一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法

1.本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法。


背景技术：

2.类圆柱壳体辐射噪声主要为水动力噪声和螺旋桨噪声两部分，类圆柱壳体的水动力噪声是由类圆柱壳体周围湍流边界层内的扰动、壁面上的脉动压力以及流体与固体的耦合作用导致的结构振动共同引起的。类圆柱壳体周围的流场，尤其是湍流边界层内，存在着涡旋运行以及流体碰撞而导致的能量交换，产生的是四极子声源可以忽略不计。壁面上的脉动压力是偶极子声源，是水动力噪声的主要成分。
3.螺旋桨不同，螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声也不同。存在螺旋桨目标几何结构难以直接提取的难题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法,以解决目标几何结构难以直接提取的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
6.一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法，包括以下步骤：
7.步骤1、对螺旋桨计算域进行网格划分；
8.步骤2、在fluent软件中导入划分好的网格文件并进行网格相关操作；
9.步骤3、将入流速度值导入到入流速度面；
10.步骤4、计算模型设置；
11.步骤5、设置求解参数、计算的初始化以及收敛条件；
12.步骤6、进行稳态计算并验证敞水性能；
13.步骤7、进行非稳态迭代计算；
14.步骤8、根据脉动压力和fw-h模型对螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声进行数值预报；
15.步骤9、分析不同螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声的谱特性。
16.进一步的，在步骤1中设定坐标原点在螺旋桨中心点处，螺旋桨的旋转轴为x轴，螺旋桨的直径为d，设置x正方向为下游，x负方向为上游；建立计算动域和计算静止域；进行网格划分，检查网格质量；定义流体计算域和边界条件。
17.进一步的，在步骤2中，进行网格相关操作是将步骤1中划分好的网格文件读入到cfd软件中进行网格检查，使得最小网格体积大于零；进行计算域尺寸的调整，调整网格的尺寸比例，使尺寸符合实际模型的大小；将网格进行交换和光滑处理，交换系数从小到大进行光滑和交换操作，使得每个交换系数的交换网格数据为零。
18.进一步的，在步骤3中，采用profile文件或udf宏的方式将入流速度导入到入流流
速度面。
19.进一步的，所述步骤4中计算模型设置在cfd软件中进行，包括以下步骤：定义求解器，按照默认的设置；选择k-epsilon模型，在k-epsilon模型下选择选项stadard，在near-wall treatment选项下选择标准壁面函数；流体介质的选取，选取water-liquid和water-vapor，根据实际值设置流体介质的密度和粘性系数；设置操作环境，在operation pressure中根据实际值写入环境压力；将螺旋桨的旋转速度n的单位选为rpm；设置边界条件，包括选择流体动域的坐标系，定义动域旋转轴为x轴，根据实际值设定选择速度，速度方向遵循右手准则，默认流体静止域为静止坐标系，入流速度面中速度采用笛卡尔坐标系，分别选择profile读入文本文件中的速度值或udf，计算域外围入流速度面中速度采用笛卡尔坐标系，x方向的速度值根据实际的入流速度进行设定，压力出口选择静压力为零，定义螺旋桨的桨叶和桨毂壁面速度无滑移，粗糙系数为0.5，最后定义交界面。
20.进一步的，在步骤5中设置松弛因子，其中vapor，turbulent kinetic energy，specifiec dissipation rate，turbulent viscosity的松弛因子为λ，其它保持不变，定义差分方程形式，其中pressure为standard，其它的均为first order upwind形式；将入流口速度面的速度作为初始值；设置各参数的计算收敛残差。
21.进一步的，在步骤6中在fluent软件中通过设置不同的操作环境进行稳态计算，计算螺旋桨的敞水水动力参数值，包含推力系数k
t
和力矩系数kq，并与实际值进行对比验证，验证模型的准确性。
22.进一步的，在步骤7中，将计算模型更改为非稳态计算，将步骤6中的稳态计算结果作为初始条件，进行非稳态迭代计算，迭代时间步长为δt，每个迭代步的迭代次数为m，记录非稳态流场脉动压力数据。
23.进一步的，在步骤8中，根据记录的非稳态流场脉动压力数据，选择fw-h模型，设定传感器位置，计算螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声。
24.本发明的一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法，具有以下优点：
25.1、本发明的估计方法在cfd软件中利用fw-h方程求解螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声，快速求解不同螺旋桨驱动下类圆柱壳体辐射噪声线谱与螺旋桨间的关联性，工程实用性强；
26.2、本发明的估计方法可以通过网格建模和数值计算的方法解决结构和边界复杂的螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声的线谱特征分析问题。
附图说明
27.图1为本发明的螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法流程示意图；
28.图2(a)为本发明的前后桨模型图；
29.图2(b)为本发明的类圆柱壳体模型图；
30.图3(a)为本发明的cpr4桨驱动下的类圆柱壳体在进速系数j＝0.7下的声压频率响应图；
31.图3(b)为本发明的cpr4桨驱动下的类圆柱壳体在进速系数j＝0.8下的声压频率响应图；
32.图3(c)为本发明的cpr4桨驱动下的类圆柱壳体在进速系数j＝0.9下的声压频率响应图；
