一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，步驟包括，首先，劃分CFD計算網(wǎng)格，進行穩(wěn)態(tài)迭代計算淌水性能參數(shù)和入流口速度驗證模型的準確性；接下來，進行CFD非穩(wěn)態(tài)計算，記錄螺旋槳片空化周期形態(tài)以及片空化面積變化；然后，通過CFD流場數(shù)據(jù)，進行聲學邊界元數(shù)值計算，計算螺旋槳負載噪聲；最后，通過螺旋槳片空化單極子輻射噪聲以及負載噪聲計算螺旋槳噪聲。
【專利說明】一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，屬于螺旋槳輻射噪聲數(shù)值預報【技術領域】。
【背景技術】
[0002]螺旋槳噪聲包括空化噪聲和非空化噪聲，非空化狀態(tài)時即螺旋負載噪聲，空化狀態(tài)時包括空化噪聲和負載噪聲兩部分，其中螺旋槳空化的黏性數(shù)值模擬受多相流模型、湍流模型、空化模型和相變臨界壓力的影響，國內(nèi)外對片空化進行成功模擬的很少，也沒有較優(yōu)的空化模型和湍流模型，成功模擬片空化的都是針對均勻入流；螺旋槳空化輻射噪聲的研究僅限于采用面元法和單個脈沖球形空泡輻射噪聲理論想結(jié)合，或者采用FW-H方程，將空化的脈動體積轉(zhuǎn)化為噪聲，這些方法都沒有很好地跟實際數(shù)據(jù)對比驗證，因此非均勻入流中螺旋槳空化單極子輻射噪聲是一個研究難題，目前成功模擬螺旋槳噪聲僅限于探討性研究，沒有與實際數(shù)據(jù)對比驗證，因此準確數(shù)值預報螺旋槳輻射噪聲也是一個研究難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，該方法通過CFD數(shù)值模擬仿真非均勻入流中螺旋槳片空化的周期形態(tài)和空化面積變化，通過將螺旋槳的片空化輻射噪聲等效為一個大的球形空化輻射，將螺旋槳的片空化面積等效為空化長度，通過空化長度依據(jù)單空泡空化輻射噪聲原理求解螺旋槳片空化單極子輻射噪聲，并通過聲學數(shù)值仿真螺旋槳負載噪聲，最后得到螺旋槳噪聲。
[0004]技術方案:一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，包括以下步驟:第一步:劃分網(wǎng)格螺旋槳計算域網(wǎng)格、檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量并定義邊界條件；第二步:用一階差分插值計算入流速度；第三步:在CFD軟件中導入計算網(wǎng)格并進行相關網(wǎng)格操作；第四步:在CFD軟件中選擇計算模型(定義求解器、選擇湍流方程及設置對應參數(shù)、選擇多相流模型及設置對應參數(shù)、設置操作環(huán)境、設定邊界條件);第五步:在CFD軟件中設置求解參數(shù)、進行初始化設置以及收斂設置；第六步:在CFD軟件中通過設置不同的操作環(huán)境進行穩(wěn)態(tài)計算計算螺旋槳的淌水水動力參數(shù)值，并與實際值進行對比驗證，通過后處理對比入流口速度與實際速度值，驗證模型設置的準確性；第七步:將穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計算的初始值，在CFD軟件中進行非穩(wěn)態(tài)迭代計算；第八步:在CFD軟件中進行后處理，顯示螺旋槳片空化的周期形態(tài)以及記錄螺旋槳空化面積變化；第九步:將CFD計算的每個時間步的流場數(shù)據(jù)導入到聲學數(shù)值仿真軟件中，進行流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；第十步:劃分聲學網(wǎng)格和場點網(wǎng)格，進行聲學邊界元法的相關設置；第十一步:進行聲學邊界元數(shù)值計算，導出場點聲壓頻率響應計算螺旋槳負載噪聲；第十二步:計算螺旋槳噪聲，并驗證準確性。該數(shù)值預報方法通過數(shù)值預報螺旋槳片空化的面積，根據(jù)球形空泡輻射噪聲理論，將螺旋槳空化輻射噪聲看成是單個大空泡輻射噪聲，從而計算螺旋槳片空化單極子輻射噪聲，并通過CFD流場數(shù)據(jù)數(shù)值計算螺旋槳負載噪聲，最后通過螺旋槳空化單極子輻射噪聲和負載噪聲計算螺旋槳噪聲。[0005]本發(fā)明的原理是利用單空泡空化輻射噪聲原理求取螺旋槳片空化單極子輻射噪聲，通過聲學數(shù)值仿真螺旋槳負載噪聲，最后得到螺旋槳噪聲。
