基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，屬于水聲目標(biāo)特征提取領(lǐng)域。基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特估計(jì)取方法，包括以下步驟：(1)備用網(wǎng)格生成并導(dǎo)入計(jì)算程序后生成算例文件，(2)空化模型和湍流模型設(shè)定，(3)數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定，(4)數(shù)值計(jì)算，(5)數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證及網(wǎng)格確定，(6)空化尾流壓力脈動(dòng)非定常數(shù)值計(jì)算，(7)壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜變換及低頻線譜幅值提取，(8)線譜特征估計(jì)及分析。本發(fā)明將現(xiàn)代流體力學(xué)、空泡動(dòng)力學(xué)和信號(hào)處理領(lǐng)域中相關(guān)研究成果引入水下目標(biāo)的噪聲特征分析，體現(xiàn)多學(xué)科和多領(lǐng)域的交叉性。
【專利說(shuō)明】基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水聲目標(biāo)特征提取領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì) 算的空化噪聲特征估計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 螺旋槳噪聲是船舶三大噪聲源之一，包含了目標(biāo)推進(jìn)器種類信息和結(jié)構(gòu)特征，這 些特征寬容性強(qiáng)，具有較好的可分性，是識(shí)別水下目標(biāo)的主要特征和重要依據(jù)。而空化一旦 出現(xiàn)，空化噪聲就成為螺旋槳主要噪聲。這些目標(biāo)源噪聲由于被海洋環(huán)境噪聲干擾和在復(fù) 雜的水聲信道傳播中而產(chǎn)生畸變，使得被動(dòng)聲納所接收到的噪聲信號(hào)特征不明顯，信噪比 降低。因此傳統(tǒng)的以信號(hào)處理方法提取噪聲特征，進(jìn)行水下目標(biāo)識(shí)別越來(lái)越困難。進(jìn)一步 挖掘螺旋槳噪聲本質(zhì)特征是水下目標(biāo)識(shí)別急待解決的問(wèn)題。
[0003] 對(duì)于采用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)實(shí)測(cè)的螺旋槳噪聲進(jìn)行特征提取方面的研究，國(guó)外的學(xué) 者很早就已經(jīng)開(kāi)始了。早在1971年Whalen就已經(jīng)提出了最大似然調(diào)制接收機(jī)。隨著這一 技術(shù)的發(fā)展，高階譜、AR譜、雙重譜和小波分析等時(shí)頻處理方法，以及分形、混沌、極限環(huán)和 模態(tài)分解等非線性處理方法，都在螺旋槳噪聲特征提取中廣為嘗試。近年來(lái)，李啟虎等學(xué)者 采用理論分析和數(shù)值仿真研究了強(qiáng)干擾背景噪聲下單頻信號(hào)分量檢測(cè)方法和檢測(cè)系統(tǒng)性 能。南京大學(xué)鮑菲等將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头纸夥ǎ╡mpirical mode decomposition)和奇異值分解 法（singular value decomposition)相結(jié)合，從強(qiáng)干擾背景噪聲中提取螺旋槳的空化噪聲 調(diào)制成分?，F(xiàn)代信號(hào)處理方法對(duì)背景噪聲下的實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)特征進(jìn)行提取，取得了不錯(cuò)的 效果。但是對(duì)強(qiáng)干擾背景噪聲，由于實(shí)測(cè)信號(hào)中缺乏機(jī)理特征，這一方法適應(yīng)能力較不高。
[0004] 由此，一些學(xué)者開(kāi)展了基于模型的噪聲特征分析及方法研究。陶篤純將噪聲調(diào)制 包絡(luò)作為有相同形狀、相等重復(fù)周期、隨機(jī)幅度，具有成組結(jié)構(gòu)的脈沖性隨機(jī)過(guò)程處理。并 從艦船輻射噪聲調(diào)制包絡(luò)的功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)中提取與艦船各種物理屬性有關(guān)的 豐富的節(jié)奏信息。蔣國(guó)健和林建恒等人利用指數(shù)衰減形隨機(jī)脈沖序列的理論模型來(lái)分析 艦船螺旋槳空泡噪聲，得到螺旋槳空化噪聲譜。近年來(lái)，史廣智等學(xué)者針對(duì)螺旋槳葉片數(shù)識(shí) 別問(wèn)題，建立空化噪聲信號(hào)模型。并對(duì)雙螺旋槳艦船噪聲包絡(luò)建模，研究雙槳目標(biāo)調(diào)制譜諧 波族特征的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，進(jìn)一步采用模型特征提取技術(shù)，研究基于模型匹配的噪聲特征精細(xì) 分析方法。除了葉頻特征，這些模型沒(méi)有考慮螺旋槳幾何形狀和工況等參數(shù)，很難體現(xiàn)空化 噪聲的機(jī)理特征。
