一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法与流程

1.本发明涉及船舶推进器声隐身领域，尤其是一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法。


背景技术：

2.泵喷推进器是国外近几十年为了进一步降低推进器噪声而发展起来的新型推进器，以其优良的航行性能、优异的噪声特性日益受到各海军强国的青睐。泵喷推进器是极其复杂的组合推进器，包含转子、定子和导管，如图1所示，导管包围定子和转子设置。无论前置定子式或后置定子式泵喷推进器，其转子、定子和导管均工作在空间和时间变化的尾流场中。由于非均匀的流场与转子、定子叶片导边以及导管的相互作用，会产生随机的低频宽带激励力，该低频宽带激励力不仅引起低频段较高的宽带噪声，而且会通过轴系或定子传递到艇体本身，引起艇体振动而发声，严重影响潜艇推进器的声隐身性能。
3.非定常低频宽带激励力的评估是泵喷推进器设计过程中一个重要的环节，它既可以判断设计方案的低频宽带激励力是否达标，也可以对该设计方案低频宽带噪声评估提供载荷输入，用以评估低频宽带噪声是否满足要求。泵喷推进器低频宽带激励力在时域上是随机的脉动量，量级较小，只有平均值的千分之几，侧向分量更低，若要通过直接模拟得到，对计算时间和计算精度都带来巨大的挑战。针对上述技术问题，目前还没有有效的解决措施和方案。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法，适合于泵喷推进器方案设计阶段低频宽带激励力的计算和评估，为低激振力的推进器设计方案优选提供了一种有效的手段。本发明的技术方案如下：
5.一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法，包括如下步骤：
6.分别计算泵喷推进器中各部件的湍流波数谱，部件包括转子、定子和导管；
7.分别计算并修正泵喷推进器中各部件的流体动力响应函数；
8.基于湍流波数谱和修正后的流体动力响应函数分别计算各部件的非定常低频宽带激励力；
9.将转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器的非定常低频宽带激励力。
10.其进一步的技术方案为，基于湍流波数谱和修正后的流体动力响应函数分别计算各部件的非定常低频宽带激励力，包括，对于转子：
11.将转子视为普通旋转机械，利用机翼薄翼理论，结合转子盘面处的湍流波数谱和转子叶片对应的修正后的流体动力响应函数，计算出转子叶片对应径向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到转子叶片对应径向单位长度的非定常低频宽带激励力，且计算时考虑前方来流水速和转子旋转效应；
12.对单位长度的非定常低频宽带激励力沿转子叶片的桨毂到叶梢进行积分，得到一片转子叶片的非定常低频宽带激励力；将所有转子叶片的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器中转子的非定常低频宽带激励力。
13.其进一步的技术方案为，基于湍流波数谱和修正后的流体动力响应函数分别计算各部件的非定常低频宽带激励力，包括，对于定子：
14.将定子视为转速为零的旋转机械，利用机翼薄翼理论，结合靠近定子盘面前方的湍流波数谱和定子叶片对应的修正后的流体动力响应函数，计算出定子叶片对应径向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到定子叶片对应径向单位长度的非定常低频宽带激励力，且计算时仅考虑前方来流水速；
15.对单位长度的非定常低频宽带激励力沿定子叶片的桨毂到叶梢进行积分，得到一片定子叶片的非定常低频宽带激励力；将所有定子叶片的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器中定子的非定常低频宽带激励力。
16.其进一步的技术方案为，基于湍流波数谱和修正后的流体动力响应函数分别计算各部件的非定常低频宽带激励力，包括，对于导管：
17.导管展开后将其视为带有厚度的平板，平板的展长作为导管的周长，利用机翼薄翼理论，结合导管进口前方的湍流波数谱和导管对应的修正后的流体动力响应函数，计算出导管剖面周向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到导管剖面周向单位长度的非定常低频宽带激励力，且计算时仅考虑前方来流水速；
