本發(fā)明屬于船舶推進(jìn)器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及具有低線譜噪聲和高臨界航速特征，可以用于推進(jìn)水下潛器的泵噴推進(jìn)器。

背景技術(shù)：

泵噴推進(jìn)器(pumpjet，簡(jiǎn)稱(chēng)泵噴)以具有輻射噪聲低、臨界航速高的顯著特征而被大量應(yīng)用于低噪聲潛艇主推進(jìn)器，如“海狼級(jí)”潛艇、“弗吉尼亞級(jí)”和“機(jī)敏級(jí)”潛艇。當(dāng)前世界上美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和俄羅斯都已經(jīng)將泵噴推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于潛艇主推進(jìn)，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)泵噴推進(jìn)潛艇服役的主要原因在于缺乏優(yōu)秀的泵噴水力模型。優(yōu)秀的具體含義是：輻射噪聲低、臨界航速高(即抗空泡能力強(qiáng))、推進(jìn)效率適中(一種無(wú)軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器水力模型的設(shè)計(jì)方法，cn104462652a，2015-03-25；一種前置定子周向非對(duì)稱(chēng)布置的泵噴推進(jìn)器水力模型及其設(shè)計(jì)方法，cn105117564a，2015-12-02)。

在泵噴水力模型自主設(shè)計(jì)方面，上述發(fā)明專(zhuān)利中闡述了同時(shí)適用于無(wú)軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴和常規(guī)有軸機(jī)械式泵噴水力模型的設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足推進(jìn)效率和總噪聲級(jí)要求的泵噴水力模型。鑒于當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型消聲循環(huán)水槽的最低有效分析頻率僅能達(dá)到800hz([1]楊瓊方,王永生,張明敏,等.伴流場(chǎng)中對(duì)轉(zhuǎn)槳空化初生的判定與輻射噪聲的預(yù)報(bào)和校驗(yàn),聲學(xué)學(xué)報(bào),2014,39(5).)，而推進(jìn)器最為關(guān)注的低頻線譜噪聲通常位于100hz以內(nèi)的低頻段，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下推進(jìn)器低頻線譜噪聲無(wú)法得到直接評(píng)估。實(shí)船海試輻射噪聲測(cè)量時(shí)，由于機(jī)械噪聲、推進(jìn)器噪聲和流噪聲三者共同存在([2]carltonjs.marinepropellersandpropulsion(船舶螺旋槳與推進(jìn)),secondedition,elsevierltd.,netherlands,2007.)，且艇外流體流動(dòng)和艇內(nèi)動(dòng)力裝置設(shè)備的工作狀態(tài)均會(huì)直接影響推進(jìn)器噪聲大小，導(dǎo)致單純推進(jìn)器噪聲無(wú)法得到準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，也就更加難以明確界定推進(jìn)器低頻線譜噪聲的大小。

經(jīng)典聲學(xué)理論描述([3]ittc,specialistcommitteeonhydrodynamicnoise(國(guó)際拖曳水池會(huì)議水動(dòng)力噪聲專(zhuān)家委員會(huì)報(bào)告),proceedingsoffinalreportandrecommendationstothe27thittc,denmark,2014)：無(wú)空化螺旋槳脈動(dòng)水動(dòng)力輻射噪聲主要包括離散線譜噪聲和連續(xù)寬帶譜噪聲兩類(lèi)。離散線譜噪聲主要是由于槳葉工作于非均勻伴流時(shí)產(chǎn)生，線譜頻率與槳葉葉頻(葉片數(shù)*轉(zhuǎn)速)及其諧頻(葉頻的整數(shù)倍)對(duì)應(yīng)，前3階線譜頻率通常低于100hz。

剛性導(dǎo)管內(nèi)的螺旋槳噪聲測(cè)量結(jié)果表明([4]morrissc,muellert.experimentalandanalyticalstudyofthehydroacousticsofpropellersinrigidducts(剛性導(dǎo)管內(nèi)螺旋槳水聲的實(shí)驗(yàn)和理論研究),美國(guó)海軍研究署報(bào)告,no.n00014-04-1-0193,2006.)：主要離散線譜噪聲頻率位于槳葉葉頻和2倍葉頻處。