[0005] 螺旋槳空化是空化噪聲的直接聲源，并且螺旋槳空化尾流是空化噪聲重要的傳播 途徑。由于尾流受到螺旋槳周期性轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)拍的作用，具有周期性脈動(dòng)特征。這些特征反映 了螺旋槳工況和幾何形狀等特征信息。同時(shí)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)節(jié)拍對(duì)其輻射的空化噪聲有明顯 的振幅調(diào)制作用，其功率譜的線譜特征也反映包括螺旋槳工況和幾何形狀等特征信息在內(nèi) 的螺旋槳節(jié)奏信息。因此，由于同樣受到螺旋槳槳葉的節(jié)拍作用，螺旋槳空化尾流與空化噪 聲具有特征相關(guān)性，其特征都反映了螺旋槳工況參數(shù)和幾何形狀參數(shù)。由于目前螺旋槳空 化噪聲的聲學(xué)機(jī)理研究還很不完善，因此本發(fā)明從空化噪聲的本源即空化尾流入手來(lái)闡述 其噪聲特征的一種預(yù)報(bào)方法。
[0006] 對(duì)于螺旋槳空化尾流國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。意大利船模水池實(shí)驗(yàn)室的 Francesc等利用RANS、LES和BEM方法分別對(duì)空化和非空化條件下E779A螺旋槳尾流場(chǎng) 進(jìn)行數(shù)值模擬。瑞典Rickard和Goran基于混合兩相流模型，利用隱式LES方法和Kunz 空化模型模擬了 E779A螺旋槳在非均勻流場(chǎng)中空化的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)中小尺度的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和 螺旋槳梢渦空化的模擬較為成功。清華大學(xué)季斌等學(xué)者利用Rayleigh - Plessete方程和 k-ω Shear Stress Transport (SST)湍流模型對(duì)高側(cè)斜螺旋槳均勻和非均勻入流的空化尾 流進(jìn)行了數(shù)值模擬。片空化和梢渦空化被較好地預(yù)報(bào)，同時(shí)空化誘導(dǎo)的尾流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特 征與螺旋槳軸頻葉頻特征一致。海軍工程大學(xué)楊瓊方對(duì)空化模型和湍流模型在螺旋槳空化 模擬進(jìn)行評(píng)估分析，選擇改進(jìn)Sauer空化模型和修正SST k-ω湍流模型，較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)螺 旋槳空化斗圖譜。對(duì)與七葉大側(cè)斜槳的非均勻進(jìn)流，分析了其空化引起的推力和力矩崩潰 性能以及對(duì)葉背梢渦空化初生的影響，描述了空化推力和力矩的脈動(dòng)特征、槳葉空化面積 和空化形態(tài)隨周向位置的變化，并給出了伴流中螺旋槳是否出現(xiàn)葉面片空化的區(qū)間劃分。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)空化尾流的研究主要側(cè)重于某種槳模片空化的數(shù)值預(yù)報(bào)，對(duì)于空化與螺旋 槳工況與幾何形狀之間的特征關(guān)系方面的研究較少，而用空化尾流來(lái)研究空化噪聲特征則 更少。
[0007] 另外，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朲L201310538724. 7,文件也公開(kāi)了一種基于非均勻入流中 螺旋槳空化噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)的特征提取方法，步驟包括：首先，對(duì)螺旋槳計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃 分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量并定義邊界條件；接下來(lái)，在CFD軟件中，設(shè)置計(jì)算模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)迭代計(jì) 算淌水性能參數(shù)和入流口速度驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性；然后，在CFD軟件中，將穩(wěn)態(tài)計(jì)算作為非穩(wěn) 態(tài)計(jì)算的初始值進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算，并通過(guò)后處理顯示螺旋槳片空化周期形態(tài)及記錄片 空化面積變化；最后，根據(jù)單空泡輻射噪聲理論由螺旋槳片空化面積計(jì)算螺旋槳空化輻射 噪聲，進(jìn)行特征提取。該申請(qǐng)文件中所用方法將空化區(qū)域折算成球形體積，并得到球形體積 半徑，再將半徑變化帶入球形單空泡噪聲輻射模型中，來(lái)預(yù)報(bào)空化噪聲及其特征。由于螺旋 槳空化與球形單空泡有很大不同，這種折算方法的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步檢驗(yàn)。