[0006]本發(fā)明方法的具體實現(xiàn)方式如下:
[0007]第一步，對螺旋槳計算域進行網(wǎng)格劃分:
[0008]設定坐標原點在螺旋槳中心點處，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸為X軸，螺旋槳的直徑為D，假定X正方向為下游，X負方向為上游；建立計算動域和計算靜止域。進行網(wǎng)格劃分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量；定義流體計算域和邊界條件；
[0009] 第二步，采用一階差分插值計算非均勻入流速度面的速度值:
[0010]實測入非均勻入流速度面的三向速度值(軸向、徑向和切向三個方向)，測試點的位置分布在r/R = 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0…0.2Mtest，其中R為螺旋槳半徑，r為測試點的半徑，Mtest為測試半徑的個數(shù)；
[0011]入流速度面的面網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，徑向的節(jié)點數(shù)為M，一般情況下，Mtest < M，在徑向方向進行一階插值計算，徑向插值的點數(shù)為Mr ；
[0012]第三步，導入計算網(wǎng)格并進行網(wǎng)格相關操作:
[0013]將網(wǎng)格文件讀入到CFD軟件中(Fluent)進行網(wǎng)格檢查，確保最小網(wǎng)格體積大于零，否則重新劃分網(wǎng)格；進行計算域尺寸的調(diào)整，調(diào)整網(wǎng)格的尺寸比例，使最后尺寸符合實際模型的大?。粚⒕W(wǎng)格進行交換和光滑處理，依次按交換系數(shù)從小到大進行光滑和交換操作，直到每個交換系數(shù)的交換網(wǎng)格數(shù)目為零；讀入非均勻入流速度文本文件；
[0014]第四步，計算模型設置:
[0015]在CFD軟件中進行計算模型設置，定義求解器，按照默認的設置；選擇K-epsilon模型，在K-epsilon模型下保存默認選項Stadard,在Near-Wall Treatment選項下選擇標準壁面函數(shù)；流體介質(zhì)的選取，選取water-liquid和water-vapor,根據(jù)實際值設置流體介質(zhì)的密度和粘性系數(shù)；設置操作環(huán)境，在Operating Pressure中根據(jù)實際值寫入環(huán)境壓力；將螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度的單位選為rpm ;設置邊界條件，包括選擇流體動域的坐標系，穩(wěn)態(tài)計算中選取MRF,非穩(wěn)態(tài)計算中選取Moving Mesh,定義動域旋轉(zhuǎn)軸為x軸,根據(jù)實際值設定選準速度，速度方向遵循右手定則，默認流體靜止域為靜止坐標系，非均勻入流速度面中速度采用笛卡爾坐標系，分別選擇profile讀入文本文件中的vx, vy, vz,靜止域外圍入流速度面中速度采用笛卡爾坐標系，X方向的速度值根據(jù)實際的入流速度進行設定，壓力出口選擇靜壓力為零，定義螺旋槳的槳葉和槳轂壁面速度無滑移，粗糙系數(shù)為O。定義交界面；
[0016]第五步，設置求解參數(shù)、初始化以及收斂條件:
[0017]設置松弛因子，其中vapor, Turbulent Kinetic Energy, Specif iec DissipationRate, Turbulent Viscosity的松弛因子為λ，其它保持不變，定義差分方程形式，其中Pressure為Standard,其它的均為First Order Upwind形式；將入流口速度面I的速度作為初始值；設置各參數(shù)的殘差；
[0018]第六步，在CFD軟件中通過設置不同的操作環(huán)境進行穩(wěn)態(tài)計算計算螺旋槳的淌水水動力參數(shù)值(推力系數(shù)和力矩系數(shù))，并與實際值進行對比驗證，通過后處理對比入流口速度與實際速度值，驗證模型設置的準確性:
[0019]推力系數(shù)和力矩系數(shù)的計算公式:
【權(quán)利要求】
1.一種非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，其特征在于，步驟包括: 首先，劃分CFD計算網(wǎng)格，進行穩(wěn)態(tài)迭代計算淌水性能參數(shù)和入流口速度驗證模型的準確性； 接下來，進行CFD非穩(wěn)態(tài)計算，記錄螺旋槳片空化周期形態(tài)以及片空化面積變化； 然后，通過CFD流場數(shù)據(jù)，進行聲學邊界元數(shù)值計算，計算螺旋槳負載噪聲； 最后，通過螺旋槳片空化單極子輻射噪聲以及負載噪聲計算螺旋槳噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，其特征在于，劃分CFD計算網(wǎng)格，進行穩(wěn)態(tài)迭代計算淌水性能參數(shù)和入流口速度驗證模型的準確性；具體包括以下步驟: 第一步，對螺旋槳計算域進行網(wǎng)格劃分: 設定坐標原點在螺旋槳中心點處，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸為X軸，螺旋槳的直徑為D，假定X正方向為下游，X負方向為上游；建立計算動域和計算靜止域；進行網(wǎng)格劃分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量；定義流體計算域和邊界條件； 第二步，采用一階差分插值計算非均勻入流速度面的速度值: 實測非均勻入流速度面的三向速度值，測試點的位置分布在r/R =.0.2，0.4，0.6，0.8，1.0…0.2Mtest，其中R為螺旋槳半徑，r為測試點的半徑，Mtest為測試半徑的個數(shù)； 入流速度面I的面網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，徑向的節(jié)點數(shù)為M，一般情況下，Mtest< M，在徑向方向進行一階插值計算，徑向插值的點數(shù)為Mr ； 第三步，導入計算網(wǎng)格并進行網(wǎng)格相關操作: 將網(wǎng)格文件讀入到CFD軟件中進行網(wǎng)格檢查，確保最小網(wǎng)格體積大于零，否則重新劃分網(wǎng)格；進行計算域尺寸的調(diào)整，調(diào)整網(wǎng)格的尺寸比例，使最后尺寸符合實際模型的大??；將網(wǎng)格進行交換和光滑處理，依次從交換系數(shù)從小都大進行光滑和交換操作，知道每個交換系數(shù)的交換網(wǎng)格數(shù)目為零；讀入非均勻入流速度面的文本文件； 第四步，計算模型設置: 在CFD軟件中進行計算模型設置，定義求解器，按照默認的設置；選擇K-epsilon模型，在K-epsilon模型下保存默認選項Stadard,在Near-Wall Treatment選項下選擇標準壁面函數(shù)；流體介質(zhì)的選取，選取water-liquid和water-vapor,根據(jù)實際值設置流體介質(zhì)的密度和粘性系數(shù)；設置操作環(huán)境，在Operating Pressure中根據(jù)實際值寫入環(huán)境壓力；將螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度的單位選為rpm ;設置邊界條件，包括選擇流體動域的坐標系(穩(wěn)態(tài)計算中選取MRF,非穩(wěn)態(tài)計算中選取Moving Mesh),定義動域旋轉(zhuǎn)軸為x軸,根據(jù)實際值設定選準速度，速度方向遵循右手定則，默認流體靜止域為靜止坐標系，非均勻入流速度面中速度采用笛卡爾坐標系，分別選擇profile讀入文本文件中的vx，vy，Vz，靜止域外圍入流速度面中速度采用笛卡爾坐標系，X方向的速度值根據(jù)實際的入流速度進行設定，壓力出口選擇靜壓力為零，定義螺旋槳的槳葉和槳轂壁面速度無滑移，粗糙系數(shù)為O ;定義交界面； 第五步，設置求解參數(shù)、初始化以及收斂條件: 設置松弛因子，其中 vapor, Turbulent Kinetic Energy, Specifiec DissipationRate, Turbulent Viscosity的松弛因子為λ，其它保持不變，定義差分方程形式，其中Pressure為Standard,其它的均為First Order Upwind形式；將入流口速度面I的速度作為初始值；設置各參數(shù)的殘差； 第六步，在CFD軟件中通過設置不同的操作環(huán)境進行穩(wěn)態(tài)計算計算螺旋槳的淌水水動力參數(shù)值，即推力系數(shù)和力矩系數(shù)，并與實際值進行對比驗證，通過后處理對比入流口速度與實際速度值，驗證模型設置的準確性: 推力系數(shù)和力矩系數(shù)的計算公式:
3.如權(quán)利要求2所述的非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，其特征在于，進行CFD非穩(wěn)態(tài)計算，記錄螺旋槳片空化周期形態(tài)以及片空化面積變化；具體包括以下步驟: 第七步，進行非穩(wěn)態(tài)迭代計算: 將計算模型更改為非穩(wěn)態(tài)計算，選擇多相流模型為混合二相模型，設置空化類型為Singhal空化模型，并設置相應的參數(shù)，如飽和壓力，單位體積的氣泡數(shù)目等，設置混合相的第一相為water-liquid,第二相位water-vapor ;將第六步中的穩(wěn)態(tài)迭代結(jié)果作為初始條件，進行非穩(wěn)態(tài)迭代計算，迭代時間步長為At，每個迭代步的迭代次數(shù)為m ； 第八步，在CR)軟件中進行后處理，顯示螺旋槳片空化的周期形態(tài)以及記錄螺旋槳空化面積變化:在動域螺旋槳葉片上設置汽化體積分數(shù)為a的等值線圖，通過Display Coutour顯示螺旋槳吸力面上汽化體積分數(shù)a v = a的等值線圖，對比相同條件下的實際片空化圖，驗證空化模型的準確性；記錄螺旋槳每個迭代步的空化面積--必其中N為總迭代步數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，其特征在于，通過CFD流場數(shù)據(jù)，進行聲學邊界元數(shù)值計算，計算螺旋槳負載噪聲；具體包括以下步驟: 第九步，將CFD計算的每個時間步的流場數(shù)據(jù)導入到聲學數(shù)值仿真軟件中，并將時域流場數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換: 在CFD軟件中導出聲源數(shù)據(jù)文件，其中聲源是螺旋槳壁面包括螺旋槳槳葉面和槳轂面，這里聲學仿真軟件采用的Virtual Lab.，則聲源數(shù)據(jù)文件為CGNS格式，將CGNS格式文件導入到聲學仿真軟件中，將CFD計算得到的文件由單元中心轉(zhuǎn)換到單元節(jié)點上，保存為CFDData 文件； 第十步，劃分聲學網(wǎng)格和場點網(wǎng)格，進行聲學邊界元法的相關設置:將螺旋槳槳轂面進行封閉，按照每個波長至少6個單元的原則劃分聲學網(wǎng)格，建立以螺旋槳中心為中心，半徑為5D的球形場點網(wǎng)格，以及生成P1 (0,0.5m,O), p2 (O, 1.0m,O),P3 (O，1.5m，O)和 P4 (0，2.0m，0)四個場點; 導入CFDData文件，將CFD節(jié)點流場數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)移到聲學網(wǎng)格上；設置聲學邊界條件，選取偶極子聲壓作為速度邊界條件，采用不可壓流動計算。
5.如權(quán)利要求4所述的非均勻入流中螺旋槳噪聲數(shù)值預報方法，其特征在于，通過螺旋槳片空化單極子輻射噪聲以及負載噪聲計算螺旋槳噪聲；具體包括以下步驟: 第H^一步，進行聲學響應計算聲壓頻率響應函數(shù)計算，導出場點P1, P2 r P3^ Pi的聲壓響應曲線，設置參考聲壓為Iupa計算聲壓級頻率響應，即螺旋槳負載噪聲的聲壓級計算；第十二步，計算螺旋槳噪聲:如果螺旋槳不產(chǎn)生空化，則在CFD仿真計算中省去第七步和第八步，則第十一步的計算結(jié)果即為螺旋槳噪聲；如果螺旋槳產(chǎn)生空化，采用下面的公式進行計算， 根據(jù)式(2)計算螺旋槳空化面積的一階差分，
【文檔編號】G06F17/50GK103530482SQ201310537589
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】方世良, 曹紅麗 申請人:東南大學