葉輪和定子相互作用水聲測(cè)量結(jié)果表明([5]tweedies.experimentalinvestigationofflowcontroltechniquestoreducehydroacousticrotor-statorinteractionnoise(用于減小葉輪-定子相互作用水聲的流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究),弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士學(xué)位論文,2006.)：主要離散線譜噪聲頻率位于葉頻、2倍葉頻、3倍葉頻和4倍葉頻處，且以葉頻處線譜噪聲最為突出。

瑞典sspa公司在visby隱身護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算噴水推進(jìn)泵(簡(jiǎn)稱(chēng)噴泵)噪聲結(jié)果表明([6]kallmanm,lidq.waterjetnoise(噴水推進(jìn)泵噪聲),rina第3屆國(guó)際噴水推進(jìn)會(huì)議論文,2001.)：低頻離散線譜噪聲以2倍葉頻處噪聲為主。噴泵由輪緣、葉輪和定子組成，輪緣同時(shí)包圍葉輪和定子，功能與泵噴導(dǎo)管的內(nèi)壁面相同。

泵噴由環(huán)狀導(dǎo)管、葉輪(也稱(chēng)為轉(zhuǎn)子)和定子組成，且導(dǎo)管同時(shí)包圍葉輪和定子(組合式推進(jìn)器空化初生狀態(tài)下的寬帶譜噪聲預(yù)報(bào)方法，cn103714246a，2014.04.09)。葉輪的工作原理與螺旋槳類(lèi)同，導(dǎo)管內(nèi)葉輪的流動(dòng)特征與導(dǎo)管內(nèi)螺旋槳類(lèi)似，泵噴工作時(shí)導(dǎo)管包圍的葉輪和定子之間同樣存在相互作用，導(dǎo)管內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)布置與噴泵類(lèi)同，因此，泵噴離散線譜噪聲頻率同樣位于葉輪葉頻(葉片數(shù)*轉(zhuǎn)速)及其諧頻(通常主要位于前3階諧頻)處。需要抑制泵噴低頻輻射噪聲大小時(shí)，首先需要抑制低頻離散線譜的噪聲大小，關(guān)鍵是控制葉頻和2倍葉頻處的噪聲大小。

亥姆霍茲共振式消聲器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低頻消聲性能好、消聲帶寬窄且對(duì)消聲頻率選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)，在理論上完全適用于泵噴低頻離散線譜噪聲的消聲應(yīng)用。亥姆霍茲共振腔的共振頻率由頸部截面積、頸部長(zhǎng)度和共振腔體積共同決定，且改變頸部截面積對(duì)共振頻率的影響最為直接。當(dāng)泵噴水力模型確定后，額定工況下泵噴葉頻及2倍葉頻均已確定，葉柵截面通道和導(dǎo)管內(nèi)、外壁面確定，亥姆霍茲共振腔只能位于中空導(dǎo)管內(nèi)部。在導(dǎo)管徑向尺寸限定的條件下，葉頻越低，亥姆霍茲共振腔的設(shè)計(jì)難度越大。

在有關(guān)帶亥姆霍茲共振腔的水下導(dǎo)管設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)內(nèi)已公開(kāi)的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道非常稀少，主要集中于水管路系統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)，且主要通過(guò)調(diào)節(jié)頸部截面積來(lái)達(dá)到多線譜可調(diào)頻亥姆霍茲共振腔設(shè)計(jì)的目的。更進(jìn)一步，在頸部填充平行穿孔材料后，通過(guò)改變?nèi)肟诼曌杩箒?lái)改變共振腔調(diào)頻特征。在中國(guó)專(zhuān)利網(wǎng)中以“亥姆霍茲共振器”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索時(shí)，所檢索專(zhuān)利主要集中于管路空氣消聲的應(yīng)用，在有限弦長(zhǎng)、截面為翼型的導(dǎo)管內(nèi)部空間設(shè)計(jì)應(yīng)用方面幾乎是空白。因?qū)Ч茏陨斫Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的限制，無(wú)法做到內(nèi)部大范圍中空，導(dǎo)致能夠利用的共振腔體積有限，實(shí)現(xiàn)30hz以內(nèi)極低頻消聲的難度較大。