本發(fā)明的方 法則是利用螺旋槳空化尾流壓力脈動(dòng)與空化噪聲之間的特征相關(guān)性來(lái)估計(jì)噪聲特征。具體 來(lái)說(shuō)，空化尾流壓力脈動(dòng)信息含有螺旋槳工況和幾何形狀參數(shù)特征，而空化噪聲也具有這 一屬性。因此，它們具有相同的本源關(guān)系，即是螺旋槳的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空化尾流并產(chǎn)生噪聲，同 時(shí)空化噪聲還受到旋轉(zhuǎn)槳葉的調(diào)制作用。空化尾流和噪聲產(chǎn)生的根本原因是螺旋槳在流體 中的轉(zhuǎn)動(dòng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 螺旋槳空化噪聲主要特征有：
[0009] 1.螺旋槳空化是空化噪聲的來(lái)源，螺旋槳空化噪聲總是伴隨著螺旋槳空化的出現(xiàn) 而出現(xiàn)；
[0010] 2.螺旋槳空化尾流不僅是空化噪聲的聲源，還是空化噪聲傳播的重要載體；
[0011] 3.空化噪聲的聲強(qiáng)與空泡體積變化密切相關(guān)，特別是其在潰滅瞬間的體積變化最 大，其輻射噪聲也最強(qiáng)；
[0012] 4.螺旋槳空化體積變化和位置分布隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)而具有周期性特征，使得空化 噪聲也具有周期性特征，并會(huì)反映到其噪聲頻譜分布上；
[0013] 5.空化尾流和空化噪聲同時(shí)會(huì)受到螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)拍的調(diào)制作用；
[0014] 6.上述特征使得螺旋槳空化與其噪聲的特征具有嚴(yán)密的本質(zhì)相關(guān)性；
[0015] 7.片空化噪聲一般分布在低頻段，其頻譜呈現(xiàn)線譜特征，而梢渦空化發(fā)出的噪聲 一般分布在中高頻段，其頻譜呈現(xiàn)連續(xù)特征。
[0016] 本發(fā)明的原理就是依據(jù)上述螺旋槳空化的主要特征，基于黏性多相流理論，利用 現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)水下螺旋槳尾流場(chǎng)構(gòu)建N-S方程，并結(jié)合湍流模型和空化模型對(duì) 方程組進(jìn)行數(shù)值求解，從而得到水下螺旋槳葉面周圍汽相體積分?jǐn)?shù)和尾流場(chǎng)中壓力脈動(dòng)等 相關(guān)信息；再利用功率譜等信號(hào)處理方法對(duì)數(shù)值計(jì)算的流場(chǎng)信息數(shù)據(jù)的低頻特征進(jìn)行提取 和分析；最后利用流場(chǎng)壓力脈動(dòng)與噪聲之間的特征相關(guān)性對(duì)水下目標(biāo)螺旋槳噪聲特征進(jìn)行 估計(jì)和判斷。雖然壓力脈動(dòng)是尾流場(chǎng)中力學(xué)參數(shù)而噪聲聲壓是聲學(xué)參數(shù)，它們的物理概念 不同，但它們?cè)谀承┓矫娴奶卣?，如低頻線譜幅值分布特征，又有一些共同點(diǎn)。這些共同點(diǎn) 實(shí)質(zhì)是反映了螺旋槳幾何和工況參數(shù)特征，這里把它們稱之為特征相關(guān)性。
[0017] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0018] 基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，具體包括以下步驟：
[0019] (1)備用網(wǎng)格生成并導(dǎo)入計(jì)算程序后生成算例文件：
[0020] 利用專業(yè)建模軟件制作螺旋槳三維幾何模型后導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件，在網(wǎng)格劃分軟 件中建立三種備選網(wǎng)格，這三種備選網(wǎng)格的計(jì)算域相同，速度入流邊界距離螺旋槳中心為 1D，D為螺旋槳直徑，下游壓力出口邊界距離為螺旋槳中心至側(cè)面外圍距離為2. 5D，這 三個(gè)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量按照倍數(shù)逐漸增加，對(duì)網(wǎng)格中相鄰邊界的網(wǎng)格單元尺寸在 邊界點(diǎn)合理過(guò)渡，使其網(wǎng)格尺寸差異較小，最終使得網(wǎng)格中所有體網(wǎng)格單元的skew都限定 在0. 9以內(nèi)，以保證后面的數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性；
[0021] (2)空化模型和湍流模型設(shè)定：
[0022] 采用全空化模型和重整化群湍流模型，并對(duì)其重要參數(shù)進(jìn)行修正，對(duì)空化模型 中相變率參數(shù)的修正和湍流模型中湍流黏度系數(shù)的修正采用C語(yǔ)言編寫，再利用宏調(diào)用 (DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY 等）形式嵌入計(jì)算程序；
[0023] (3)數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定：
[0024] 對(duì)工況條件、邊界條件和數(shù)值算法的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；