18.对单位长度的非定常低频宽带激励力沿平板的展长方向进行积分，得到泵喷推进器中导管的非定常低频宽带激励力。
19.其进一步的技术方案为，分别计算泵喷推进器中各部件的湍流波数谱，包括：
20.对于转子，获取转子盘面处的湍流特征参数；对于定子，获取靠近定子盘面前方的湍流特征参数；对于导管，获取导管进口前方的湍流特征参数；其中，湍流特征参数包括湍流度和湍流积分长度，盘面为转子叶片或定子叶片的旋转面；
21.对湍流积分长度进行修正，表达式为：
[0022][0023]
其中，λ为相应位置的湍流积分长度，λ
′
为相应位置修正后的湍流积分长度，αc为一常数，k1为与泵喷推进器转子的角频率有关的波矢量向量；
[0024]
基于相应的湍流度和修正后的湍流积分长度分别计算泵喷推进器中转子、定子和导管的湍流波数谱，表达式为：
[0025][0026]
其中，k1,k2,k3为三个方向的波矢量向量，且为三个方向的波矢量向量，且为相应位置的湍流脉动速度的均方值，且ε为相应位置的湍流度，u为前方来流水速。
[0027]
其进一步的技术方案为，分别计算并修正泵喷推进器中各部件的流体动力响应函
数，包括：
[0028]
流体动力响应函数的表达式为：
[0029][0030]
其中，i为虚数单位，ω为泵喷推进器转子的角频率，c为泵喷推进器相应部件的弦长，u为前方来流水速，为一阶第二类汉克尔函数，为零阶第二类汉克尔函数；
[0031]
考虑泵喷推进器各部件的厚度影响，基于厚度修正的流体动力响应函数的表达式为：
[0032]
其中，h为泵喷推进器各部件的剖面最大厚度。
[0033]
其进一步的技术方案为，将转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器的非定常低频宽带激励力，包括：
[0034]
设转子的非定常低频宽带激励力为定子的非定常低频宽带激励力为导管的非定常低频宽带激励力为三种激励力的单位均为n，且泵喷推进器各部件产生的非定常低频宽带激励力不相关；
[0035]
对泵喷推进器各部件产生的非定常低频宽带激励力分别取对数：
[0036][0037][0038][0039]
利用下式对取对数后的各部件的非定常低频宽带激励力进行叠加，表达式为：
[0040]
对上述叠加后的对数形式的非定常低频宽带激励力进行转换得到泵喷推进器的非定常低频宽带激励力，表达式为：
[0041]
本发明的有益技术效果是：
[0042]
本技术提出的评估方法将泵喷推进器与湍流场相互作用引起的非定常低频宽带激励力的过程用简单的物理模型模化，湍流场的作用相当于激励源，用湍流波数谱模化；泵喷推进器各部件的作用相当于在激励的作用下传递响应，用流体动力响应函数模化；该方法针对泵喷推进器非均匀、非定常的三维复杂流场的特点，开展了适用于泵喷复杂湍流场应用的湍流积分长度的修正和考虑部件厚度影响的响应函数的修正，使其更适应于泵喷推进器低频宽带激励力的评估；基于修正后的湍流波数谱和流体动力响应函数计算泵喷推进器中转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力，并将三者叠加得到整个泵喷推进器的非定常低频宽带激励力幅值，能够有效地评估泵喷推进器运转状态下的非定常宽带激励力性能，从而指导泵喷推进器的设计和噪声评估。
附图说明
[0043]
图1是本技术提供的泵喷推进器各部件的结构图。其中，(a)为转子，(b)为定子，(c)为导管。
[0044]
图2是本技术提供的泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法流程图。
[0045]
图3是本技术提供的基于cfd数值模拟方法计算得到的suboff潜艇、导管、定子的湍流度结果。
[0046]
图4是本技术提供的基于cfd数值模拟方法计算得到的suboff潜艇、导管、定子的湍流积分长度结果。
[0047]
图5是本技术提供的适于泵喷复杂湍流场应用的转子的湍流积分长度的修正结果。
[0048]
图6是本技术提供的考虑转子叶片厚度影响的流体动力响应函数的修正结果。
[0049]
图7是本技术提供的泵喷推进器各部件的轴向非定常低频宽带激励力结果。
[0050]