從上述研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，采用亥姆霍茲共振腔減小泵噴離散線譜噪聲進(jìn)而進(jìn)一步降低低頻輻射噪聲的技術(shù)措施在理論上完全可行，也從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上開(kāi)啟了抑制泵噴線譜噪聲的一條新途徑。該技術(shù)措施可以有效緩解當(dāng)前泵噴低頻線譜噪聲實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量、海試實(shí)測(cè)難以準(zhǔn)確評(píng)估的尷尬局面，既適用于常規(guī)有軸機(jī)械式泵噴水力模型的聲學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)，也可推廣用于新型無(wú)軸驅(qū)動(dòng)集成電機(jī)式泵噴水力模型的聲學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以有效填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該應(yīng)用領(lǐng)域的缺項(xiàng)，有力促進(jìn)國(guó)內(nèi)低噪聲泵噴的自主研發(fā)和推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明針對(duì)上述背景技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種帶亥姆霍茲共振腔的泵噴推進(jìn)器模型及其設(shè)計(jì)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種帶亥姆霍茲共振腔的泵噴推進(jìn)器模型，其特征在于：包括導(dǎo)管，導(dǎo)管內(nèi)設(shè)有同軸設(shè)置的定子和葉輪，定子前置，葉輪后置；葉輪包括葉輪葉片和葉輪輪轂，葉輪葉片沿周向均布設(shè)置在葉輪輪轂上；定子包括定子葉片和定子輪轂，定子葉片沿周向均布設(shè)置于定子輪轂，且定子葉片葉梢固定于導(dǎo)管內(nèi)壁面；導(dǎo)管為設(shè)有肋骨的中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管的肋骨包括環(huán)肋和縱肋，導(dǎo)管內(nèi)部的前端和后端分別布置有亥姆霍茲共振器。

較佳地，導(dǎo)管內(nèi)部前端設(shè)置的亥姆霍茲共振器是兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器，共振頻率為泵噴葉頻和2倍葉頻；導(dǎo)管內(nèi)部后端設(shè)置的亥姆霍茲共振器是兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器，共振頻率為泵噴2倍葉頻。

進(jìn)一步優(yōu)選的，兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器軸向位于第一根環(huán)肋之前，周向左右舷呈對(duì)稱(chēng)分布；兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器軸向位于最后一根環(huán)肋之后，周向左右舷呈對(duì)稱(chēng)分布。

較佳地，定子葉片的葉數(shù)和葉輪葉片的葉數(shù)互質(zhì)。

較佳地，葉輪葉片的葉梢截面與導(dǎo)管內(nèi)壁面之間設(shè)有葉頂間隙，葉頂間隙與葉輪直徑的比值范圍為2～5‰。

較佳地，定子葉片與葉輪葉片均采用naca16翼型厚度分布。

較佳地，定子葉片和葉輪葉片之間的軸向間隔距離不小于葉輪葉片弦長(zhǎng)的0.5倍。

較佳地，導(dǎo)管的內(nèi)壁面、外壁面的截面輪廓為翼型。

帶亥姆霍茲共振腔的泵噴推進(jìn)器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

一)進(jìn)行泵噴流體通道水力參數(shù)的選型設(shè)計(jì)；

二)確定泵噴前置定子、后置葉輪和導(dǎo)管內(nèi)外壁面的二維軸面投影幾何；

三)由步驟一)和步驟二)所得結(jié)果采用參數(shù)化三元逆向設(shè)計(jì)方法確定定子和葉輪的三維幾何形狀；由步驟一)和步驟二)所得結(jié)果將導(dǎo)管內(nèi)外截面的二維軸面投影幾何沿軸向旋轉(zhuǎn)得到中空導(dǎo)管三維幾何形狀；

四)采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟三)所得模型在設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的水動(dòng)力性能，判斷泵噴軸向推力、消耗功率、推進(jìn)效率和空化性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，若是，則進(jìn)行下一步，若否，則回到步驟二)修改相應(yīng)的二維軸面投影幾何，并調(diào)整步驟三)中定子葉片和葉輪葉片在三元逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中的葉片表面負(fù)載分布規(guī)律，重新設(shè)計(jì)定子和葉輪三維幾何形狀；