[0025] (4)數(shù)值計(jì)算：
[0026] 由于空化模型加入RANS方程后，計(jì)算的穩(wěn)定性降低，容易出現(xiàn)奇異現(xiàn)象。因此， 為了能使數(shù)值計(jì)算平穩(wěn)進(jìn)行，采用逐級(jí)分步驟的計(jì)算過(guò)程，具體來(lái)說(shuō)，在螺旋槳工況參數(shù) 中，環(huán)境壓力和入流速度可以直接設(shè)定到工況值，而螺旋槳轉(zhuǎn)速采用分級(jí)增加，直到增加到 預(yù)定工況值；先計(jì)算無(wú)空化模型流場(chǎng)分布，等到計(jì)算穩(wěn)定后再打開(kāi)空化模型；先對(duì)壓力、密 度、動(dòng)量和汽相分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行一階精度離散格式計(jì)算，計(jì)算穩(wěn)定后，再將離散精度提高到 二階或QUCIK等，由于多相流模型、空化模型和滑動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)資源消耗較大，因此 采用并行計(jì)算技術(shù)來(lái)縮短計(jì)算時(shí)間。
[0027] (5)數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證及網(wǎng)格確定：
[0028] 將典型工況下對(duì)螺旋槳槳的水動(dòng)力參數(shù)和空化的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行比較，以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和所采用數(shù)值方法的可靠性；將步驟1中所建三種備選網(wǎng)格 按照步驟2和3方法進(jìn)行設(shè)定并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果中水動(dòng)力參數(shù)和空化進(jìn)行比 較，當(dāng)這些結(jié)果隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而趨于穩(wěn)定并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致時(shí)，則選定滿足條件中 網(wǎng)格單元數(shù)量最少的網(wǎng)格作為下面數(shù)值計(jì)算的選定網(wǎng)格；否則適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量，重復(fù)步 驟1重新開(kāi)始；
[0029] (6)空化尾流壓力脈動(dòng)非定常數(shù)值計(jì)算：
[0030] 采用步驟5中的選定網(wǎng)格，對(duì)螺旋槳的尾流場(chǎng)在所需工況條件下進(jìn)行非定常數(shù)值 計(jì)算，在計(jì)算程序中對(duì)尾流場(chǎng)中某一特定位置（A點(diǎn)）壓力脈動(dòng)檢測(cè)并保存其檢測(cè)數(shù)據(jù)，同 時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化；
[0031] (7)壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜變換及低頻線譜幅值提?。?br> [0032] 采用信號(hào)處理中快速傅立葉變換方法對(duì)流場(chǎng)中壓力脈動(dòng)等物理量和噪聲信號(hào)數(shù) 據(jù)進(jìn)行功率譜變換，并對(duì)低頻線譜幅值進(jìn)行提取，低頻線譜包括軸頻，二倍軸頻，三倍軸頻 和葉頻；再利用尾流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特征與空化噪聲被槳葉調(diào)制特征的相似性，建立從壓力脈 動(dòng)的低頻線譜幅值到噪聲的低頻線譜幅值的特征對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0033] (8)線譜特征估計(jì)及分析：
[0034] 將步驟7中低頻線譜幅值一一對(duì)應(yīng)到噪聲信號(hào)功率譜的低頻線譜幅值，作為對(duì)空 化噪聲信號(hào)低頻線譜幅值分布特征的估計(jì)，具體來(lái)說(shuō)就是利用壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜的軸 頻、二倍軸頻、三倍軸頻和葉頻等低頻分量的幅值來(lái)分別估計(jì)噪聲信號(hào)軸頻、二倍軸頻、三 倍軸頻和葉頻等低頻分量的幅值。
[0035] 更進(jìn)一步地，所述的步驟6中的空化尾流壓力脈動(dòng)非定常計(jì)算包括以下步驟：
[0036] (6-1)導(dǎo)入步驟5中選定的網(wǎng)格生成算例文件；
[0037] (6-2)空化模型和湍流模型設(shè)定；
[0038] (6-3)數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定；
[0039] (6_4)數(shù)值計(jì)算；