图8是本技术提供的各部件叠加得到的泵喷推进器整体轴向非定常低频宽带激励力结果。
[0051]
图9是本技术提供的根据评估方法计算得到的非定常低频宽带激励力与试验得到的非定常低频宽带激励力的对比结果。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0053]
以suboff潜艇后泵喷推进器为例，设定泵喷推进器的前进速度为vm＝3.09m/s，泵喷转子的旋转速度为nm＝15.39rps，在该状态下分别评估泵喷推进器各部件的非定常低频宽带激励力。如图2所示，一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法，包括如下步骤：
[0054]
步骤1：分别计算泵喷推进器中各部件的湍流波数谱。
[0055]
其中，部件包括转子、定子和导管。在本实施例中，定子安装在转子前方。
[0056]
该步骤具体包括：
[0057]
步骤11：对于转子，获取转子盘面处的湍流特征参数；对于定子，获取靠近定子盘面前方的湍流特征参数；对于导管，获取导管进口前方的湍流特征参数；其中，湍流特征参数包括湍流度和湍流积分长度，盘面为转子叶片或定子叶片的旋转面。
[0058]
在本实施例中，算流场值时不包含suboff潜艇后泵喷推进器中的转子结构，基于cfd数值模拟方法或试验手段获取相应位置的湍流特征参数。如图3、图4所示，以cfd数值模拟方法计算全附体suboff潜艇、导管、定子在vm＝3.09m/s时的湍流特征参数，获取所需的湍流度和湍流积分长度。
[0059]
步骤12：对湍流积分长度进行修正，表达式为：
[0060][0061]
其中，λ为相应位置的湍流积分长度，λ
′
为相应位置修正后的湍流积分长度；αc为一常数，通常取αc＝1；k1为与泵喷推进器转子的角频率有关的波矢量向量。
[0062]
对泵喷推进器而言，其流场为非均匀、非定常的三维复杂流场，已不满足各向同性的湍流假设条件，针对普通螺旋桨常用的liepmann谱模型开展适用于泵喷复杂湍流场应用
的湍流积分长度的修正，修正结果如图5所示。
[0063]
步骤13：基于相应的湍流度和修正后的湍流积分长度分别计算泵喷推进器中转子、定子和导管的湍流波数谱，表达式为：
[0064][0065]
其中，k1,k2,k3为三个方向的波矢量向量，且u为相应位置的湍流脉动速度的均方值，且ε为相应位置的湍流度，u为前方来流水速。
[0066]
步骤2：分别计算并修正泵喷推进器中各部件的流体动力响应函数。
[0067]
步骤21：流体动力响应函数的表达式为：
[0068][0069]
其中，i为虚数单位，ω为泵喷推进器转子的角频率，c为泵喷推进器相应部件的弦长，u为前方来流水速，为一阶第二类汉克尔函数，为零阶第二类汉克尔函数。
[0070]
上述sears响应函数在以往常规螺旋桨低频宽带激励力预报时采用，没有考虑叶片厚度的影响，实际情况下，推进器旋转叶片是有一定厚度的，不考虑厚度可能给低频宽带激励力的预报带来一定误差。
[0071]
步骤22：考虑泵喷推进器各部件的厚度影响，基于厚度修正的流体动力响应函数的表达式为：
[0072]
其中，h为泵喷推进器各部件的剖面最大厚度。
[0073]
针对普通螺旋桨常用的sears响应函数开展考虑部件的厚度影响修正，修正结果如图6所示。
[0074]
步骤3：基于湍流波数谱和修正后的流体动力响应函数分别计算各部件的非定常低频宽带激励力。
[0075]
1)对于转子：
[0076]
步骤31a：将转子视为普通旋转机械，利用机翼薄翼理论，结合转子盘面处的湍流波数谱式(2)和转子叶片对应的修正后的流体动力响应函数式(4)，计算出转子叶片对应径向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到转子叶片对应径向单位长度的非定常低频宽带激励力，且计算时考虑前方来流水速和转子旋转效应。
[0077]
步骤32a：对单位长度的非定常低频宽带激励力沿转子叶片的桨毂到叶梢进行积分，得到一片转子叶片的非定常低频宽带激励力。将所有转子叶片的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器中转子的非定常低频宽带激励力。
[0078]
2)对于定子：
[0079]