五)采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟四)所得模型在給定潛深、設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的非定常推進(jìn)性能，從計(jì)算結(jié)果中提取泵噴水力模型的脈動(dòng)推力系數(shù)，計(jì)算泵噴葉頻和2倍葉頻處的線譜噪聲，若線譜噪聲超過(guò)噪聲指標(biāo)值5db以上，則回到步驟一)重新進(jìn)行選型設(shè)計(jì)；若大于噪聲指標(biāo)值3～5db，則回到步驟二)增加定子葉片和葉輪葉片的軸向距離；

六)增加步驟五)所得模型中空導(dǎo)管的壁面厚度以及導(dǎo)管內(nèi)部的環(huán)肋和縱肋，設(shè)置導(dǎo)管內(nèi)部前端的兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器，并采用有限元方法計(jì)算共振腔亥姆霍茲共振器的共振頻率：若共振頻率等于泵噴葉頻和2倍葉頻，則進(jìn)行下一步；若共振頻率偏離泵噴葉頻和2倍葉頻大于5％，則改變共振器頸部截面積以及調(diào)整共振腔體積來(lái)調(diào)整共振頻率；

七)設(shè)計(jì)步驟六)所得模型導(dǎo)管內(nèi)部后端的兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器，并采用有限元方法計(jì)算共振器的共振頻率，若共振頻率等于泵噴2倍葉頻，則進(jìn)行下一步；若共振頻率偏離泵噴2倍葉頻大于5％，則改變共振器頸部截面積以及調(diào)整共振腔體積來(lái)調(diào)整共振頻率；

八)采用有限元方法計(jì)算校核泵噴定子導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，若滿足材料使用要求，則進(jìn)行下一步；若否，則回到步驟六)增加環(huán)肋截面厚度；

九)確定帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴推進(jìn)器模型。

較佳地，步驟三)中設(shè)計(jì)定子葉片和葉輪葉片三維幾何形狀時(shí)：定子葉片隨邊采用遞增型環(huán)量分布、葉輪葉片導(dǎo)邊采用二次方環(huán)量分布；定子和葉輪葉片的葉根截面均采用中載型負(fù)載分布、葉梢截面均采用前載型負(fù)載分布；定子葉片葉根截面導(dǎo)邊處采用小的正攻角，葉輪葉片葉梢截面隨邊處采用小的負(fù)攻角。

較佳地，步驟五)中計(jì)算泵噴脈動(dòng)推力系數(shù)并且評(píng)估線譜噪聲時(shí)采用尺度適應(yīng)模擬方法sas結(jié)合脈動(dòng)力輻射噪聲理論公式。

較佳地，步驟五)中計(jì)算泵噴葉頻和2倍葉頻處的線譜噪聲的計(jì)算理論公式為：

其中，p為聲壓，t'為遲滯時(shí)間，f為脈動(dòng)推力，r為脈動(dòng)力源到測(cè)點(diǎn)距離，θ為f與r矢量之間夾角，cosθ項(xiàng)用于表征脈動(dòng)力源的偶極聲場(chǎng)指向性。一旦脈動(dòng)推力幅值確定，則線譜噪聲譜源級(jí)就可以確定。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明在前置定子泵噴水力模型的基礎(chǔ)上，以中空導(dǎo)管內(nèi)部肋骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)導(dǎo)管內(nèi)部前端兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器和導(dǎo)管內(nèi)部后端兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器，得到了帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴模型，能夠同時(shí)減小泵噴葉頻和2倍葉頻處的低頻離散線譜噪聲，降低總噪聲。與基準(zhǔn)泵噴水力模型相比，葉片三維幾何采用的設(shè)計(jì)方法和加工材料都未發(fā)生改變，易于擴(kuò)展。設(shè)計(jì)泵噴案例中定子葉片數(shù)為11葉，葉輪葉片數(shù)為9葉，導(dǎo)管內(nèi)外截面輪廓為翼型，內(nèi)外截面厚度均為10mm。導(dǎo)管內(nèi)部包含6根環(huán)肋和7根縱肋，肋骨截面厚度均為15mm。定子葉片和葉輪葉片均采用naca16翼型厚度分布特征。葉輪葉片具有大側(cè)斜特征。設(shè)計(jì)泵噴在額定航速16節(jié)、額定轉(zhuǎn)速200rpm下，敞水效率為0.58，軸向推力大于300kn、消耗功率小于3.5mw，水深大于30米時(shí)無(wú)空化產(chǎn)生。亥姆霍茲共振器使得泵噴在葉頻30hz和2倍葉頻60hz處線譜噪聲能夠減小2～3db。該設(shè)計(jì)方案中采用的消聲技術(shù)措施也適用于無(wú)軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴水力模型的線譜噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)，該技術(shù)措施推廣應(yīng)用后可進(jìn)一步促進(jìn)泵噴推進(jìn)技術(shù)的普及應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴模型三維幾何圖；

