程，將流體力學(xué)和聲學(xué)聯(lián)系在一起而形成的，經(jīng)過后來的學(xué)者改進(jìn)形成了FW-H方程，其基本形式如下：

其中：為監(jiān)測點位置；t為時間；p_T為厚度噪聲；p_L為載荷噪聲；p_Q為四極子噪聲。

流體密度按Fluent數(shù)據(jù)庫中液體水的密度998.2kg/m³設(shè)置、水中聲速設(shè)為1500m/s、自由流速度即為進(jìn)口速度、水中的參考聲壓設(shè)為1×10^-6Pa、聲源設(shè)為槳葉。設(shè)置檢測點坐標(biāo)，作為后面流噪聲采樣點，以便預(yù)測此點的螺旋槳流噪聲。

本發(fā)明的實例中為了與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對比是在距槳軸中心軸向距離分別為0、0.5R、0.7R，徑向距離分別為0.3R、0.7R、R、1.2R、2R處共設(shè)置15個采樣點來監(jiān)測噪聲。

以上設(shè)置完畢根據(jù)實際需要設(shè)置Fluent算法、收斂殘差、時間步長等參數(shù)，進(jìn)行初始的剛性槳計算，得到流場與聲場數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果對比，有利于選擇合適的算法及驗證模型的精確性以便后續(xù)計算。本發(fā)明實例計算中得到的螺旋槳敞水性能曲線與試驗值對比如圖6所示。

步驟四動網(wǎng)格設(shè)置：在彈性槳計算時，槳葉處于變形狀態(tài)，會導(dǎo)致流場域的形狀發(fā)生變化，因此在流固耦合第一次計算完畢后需要對流體域的網(wǎng)格進(jìn)行更新。ANSYS Fluent提供了網(wǎng)格彈簧光順、網(wǎng)格重構(gòu)和動態(tài)層網(wǎng)格三種網(wǎng)格更新方式，其中動態(tài)層網(wǎng)格應(yīng)用于六面體網(wǎng)格，而模擬中流體域均為四面體網(wǎng)格，因此只需要運用網(wǎng)格彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)兩種方式進(jìn)行網(wǎng)格更新。首先在動網(wǎng)格選項中激活網(wǎng)格彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)功能，彈簧常數(shù)設(shè)為0.6、邊界松弛因子設(shè)為0.6，其他參數(shù)先采用默認(rèn)值，根據(jù)計算的結(jié)果進(jìn)行逐步調(diào)整。參數(shù)設(shè)置完畢之后選擇動網(wǎng)格區(qū)域，計算中主要考慮彈性葉片螺旋槳，所以將槳葉及周圍旋轉(zhuǎn)域設(shè)為動網(wǎng)格區(qū)域，其中槳葉設(shè)為System Coupling，旋轉(zhuǎn)域設(shè)置為Deforming。

步驟五結(jié)構(gòu)域設(shè)置：首先在Transient Structural模塊中根據(jù)所計算螺旋槳的材料設(shè)置材料屬性。然后打開meshing，偏好設(shè)為mechanical分析，選擇自動劃分得到滿足計算要求的網(wǎng)格如圖6所示。接著設(shè)置槳葉為流固耦合面、結(jié)構(gòu)的約束以及時間步長。時間步長設(shè)置為與流體部分計算相同，流固耦合面與Fluent中動網(wǎng)格區(qū)域相對應(yīng)設(shè)為槳葉，設(shè)置槳轂為固支端。

結(jié)構(gòu)部分只考慮彈性變形，因此控制方程為：

σ＝E·ε

其中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

步驟六流固耦合設(shè)置：System Coupling模塊可以實現(xiàn)流體與結(jié)構(gòu)計算的數(shù)據(jù)交換，需在此模塊中進(jìn)行耦合設(shè)置，主要是對時間步長、數(shù)據(jù)交換面及求解順序進(jìn)行設(shè)置。時間步長設(shè)置要滿足使流體、結(jié)構(gòu)、耦合時間步長完全對應(yīng)保證耦合計算的準(zhǔn)確性。將流體和結(jié)構(gòu)求解器中的槳葉設(shè)為數(shù)據(jù)交換面，在流固耦合的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。計算中的變形過程為螺旋槳在流體中運動時受力導(dǎo)致槳葉變形，隨后槳葉的變形又導(dǎo)致流體域的形狀發(fā)生變化，因此求解順序應(yīng)該是先流體后固體，即Fluent設(shè)為1，Transient Structural設(shè)為2。設(shè)置完畢后，點擊Update開始雙向流固耦合計算直至收斂。

一般情況下流固耦合的收斂殘差都是動態(tài)平衡的，收斂條件可以參考?xì)埐畹⒉煌耆蕾囉跉埐?。流固耦合計算由于進(jìn)行網(wǎng)格更新，所以收斂殘差是波動的。在一個時間步長內(nèi)，收斂殘差由大變小，下一個時間步長內(nèi)殘差由大變小，殘差最大值小于前一個時間步，因此隨著時間的增長，如果一直是這個規(guī)律，收斂殘差的最大值會逐漸變小，最終達(dá)到動態(tài)平衡。

本發(fā)明判斷達(dá)到收斂條件要保證兩點：1.殘差達(dá)到動態(tài)平衡；2.在每個時間步內(nèi)的最后一次迭代，計算界面上默認(rèn)顯示的物理量數(shù)值基本一致，說明繼續(xù)算下去的結(jié)果是基本不變的。

流固耦合部分應(yīng)滿足流體與結(jié)構(gòu)相交處各變量相等或守恒，本發(fā)明的計算不考慮溫度，因此流固耦合控制方程為：

其中：τ為應(yīng)力；n為法向向量；d為位移；下標(biāo)f和s分別代表流體與固體。

步驟七聲場分析：再次回到ANSYS Fluent模塊，對聲學(xué)部分進(jìn)行處理，讀取監(jiān)測點處流場數(shù)據(jù)，根據(jù)FW-H方程計算監(jiān)測點處的聲壓級，同時可以根據(jù)ANSYS Fluent內(nèi)置的快速傅里葉變換(FFT)功能得到聲場的功率譜密度曲線，對所得結(jié)果進(jìn)行聲學(xué)分析，完成對彈性葉片螺旋槳流噪聲的預(yù)測。

本發(fā)明實例中計算了不同工況下螺旋槳流噪聲聲壓級大小，并找到了流噪聲聲壓級大小隨螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J：

其中v為螺旋槳速度，計算中為進(jìn)口水的流速，n為轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑)的變化規(guī)律：一般的，隨進(jìn)速系數(shù)不斷增大，螺旋槳流噪聲不斷減小。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。