[0040] (6-5)壓力脈動(dòng)信號(hào)提?。簩?duì)尾流場(chǎng)中某一特定位置（A點(diǎn)）壓力脈動(dòng)檢測(cè)并保存 其檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0041] 步驟（6-2)的空化模型和湍流模型設(shè)定、步驟（6-3)的數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定和（6-4) 的數(shù)值計(jì)算分別與步驟2的空化模型和湍流模型設(shè)定、步驟3的數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定和步驟 4的數(shù)值計(jì)算相同。
[0042] 更進(jìn)一步地，所述的步驟1中的備選網(wǎng)格采用分區(qū)域混合網(wǎng)格劃分方法：螺旋槳 周圍流場(chǎng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法劃分，網(wǎng)格由槳轂到葉梢逐漸減小，葉梢處面網(wǎng)格為三 角形，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)大小約為0. 001D，槳榖處單元約為0. 02D ;由于空化主要分布在葉面及 梢渦區(qū)域，因此這一區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。為了更好地適應(yīng)壁面函數(shù)，在葉表面建立邊 界層網(wǎng)格；采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分螺旋槳外圍規(guī)則形狀的計(jì)算域；基于上述方法同時(shí)生成網(wǎng)格 單元數(shù)不同三個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格作為備選網(wǎng)格；對(duì)梢渦區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，同時(shí)槳葉表面采用 邊界層網(wǎng)格以提高對(duì)梢渦空化的預(yù)報(bào)精度，梢渦區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸約為0.001D，邊界層網(wǎng) 格共有4層，其相鄰兩層高度比為1. 1，第一層網(wǎng)格單元高度約為0. 001D，使得無(wú)量綱參數(shù) 20〈y+〈300。另外，三個(gè)備選網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量差異主要體現(xiàn)在螺旋槳尾流在其盤面內(nèi)區(qū) 域，特別是靠近螺旋槳附近區(qū)域。因?yàn)檫@一區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)螺旋槳空化性能和尾流壓力脈 動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
[0043] 更進(jìn)一步地，所述的步驟2中的全空化模型設(shè)定及其參數(shù)修正為：
[0044] 當(dāng)p〈pv時(shí)，蒸汽產(chǎn)生率為：

【權(quán)利要求】
1. 基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)取方法，其特征在于：包括以下 步驟： (1) 備用網(wǎng)格生成并導(dǎo)入計(jì)算程序后生成算例文件： 利用專業(yè)建模軟件制作螺旋槳三維幾何模型后導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件，在網(wǎng)格劃分軟件中 建立三種備選網(wǎng)格，這三種備選網(wǎng)格的計(jì)算域相同，速度入流邊界距離螺旋槳中心為1D，D 為螺旋槳直徑，下游壓力出口邊界距離為螺旋槳中心至側(cè)面外圍距離為2. 5D，這三個(gè) 網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量按照倍數(shù)逐漸增加，對(duì)網(wǎng)格中相鄰邊界的網(wǎng)格單元尺寸在邊界 點(diǎn)合理過(guò)渡，使得網(wǎng)格中所有體網(wǎng)格單元的skew都限定在0.9以內(nèi)； (2) 空化模型和湍流模型設(shè)定： 采用全空化模型和重整化群湍流模型，并對(duì)其重要參數(shù)進(jìn)行修正； (3) 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定： 對(duì)工況條件、邊界條件和數(shù)值算法的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定； (4) 數(shù)值計(jì)算： 采用逐級(jí)分步驟的計(jì)算過(guò)程，在螺旋槳工況參數(shù)中，環(huán)境壓力和入流速度可以直接設(shè) 定到工況值，而螺旋槳轉(zhuǎn)速采用分級(jí)增加，直到增加到預(yù)定工況值；先計(jì)算無(wú)空化模型流場(chǎng) 分布，等到計(jì)算穩(wěn)定后再打開(kāi)空化模型；先對(duì)壓力、密度、動(dòng)量和汽相分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行一階 精度離散格式計(jì)算，計(jì)算穩(wěn)定后，再將離散精度提高到二階或QUCIK等，并采用并行計(jì)算技 