33.图3(d)为本发明的cpr4桨驱动下的类圆柱壳体在进速系数j＝1.0下的声压频率响应图；
34.图3(e)为本发明的cpr4桨驱动下的类圆柱壳体在进速系数j＝1.1下的声压频率响应图；
35.图4为本发明crp4桨驱动下的类圆柱壳体在转速30r/s下的声压频率响应图；
36.图5为单桨驱动下的类圆柱壳体的声压频率响应图。
具体实施方式
37.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法做进一步详细的描述。
38.如图1所示，一种螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声数值预报方法，包括如下步骤：
39.步骤1、对螺旋桨计算域进行网格划分；
40.步骤2、在fluent软件中导入划分好的网格文件并进行网格相关操作；
41.步骤3、采用profile文件或udf宏的方式将入流速度值导入到入流速度面；
42.步骤4、计算模型设置；
43.步骤5、设置求解参数、计算的初始化以及收敛条件；
44.步骤6、进行稳态计算并验证敞水性能；
45.步骤7、进行非稳态迭代计算；
46.步骤8、根据脉动压力和fw-h模型对螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声进行数值预报；
47.步骤9、分析不同螺旋桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声的谱特性。
48.实施例1：
49.crp4桨和类圆柱壳体的几何参数如下：前桨为四叶左旋桨，直径为0.3052m，后桨为五叶右旋桨，直径d为0.2993m，两桨的轴向距离为0.0431858m；圆柱壳体部分的半径dr为0.21364m，长度为3.894306m，柱体长度为4.8535498m，前端的长度为0.170912m。模型如图2。
50.在步骤1中，计算域的外半径为5dr，内半径dr，类圆柱壳体的上游距离为0.7d，下游距离为3.75d，对转桨区域为旋转区域，其余的为静止域，旋转区域的网格划分为非结构网格，静止区域的网格划分为结构网格。
51.依据步骤2到步骤6，计算域的边界条件由速度进口，外围速度进口，压力出口，固体壁面和旋转壁面组成。速度入口边界面位于计算域的左端面，根据不同进速系数选择相应的入流速度；压力出口边界面位于计算域的外围端面，与速度入口设置相同速度；固体壁面边界为类圆柱壳体的表面，设置为无滑移的壁面边界；旋转壁面为对转桨的表面，设置为旋转壁面边界。环境压力为101325pa，通过改变入流速度改变进速系数，进速系数j分别为0.7，08，0.9，1.0和1.1，旋转速度n为12r/s，选择不同的入流速度进行敞水性能验证，表1为不同进速系数时的推力系数k
t
和力矩系数kq。
52.表1 crp4敞水性能对比验证
[0053][0054]
依据步骤7到步骤9，对转速n为12r/s非稳态计算的迭代步长为0.0008333333s，每个迭代旋转角度为3.6度，旋转一个周期需要100步，取100个迭代步，总时间为0.08333333s，最大分析频率为600hz，进速系数分别为0.7，08，0.9，1.0和1.1。图3为不同进速系数下对转桨正下方2.5m处的声压频率响应图。从图中可以看出，在转速为12r/s的情况下，其类圆柱壳体辐射噪声在108hz存在线谱，108hz对应的是螺旋桨转速的(4 5)倍，即前后桨的叶片数总和的倍数。
[0055]
对于入流速度为19m/s，转速n为30r/s的工况，非稳态迭代计算的迭代步长为0.00005555556s，一个计算周期需要600步，最大分析频率为9000hz，图4为此工况下的类圆柱壳体辐射噪声的声压频率响应图，水听器的位置为对转桨正下方2.5m处。从图中可以看出，类圆柱壳体辐射噪声在270hz和870hz处存在线谱，270hz对应为转速的(4 5)倍，即前后桨叶片数的和的倍数，870hz对应为转速的(4
×
6 5)或(5
×
5 4)的倍数，即前桨叶片数的6倍和后桨的叶片数的总和，或者前桨叶片数和后桨叶片数的5倍的总和的倍数。从图中还可以看出在6000hz附近存在明显的唱音，此唱音的频率位置与对应螺旋桨半径激发频率相对应，是由螺旋桨叶片振动引起。通过对转桨驱动下类圆柱壳体辐射噪声的分析，分析结果表明类圆柱壳体壳体辐射噪声包含螺旋桨的特征信息。
[0056]
通过对对转桨类圆柱壳体辐射噪声的线谱特性分析，分析结果表明线谱频率与螺旋桨转速、叶片数的数学关系，对转桨前后两桨的叶片数分别为b1和b2，螺旋桨转速为n，则线谱频率为(b1×
n1 b2×
n2)
×
n。
[0057]
实施例2：
[0058]
t桨和类圆柱壳体的几何参数如下：四叶大侧斜桨，直径d为0.2482m，类圆柱壳体的圆柱壳体部分的半径dr为0.533m，圆柱壳体部分的长度为4.867883m，总长度为5.958533m，其前端圆台部分的长度为0.2132m。
[0059]
在步骤1中，计算域的外半径为1.471dr，内半径0.75dr，类圆柱壳体壳体的上游距离为0.7d，下游距离为3.75d，对转桨区域为旋转区域，其余的为静止域，旋转区域的网格划分为非结构网格，静止区域的网格划分为结构网格。
[0060]
依据步骤2到步骤9步，计算域的边界条件由速度进口，外围速度进口，压力出口，固体壁面和旋转壁面组成。速度入口边界面位于计算域的左端面，根据不同进速系数选择相应的入流速度；压力出口边界面位于计算域的外围端面，与速度入口设置相同速度；固体壁面边界为类圆柱壳体的表面，设置为无滑移的壁面边界；旋转壁面为对转桨的表面，设置为旋转壁面边界。
[0061]
依据步骤7到步骤9，计算域的边界和对转桨的情况一致，环境压力为113kpa，旋转速度n为30r/s，首先进行稳态计算，然后进行非稳态计算，非稳态的计算迭代步长为0.000462963s，取288个迭代步，总时间为0.1333s。图5为类圆柱壳体的声压频率响应图，从图中可以看出，对于单桨的类圆柱壳体，其辐射噪声中含有螺旋桨轴频和轴频谐波的信息。通过上述分析表明，单桨驱动下的类圆柱壳体辐射噪声包含螺旋桨的特征信息。
[0062]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。