[发明专利]一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法

摘要

本发明公开了一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，步骤包括，首先，划分CFD计算网格，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型的准确性；接下来，进行CFD非稳态计算，记录螺旋桨片空化周期形态以及片空化面积变化；然后，通过CFD流场数据，进行声学边界元数值计算，计算螺旋桨负载噪声；最后，通过螺旋桨片空化单极子辐射噪声以及负载噪声计算螺旋桨噪声。

主权项

一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，其特征在于，步骤包括：首先，划分CFD计算网格，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型的准确性；CFD是Computational Fluid Dynamics的简称，即计算流体动力学；接下来，进行CFD非稳态计算，记录螺旋桨片空化周期形态以及片空化面积变化；然后，通过CFD流场数据，进行声学边界元数值计算，计算螺旋桨负载噪声；最后，通过螺旋桨片空化单极子辐射噪声以及负载噪声计算螺旋桨噪声；划分CFD计算网格，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型的准确性具体包括以下步骤：第一步，对螺旋桨计算域进行网格划分：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，假定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；第二步，采用一阶差分插值计算非均匀入流速度面的速度值：实测非均匀入流速度面的三向速度值，测试点的位置分布在r/R＝0.2,0.4,0.6,0.8,1.0…0.2M_test，其中R为螺旋桨半径，r为测试点的半径，M_test为测试半径的个数；入流速度面1的面网格划分采用结构网格划分，径向的节点数为M，M_test＜M，在径向方向进行一阶插值计算，径向插值的点数为M_r；第三步，导入计算网格并进行网格相关操作：将网格文件读入到CFD软件中进行网格检查，确保最小网格体积大于零，否则重新划分网格；进行计算域尺寸的调整，调整网格的尺寸比例，使最后尺寸符合实际模型的大小；将网格进行交换和光滑处理，依次从交换系数从小都大进行光滑和交换操作，知道每个交换系数的交换网格数目为零；读入非均匀入流速度面的文本文件；第四步，计算模型设置：在CFD软件中进行计算模型设置，定义求解器，按照默认的设置；选择K‑epsilon模型，在K‑epsilon模型下保存默认选项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Operating Pressure中根据实际值写入环境压力；将螺旋桨的旋转速度的单位选为rpm；设置边界条件，包括选择流体动域的坐标系，稳态计算中选取MRF，非稳态计算中选取Moving Mesh，定义动域旋转轴为x轴，根据实际值设定选准速度，速度方向遵循右手定则，默认流体静止域为静止坐标系，非均匀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v_x，v_y，v_z，静止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；定义交界面；第五步，设置求解参数、初始化以及收敛条件：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1的速度作为初始值；设置各参数的残差；第六步，在CFD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淌水水动力参数值，即推力系数和力矩系数，并与实际值进行对比验证，通过后处理对比入流口速度与实际速度值，验证模型设置的准确性：推力系数和力矩系数的计算公式：其中式(1)中T_x，T_y，T_z，Q_x，Q_y，Q_z从后处理Report Forces中读取，Q_x，Q_y，Q_z的力矩参考点为原点，ρ＝1000kg/m³，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径；通过Display Contours显示入流口轴向、切向和径向速度的等值面图，与实际速度进行对比，验证模型的准确性；进行CFD非稳态计算，记录螺旋桨片空化周期形态以及片空化面积变化具体包括以下步骤：第七步，进行非稳态迭代计算：将计算模型更改为非稳态计算，选择多相流模型为混合二相模型，设置空化类型为Singhal空化模型，并设置相应的参数，参数包括饱和压力、单位体积的气泡数目，设置混合相的第一相为water‑liquid，第二相位water‑vapor；将第六步中的稳态迭代结果作为初始条件，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；第八步，在CFD软件中进行后处理，显示螺旋桨片空化的周期形态以及记录螺旋桨空化面积变化：在动域螺旋桨叶片上设置汽化体积分数为a的等值线图，通过Display Coutour显示螺旋桨吸力面上汽化体积分数α_v＝a的等值线图，对比相同条件下的实际片空化图，验证空化模型的准确性；记录螺旋桨每个迭代步的空化面积其中N为总迭代步数；通过CFD流场数据，进行声学边界元数值计算，计算螺旋桨负载噪声具体包括以下步骤：第九步，将CFD计算的每个时间步的流场数据导入到声学数值仿真软件中，并将时域流场数据进行数据转换：在CFD软件中导出声源数据文件，其中声源是螺旋桨壁面包括螺旋桨桨叶面和桨毂面，这里声学仿真软件采用的Virtual Lab.，则声源数据文件为CGNS格式，将CGNS格式文件导入到声学仿真软件中，将CFD计算得到的文件由单元中心转换到单元节点上，保存为CFDData文件；第十步，划分声学网格和场点网格，进行声学边界元法的相关设置：将螺旋桨桨毂面进行封闭，按照每个波长至少6个单元的原则划分声学网格，建立以螺旋桨中心为中心，半径为5D的球形场点网格，以及生成p₁(0，0.5m，0)，p₂(0，1.0m，0)，p₃(0，1.5m，0)和p₄(0，2.0m，0)四个场点；导入CFDData文件，将CFD节点流场数据进行快速傅里叶变换转移到声学网格上；设置声学边界条件，选取偶极子声压作为速度边界条件，采用不可压流动计算；通过螺旋桨片空化单极子辐射噪声以及负载噪声计算螺旋桨噪声具体包括以下步骤：第十一步，进行声学响应计算声压频率响应函数计算，导出场点p₁，p₂，p₃，p₄的声压响应曲线，设置参考声压为1upa计算声压级频率响应，即螺旋桨负载噪声的声压级计算；第十二步，计算螺旋桨噪声：如果螺旋桨不产生空化，则在CFD仿真计算中省去第七步和第八步，则第十一步的计算结果即为螺旋桨噪声；如果螺旋桨产生空化，采用下面的公式进行计算，根据式(2)计算螺旋桨空化面积的一阶差分，其中i＝1,2,…N‑1，根据式(3)计算空化面积的二阶差分，其中j＝1,2,…N‑2，根据式(4)计算等效空化长度，其中k＝1,2,…N‑2，然后根据公式(5)计算螺旋桨空化单极子辐射噪声声压，根据公式(6)进行离散傅里叶变换，在式(6)中，l＝0,1,…N/2+1，| |表示绝对值运算，j表示虚数单位，即第十一步中计算得到的负载噪声声压级为p_loading(l)，其中l＝0,1,…N/2+1，则螺旋桨噪声按照式(7)计算，p(l)＝P(l)+p_loading(l)  式(7)其中l＝0,1,…N/2+1。