圖2是本發(fā)明導(dǎo)管內(nèi)部前端兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器的截面圖；

圖3是本發(fā)明導(dǎo)管內(nèi)部后端兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器的截面圖；

圖4是本發(fā)明帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴模型設(shè)計(jì)流程圖。

圖中：1-定子葉片，2-定子輪轂，3-葉輪葉片，4-葉輪輪轂，5-導(dǎo)管，6-環(huán)肋，7-縱肋，8-兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器，9-兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)圖1～圖4以及列舉本發(fā)明的一些可選實(shí)施例的方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案(包括優(yōu)選技術(shù)方案)做進(jìn)一步的詳細(xì)描述，本實(shí)施例內(nèi)的任何技術(shù)特征以及任何技術(shù)方案均不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例一

如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴推進(jìn)器模型，包括導(dǎo)管5，所述導(dǎo)管5內(nèi)設(shè)有同軸的葉輪和定子，所述定子前置，所述葉輪后置；所述葉輪包括葉輪葉片3和葉輪輪轂4，所述葉輪葉片3周向?qū)ΨQ(chēng)固定于葉輪輪轂4；所述定子包括定子葉片1和定子輪轂2，所述定子葉片1固定于定子輪轂2且定子葉片1葉梢固定于導(dǎo)管5的內(nèi)壁面；導(dǎo)管內(nèi)部肋骨結(jié)構(gòu)包括環(huán)肋6和縱肋7，環(huán)肋6軸向初始等間隔布置，縱肋7周向非均勻布置；兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器8位于導(dǎo)管內(nèi)部前端的第1根環(huán)肋前方，兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器9位于導(dǎo)管內(nèi)部后端的最后1根環(huán)肋后方。與無(wú)亥姆霍茲共振器的基準(zhǔn)泵噴模型相比，該布置結(jié)構(gòu)能夠在不影響水動(dòng)力性能的條件下減小泵噴葉頻和2倍葉頻處線譜噪聲，進(jìn)而控制低頻輻射噪聲，進(jìn)一步降低總的輻射噪聲。

本實(shí)施例中，所述定子葉片1的葉數(shù)和葉輪葉片3的葉數(shù)互質(zhì)。定子葉片1的葉數(shù)優(yōu)選為11葉，葉輪葉片3的葉數(shù)優(yōu)選為9葉。

本實(shí)施例中，所述葉輪葉片3的葉梢截面與導(dǎo)管5內(nèi)壁面之間設(shè)有葉頂間隙。本例中，所述葉頂間隙與葉輪直徑的比值為3‰。

本實(shí)施例中，葉輪葉片3側(cè)斜角等于相鄰的葉輪葉片3之間夾角的一半，側(cè)斜角為優(yōu)選為20度。

作為本實(shí)施例的一種改進(jìn)方式，葉輪葉片3從葉根到葉梢截面，側(cè)斜角按給定規(guī)律增加，不同半徑截面處的側(cè)斜角數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，θsmax是葉梢截面?zhèn)刃苯?，用于描述葉輪葉片的側(cè)斜角；rh是葉輪輪轂半徑，r是葉輪半徑，r是葉輪葉片上任一截面半徑，θs是半徑r截面處的側(cè)斜角。