術(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算； (5) 數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證及網(wǎng)格確定： 將典型工況下對(duì)螺旋槳槳的水動(dòng)力參數(shù)和空化的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行 比較，以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和所采用數(shù)值方法的可靠性；并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果中水動(dòng)力參數(shù)和 空化進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)果隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而趨于穩(wěn)定并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致時(shí)，則選定滿足 條件中網(wǎng)格單元數(shù)量最少的網(wǎng)格作為下面數(shù)值計(jì)算的選定網(wǎng)格；否則適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量， 重復(fù)步驟1重新開(kāi)始； (6) 空化尾流壓力脈動(dòng)非定常數(shù)值計(jì)算： 采用步驟5中的選定網(wǎng)格，對(duì)螺旋槳的尾流場(chǎng)在所需工況條件下進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì) 算，在計(jì)算程序中對(duì)尾流場(chǎng)中某一特定位置（A點(diǎn)）壓力脈動(dòng)檢測(cè)并保存其檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化； (7) 壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜變換及低頻線譜幅值提?。? 采用信號(hào)處理中快速傅立葉變換方法對(duì)流場(chǎng)中壓力脈動(dòng)等物理量和噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn) 行功率譜變換，并對(duì)低頻線譜幅值進(jìn)行提?。辉倮梦擦鲌?chǎng)壓力脈動(dòng)特征與空化噪聲被槳 葉調(diào)制特征的相似性，建立從壓力脈動(dòng)的低頻線譜幅值到噪聲的低頻線譜幅值的特征對(duì)應(yīng) 關(guān)系； (8) 線譜特征估計(jì)及分析： 將步驟7中低頻線譜幅值一一對(duì)應(yīng)到噪聲信號(hào)功率譜的低頻線譜幅值，作為對(duì)空化噪 聲信號(hào)低頻線譜幅值分布特征的估計(jì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟6中的空化尾流壓力脈動(dòng)非定常計(jì)算包括以下步驟： (6-1)導(dǎo)入步驟5中的選定網(wǎng)格生成算例文件； (6-2)空化模型和湍流模型設(shè)定； (6-3)數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定； (6-4)數(shù)值計(jì)算； (6-5)壓力脈動(dòng)信號(hào)提?。簩?duì)尾流場(chǎng)中某一特定位置（A點(diǎn)）壓力脈動(dòng)檢測(cè)并保存其檢 測(cè)數(shù)據(jù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟1中的備選網(wǎng)格采用分區(qū)域混合網(wǎng)格劃分方法： 螺旋槳周圍流場(chǎng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法劃分，網(wǎng)格由槳轂到葉梢逐漸減小，葉梢處 面網(wǎng)格為三角形，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)大小約為0. 001D，槳榖處單元約為0. 02D ;在槳葉表面建 立邊界層網(wǎng)格；采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分螺旋槳外圍規(guī)則形狀的計(jì)算域；對(duì)梢渦區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加 密，同時(shí)槳葉表面采用邊界層網(wǎng)格以提高對(duì)梢渦空化的預(yù)報(bào)精度，梢渦區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸 約為0.001D，邊界層網(wǎng)格共有4層，其相鄰兩層高度比為1. 1，第一層網(wǎng)格單元高度約為 0. 001D，使得無(wú)量綱參數(shù)20〈y+〈300。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟2中的全空化模型設(shè)定及其參數(shù)修正為： 當(dāng)口47時(shí)，蒸汽產(chǎn)生率為：