步骤31b：将定子视为转速为零的旋转机械，利用机翼薄翼理论，结合靠近定子盘面前方的湍流波数谱式(2)和定子叶片对应的修正后的流体动力响应函数式(4)，计算出定
子叶片对应径向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到定子叶片对应径向单位长度的非定常低频宽带激励力，与转子不同的是，定子在工作过程中只有前进速度，没有旋转速度，因此计算时仅考虑前方来流水速。
[0080]
步骤32b：对单位长度的非定常低频宽带激励力沿定子叶片的桨毂到叶梢进行积分，得到一片定子叶片的非定常低频宽带激励力；将所有定子叶片的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器中定子的非定常低频宽带激励力。
[0081]
3)对于导管：
[0082]
步骤31c：导管的形状与转子、定子有较大差别，但其剖面与转子、定子类似。导管展开后将其视为带有厚度的平板，则导管进口至出口的长度即为平板的宽度，导管的周长即为平板的展长。利用机翼薄翼理论，结合导管进口前方的湍流波数谱式(2)和导管对应的修正后的流体动力响应函数式(4)，计算出导管剖面周向单位长度的上下表面的压力差，基于压力差计算得到导管剖面周向单位长度的非定常低频宽带激励力，与定子相同、计算时仅考虑前方来流水速。
[0083]
步骤32c：对单位长度的非定常低频宽带激励力沿平板的展长方向进行积分，得到泵喷推进器中导管的非定常低频宽带激励力。
[0084]
上述基于压力差计算得到转子叶片对应径向/定子叶片对应径向/导管剖面周向单位长度的非定常低频宽带激励力的方法采用的是本领域的现有公开技术，具体可以参考申请人在《中国造船》，vol.55no.3 2014发表的“入射湍流与螺旋桨相互作用的低频宽带噪声预报研究”。计算得到的泵喷推进器各部件的非定常低频宽带激励力如图7所示。
[0085]
步骤4：将转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力进行叠加，得到泵喷推进器的非定常低频宽带激励力。
[0086]
步骤41：设转子的非定常低频宽带激励力为定子的非定常低频宽带激励力为导管的非定常低频宽带激励力为三种激励力的单位均为n，且泵喷推进器各部件产生的非定常低频宽带激励力不相关。
[0087]
步骤42：对泵喷推进器各部件产生的非定常低频宽带激励力分别取对数：
[0088][0089][0090][0091]
步骤43：利用式(8)对取对数后的各部件的非定常低频宽带激励力进行叠加，表达式为：
[0092]
步骤44：对上述叠加后的对数形式的非定常低频宽带激励力进行转换得到泵喷推进器的非定常低频宽带激励力，表达式为：
[0093]
将转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力叠加得到的整个泵喷推进器的非定常低频宽带激励力如图8所示。
[0094]
需要说明的是，步骤1、2实际上没有先后顺序，可以同时进行。步骤3中的a、b、c也没有先后顺序，可以同时进行。
[0095]
本技术提出的评估方法将泵喷推进器与湍流场相互作用引起的非定常低频宽带激励力的过程用简单的物理模型模化，湍流场的作用相当于激励源，用湍流波数谱模化；泵喷推进器各部件的作用相当于在激励的作用下传递响应，用流体动力响应函数模化；该方法针对泵喷推进器非均匀、非定常的三维复杂流场的特点，开展了适用于泵喷复杂湍流场应用的湍流积分长度的修正和考虑部件厚度影响的响应函数的修正，使其更适应于泵喷推进器低频宽带激励力的评估；基于修正后的湍流波数谱和流体动力响应函数计算泵喷推进器中转子、定子和导管的非定常低频宽带激励力，并将三者叠加得到整个泵喷推进器的非定常低频宽带激励力幅值，能够有效地评估泵喷推进器运转状态下的非定常宽带激励力性能，从而指导泵喷推进器的设计和噪声评估。
[0096]
此外，鉴于目前的模型试验能力，针对泵喷转子低频宽带激励力开展了评估结果与模型试验结果的对比验证。如图9所示，虚线代表基于本技术提供的评估方法的计算结果，实线为现有模型得到的试验结果。转子低频宽带激励力评估结果与模型试验结果趋势一致，峰值频率处幅值稍低，偏差在3db左右，验证了转子低频宽带激励力评估结果的可靠性和合理性。
[0097]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。