本實(shí)施例中，定子葉片1和葉輪葉片3均采用naca16翼型厚度分布。

本實(shí)施例中，所述導(dǎo)管5的內(nèi)外壁面截面輪廓為翼型，導(dǎo)管內(nèi)外壁面厚度均為10mm。導(dǎo)管內(nèi)部包含6根環(huán)肋和7根縱肋，環(huán)肋和縱肋截面厚度均為15mm。

本實(shí)施例中，所述兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器8的頸部截面直徑10mm、頸部長(zhǎng)度12mm、大共振腔體積0.4m³、小共振腔體積0.1m³。頸部截面位于共振腔中央位置，成x形排列。

本實(shí)施例中，所述兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器9的頸部截面直徑6mm、頸部長(zhǎng)度7mm、共振腔體積0.06m³。頸部截面位于周向45度角位置，成x形排列。

實(shí)施例二

本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴模型設(shè)計(jì)方法的流程圖如圖4所示，

步驟s1，依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行泵噴流體通道水力參數(shù)的選型設(shè)計(jì)。選型設(shè)計(jì)時(shí)，按照船舶噴水推進(jìn)理論，由快速性要求確定泵噴葉柵通道的揚(yáng)程、流量、出口面積、比轉(zhuǎn)速和吸口比轉(zhuǎn)速5個(gè)參數(shù)。

步驟s2，確定泵噴前置定子、后置葉輪和導(dǎo)管內(nèi)外壁面的二維軸面投影幾何；二維軸面投影幾何包括定子葉片導(dǎo)邊和隨邊、定子輪轂、葉輪葉片導(dǎo)邊和隨邊、葉輪輪轂、導(dǎo)管內(nèi)壁面和外壁面的軸面投影。

步驟s3，由步驟s1和步驟s2所得結(jié)果采用參數(shù)化三元逆向設(shè)計(jì)方法(詳見(jiàn)申請(qǐng)人專(zhuān)利：一種前置定子周向非對(duì)稱(chēng)布置的泵噴推進(jìn)器水力模型及其設(shè)計(jì)方法，cn105117564a，2015-12-02)確定定子、葉輪的三維幾何形狀；由步驟s1和步驟s2所得結(jié)果將導(dǎo)管內(nèi)外壁面的二維軸面投影幾何沿軸向旋轉(zhuǎn)得到中空導(dǎo)管三維幾何形狀；

設(shè)計(jì)定子和葉輪葉片三維幾何形狀時(shí)：定子葉片隨邊采用遞增型環(huán)量分布、葉輪葉片導(dǎo)邊采用二次方環(huán)量分布；定子和葉輪葉片的葉根截面均采用中載型負(fù)載分布、葉梢截面均采用前載型負(fù)載分布；定子葉片葉根截面導(dǎo)邊處采用小的正攻角，葉輪葉片葉梢截面隨邊處采用小的負(fù)攻角。

步驟s4，采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟s3所得模型在設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的水動(dòng)力性能，判斷泵噴軸向推力、消耗功率、推進(jìn)效率和空化性能是否滿足設(shè)計(jì)要求：若是，則進(jìn)行下一步；若否，則回到步驟s2修改相應(yīng)的二維軸面投影幾何，并調(diào)整定子和葉輪在三元逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中的葉片表面負(fù)載分布規(guī)律，重新設(shè)計(jì)定子和葉輪三維幾何形狀；

步驟s5，引入葉輪葉片大側(cè)斜特征：使葉輪葉片側(cè)斜角大于相鄰葉片之間夾角的一半；

帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴水力模型中葉輪葉片具有大側(cè)斜特征所指為：葉輪葉片側(cè)斜角大于相鄰葉片之間夾角的一半，本實(shí)施例中側(cè)斜角取為20度，側(cè)斜程度為50％。葉輪葉片從葉根到葉梢截面，側(cè)斜角按給定規(guī)律增加，不同半徑截面處的側(cè)斜角數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，θsmax是葉梢截面?zhèn)刃苯?，用于描述葉輪葉片的側(cè)斜角，本實(shí)施例中取為20度；rh是葉輪輪轂半徑，r是葉輪半徑，r是葉輪葉片上任一截面半徑，θs是半徑r截面處的側(cè)斜角。

