[发明专利]一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法

说明书

本发明的目的在于提供一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，包括如下步骤：提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，进行非光滑沟槽结构参数设计；采用数值模拟的方法，进行沟槽减阻流动仿真计算；以平均降阻率为优化目标，获得适合各种工况条件下的具有最优减粘降阻功能的仿生非光滑表面的设计参数；对叶片进行仿生非光滑沟槽结构参数设计；建立流固耦合数学模型，设定叶片材料和来流流速，对泵喷进行数值模拟，确定能使振动噪声达到最小值的叶片材料。本发明采用了能充分利用流体运动作用力的柔性材料制作泵喷叶片，可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能，不仅具有较高的获能效率，同时可以改善振动噪声。

技术领域

本发明涉及的是一种仿生系统设计方法，具体地说是仿生泵喷系统设计方法。

背景技术

水下航行器常用螺旋桨、导管螺旋桨、对转螺旋桨和泵喷推进器等作为主推进器。就结构型式而言，传统的螺旋桨和导管螺旋桨已出现水动力和噪声性能瓶颈，很难同时满足高航速、重载、无空化和低噪等多方面要求。对转螺旋桨能较好地满足相关性能要求，但轴系复杂，密封要求高，仅在鱼雷推进中有较多应用。相较而言，泵喷推进器有潜在的性能提升空间，但其复杂的结构，导致设计和性能评估难度更大，流动特性和噪声机制更加复杂，艇体匹配要求更高，对潜艇操纵性的影响也很大。

泵喷推进器是一种组合式推进器，由导管及导管内的静止叶栅和旋转叶栅集成设计而成，结构紧凑，内外流场复杂，和带定子的导管螺旋桨有显著区别，任一部件的缺失都会显著影响泵喷流场，进而影响水动力和声学特性，泵喷推进器的设计、流动特性以及和航行体的匹配更为复杂。如何充分利用大型航行体尾段线型和迟滞尾流，削弱伴流影响，改善转子进流，来降低泵喷推进器的非定常力，改善辐射噪声，是在大型航行器用泵喷的研究和应用中需要重点考虑的。

作为一种目前处于研究热点的水下推进器,要瞄准低噪和高效，继续为航行器总体要求服务，不断提高航行器的机动性和隐蔽性。目前，泵喷的研究已迈向综合流体力学、声学、材料和仿生学等多个学科的阶段。如何实现各学科之间的平衡问题，打破传统设计理念和设计方法的束缚，一直是泵喷优化设计的热点和难点。如何使叶片更好的适应水流,实现攻角的自适应，并充分利用仿生技术，进一步改善流场分布，提升效率,降低泵喷的非定常力,改善振动辐射噪声,是设计一种新型高效低噪声仿生泵喷的重要前提。

发明内容

本发明的目的在于提供能进一步实现降噪减阻的目的，提高水下航行的隐蔽性以及船员舒适性的一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，其特征是：

(1)基于相似性原理，提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，并根据其体表结构的单元体和排布方式的不同，进行非光滑沟槽结构参数设计；

(2)以平板为研究对象，采用数值模拟的方法，进行沟槽减阻流动仿真计算，并与已有实验结果对比验证算法的准确性；

(3)针对不同工况，以平均降阻率为优化目标，采用遗传算法，获得适合各种工况条件下的具有最优减粘降阻功能的仿生非光滑表面的设计参数；

(4)应用设计的非光滑沟槽结构，基于仿生设计准则，在充分考虑内部流动状态的条件下，对叶片进行仿生非光滑沟槽结构参数设计；

(5)以柔性仿生叶片为研究对象，建立流固耦合数学模型，设定叶片材料和来流流速，对泵喷进行数值模拟，确定能使振动噪声达到最小值的叶片材料。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)中，仿生非光滑表面由生物体的体表结构进行提取而来，鲨鱼皮肤表面呈现鳞片状或半圆形的非光滑沟槽结构，根据鲨鱼体表部位的单元体和排布方式的不同，建立两种形式的沟槽：Space-V与Space-U，取沟槽宽度s、沟槽深度h、沟槽间距b为设计参数，非光滑沟槽单元结构按照设定距离排布。