當(dāng)P>PV時(shí)，汽相變液相，同樣得到蒸汽凝固率R。：
其中，fv = a v p v/ p m為汽相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，汽化系數(shù)Ce = 0. 02和凝結(jié)系數(shù)Cc = 0. 01為 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟2中的RNG k-ε湍流模型及其參數(shù)修正為：重整化群湍流模型即為RNG k_ ε湍流模型，RNG k- ε湍流模型的k方程和ε方程分別為：
u ( du -Υ dii λ 式中，湍流動(dòng)能耗散率（Turbulent Dissipation Rate) =-^ -^ ，湍流 Μ % 人 動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)ak = aE = 1.39 ;模型參數(shù)C1E = 1.47， C2E = 1. 68 ;黏性系數(shù)為μ = μ t+y m, μ m為混合流黏度系數(shù)；修改湍流黏度系數(shù)μ t = [Pv+OfPv)]?！?"，CW = 0.085。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟3的數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定，包括工況條件、邊界條件和數(shù)值算法的相關(guān)參 數(shù)設(shè)定； 工況條件主要設(shè)定螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度，環(huán)境壓力和入流速度值，確定螺旋槳無(wú)量綱參 數(shù)，即進(jìn)速系數(shù)（J)和空化數(shù)（ση);對(duì)于邊界條件設(shè)定，速度入口邊界采用入流速度值， 遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件采用入流速度設(shè)定，下游壓力出口界面的出口壓力設(shè)置為靜壓力；數(shù)值算 法中參數(shù)設(shè)置：納維一斯托克斯（N-S)方程中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采 用二階中心差分格式離散，速度壓力耦合采用適合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法，使用逐點(diǎn) Gauss-Seidel迭代求解離散方程；利用代數(shù)多重網(wǎng)格加速計(jì)算收斂，對(duì)于非定常計(jì)算采用 滑動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)，采用二階精度離散格式，為了保證二階計(jì)算的穩(wěn)定性，將亞松弛因子適 當(dāng)降低，壓力、動(dòng)量、汽相分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能、湍流耗散率和湍流黏性等參數(shù)的亞松弛因子分別 設(shè)定為：〇· 25、0· 6、0· 2、0· 7、0· 7、0· 9,質(zhì)量守恒連續(xù)性（continuity)殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為三 階，方程中其它物理量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為四階。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述的步驟6的特定位置A點(diǎn)位于螺旋槳尾流徑向r = 0. 5R和軸向X = 2R處，根 據(jù)量綱換算原則，采用公式進(jìn)行無(wú)量綱化，其中ΛΡ為數(shù)值計(jì)算結(jié)果的總壓力 脈動(dòng)值，Ρ為混合流體密度，η為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D位螺旋槳直徑；非定常計(jì)算中--ΜΕ STEP時(shí) 間步長(zhǎng)設(shè)定為T = 0. 0125TP，TP為螺旋槳旋轉(zhuǎn)周期，數(shù)據(jù)涉及時(shí)間長(zhǎng)度為30TP。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方法，其特 征在于：所述步驟7中的功率譜變換中的低頻線譜包括軸頻，二倍軸頻，三倍軸頻和葉頻。
9. 如權(quán)利要求1或4或5所述的基于螺旋槳尾流壓力脈動(dòng)計(jì)算的空化噪聲特征估計(jì)方 法，其特征在于：對(duì)空化模型中相變率參數(shù)的修正和湍流模型中湍流黏度系數(shù)的修正采用 C語(yǔ)言編寫，再利用宏調(diào)用（DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY等）形式嵌入計(jì)算程序。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104091085SQ201410345592
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】朱志峰 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)