步驟s6，采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟s5所得模型在給定潛深、設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的非定常推進(jìn)性能，求取泵噴水力模型的脈動(dòng)推力系數(shù)，并由理論公式計(jì)算得到泵噴葉頻和2倍葉頻處的線譜噪聲，若線譜噪聲大于噪聲指標(biāo)值3db以上，則回到步驟s2增加定子葉片和葉輪葉片的軸向距離；若否，則進(jìn)行下一步；

線譜噪聲計(jì)算理論公式所指為：

其中，p為聲壓，t'為遲滯時(shí)間，f為脈動(dòng)推力，r為脈動(dòng)力源到測(cè)點(diǎn)距離，θ為f與r矢量之間夾角，cosθ項(xiàng)用于表征脈動(dòng)力源的偶極聲場(chǎng)指向性。一旦脈動(dòng)推力幅值確定，則線譜噪聲譜源級(jí)就可以確定。

步驟s7，在步驟s6所得模型基礎(chǔ)上增加泵噴導(dǎo)管內(nèi)外截面厚度、增加中空導(dǎo)管內(nèi)部的環(huán)肋和縱肋結(jié)構(gòu)，確定導(dǎo)管內(nèi)部前端兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器的幾何尺寸，包括頸部截面積、頸部長(zhǎng)度和共振腔體積，并采用有限元方法計(jì)算共振器的共振頻率，判斷共振頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求：若是，則進(jìn)行下一步；若共振頻率偏離泵噴葉頻和2倍葉頻大于5％，則通過(guò)改變共振器頸部截面積或者是同時(shí)改變頸部截面積和共振腔體積來(lái)調(diào)整共振頻率；共振腔體積改變通過(guò)調(diào)整包圍共振腔的縱肋周向角度位置來(lái)完成。

如圖2所示，導(dǎo)管內(nèi)部前端的兩并聯(lián)共振腔亥姆霍茲共振器數(shù)量為2，呈左右舷對(duì)稱(chēng)分布。共振器軸向位于第1根環(huán)肋前方，周向位于左右舷側(cè)中間。單個(gè)共振器的兩并聯(lián)共振腔由單條縱肋周向隔開(kāi)，兩共振腔體積之比為4：1。左舷側(cè)大共振腔位于上方，右舷側(cè)大共振腔位于下方。兩個(gè)共振器中四處頸部截面積相同、四處頸部長(zhǎng)度也相同。

頸部截面積、頸部長(zhǎng)度和共振腔體積之間滿足以下關(guān)系式：

其中，bpf是泵噴葉頻，bpf＝葉片數(shù)*轉(zhuǎn)速(r/s)；c為聲速；ac和lc分別是頸部截面積和頸部長(zhǎng)度，v1和v2分別是大共振腔和小共振腔體積。

步驟s8，在步驟s7所得模型基礎(chǔ)上確定導(dǎo)管內(nèi)部后端兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器的幾何尺寸，包括頸部截面積、頸部長(zhǎng)度和共振腔體積，并采用有限元方法計(jì)算共振器的共振頻率，判斷共振頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求：若是，則進(jìn)行下一步；若共振頻率偏離泵噴2倍葉頻大于5％，則通過(guò)改變共振器頸部截面積或者是改變頸部截面積的同時(shí)回到步驟s7改變共振腔體積來(lái)調(diào)整共振頻率。共振腔體積改變通過(guò)調(diào)整最后1根環(huán)肋的軸向位置來(lái)完成。

如圖3所示，導(dǎo)管內(nèi)部后端的兩并聯(lián)頸部亥姆霍茲共振器數(shù)量為2，呈左右舷對(duì)稱(chēng)分布。單個(gè)共振器中兩處頸部截面積相同、頸部長(zhǎng)度也相同。頸部截面積、頸部長(zhǎng)度和共振腔體積之間滿足以下關(guān)系式：

其中，ac2和lc2分別是頸部截面積和頸部長(zhǎng)度，v3是共振腔體積。

步驟s9，采用有限元方法計(jì)算校核泵噴定子-導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，若滿足國(guó)軍標(biāo)要求，則進(jìn)行下一步；若否，則回到步驟s7增加環(huán)肋和縱肋截面厚度；

步驟s10，確定帶亥姆霍茲共振腔的前置定子泵噴推進(jìn)器模型。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。