一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，属于螺旋桨辐射噪声数值预报【技术领域】。
【背景技术】
[0002]螺旋桨噪声包括空化噪声和非空化噪声，非空化状态时即螺旋负载噪声，空化状态时包括空化噪声和负载噪声两部分，其中螺旋桨空化的黏性数值模拟受多相流模型、湍流模型、空化模型和相变临界压力的影响，国内外对片空化进行成功模拟的很少，也没有较优的空化模型和湍流模型，成功模拟片空化的都是针对均匀入流；螺旋桨空化辐射噪声的研究仅限于采用面元法和单个脉冲球形空泡辐射噪声理论想结合，或者采用FW-H方程，将空化的脉动体积转化为噪声，这些方法都没有很好地跟实际数据对比验证，因此非均匀入流中螺旋桨空化单极子辐射噪声是一个研究难题，目前成功模拟螺旋桨噪声仅限于探讨性研究，没有与实际数据对比验证，因此准确数值预报螺旋桨辐射噪声也是一个研究难题。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，该方法通过CFD数值模拟仿真非均匀入流中螺旋桨片空化的周期形态和空化面积变化，通过将螺旋桨的片空化辐射噪声等效为一个大的球形空化辐射，将螺旋桨的片空化面积等效为空化长度，通过空化长度依据单空泡空化辐射噪声原理求解螺旋桨片空化单极子辐射噪声，并通过声学数值仿真螺旋桨负载噪声，最后得到螺旋桨噪声。
[0004]技术方案:一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，包括以下步骤:第一步:划分网格螺旋桨计算域网格、检查网格划分质量并定义边界条件；第二步:用一阶差分插值计算入流速度；第三步:在CFD软件中导入计算网格并进行相关网格操作；第四步:在CFD软件中选择计算模型(定义求解器、选择湍流方程及设置对应参数、选择多相流模型及设置对应参数、设置操作环境、设定边界条件);第五步:在CFD软件中设置求解参数、进行初始化设置以及收敛设置；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，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；第七步:将稳态计算结果作为非稳态计算的初始值，在CFD软件中进行非稳态迭代计算；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；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，进行流场数据转换；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；第十一步:进行声学边界元数值计算，导出场点声压频率响应计算螺旋桨负载噪声；第十二步:计算螺旋桨噪声，并验证准确性。该数值预报方法通过数值预报螺旋桨片空化的面积，根据球形空泡辐射噪声理论，将螺旋桨空化辐射噪声看成是单个大空泡辐射噪声，从而计算螺旋桨片空化单极子辐射噪声，并通过CFD流场数据数值计算螺旋桨负载噪声，最后通过螺旋桨空化单极子辐射噪声和负载噪声计算螺旋桨噪声。[0005]本发明的原理是利用单空泡空化辐射噪声原理求取螺旋桨片空化单极子辐射噪声，通过声学数值仿真螺旋桨负载噪声，最后得到螺旋桨噪声。
[0006]本发明方法的具体实现方式如下:
[0007]第一步，对螺旋桨计算域进行网格划分:
[0008]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；
[0009] 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:
[0010]实测入非均匀入流速度面的三向速度值(轴向、径向和切向三个方向)，测试点的位置分布在r/R = 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0…0.2Mtest，其中R为螺旋桨半径，r为测试点的半径，Mtest为测试半径的个数；
[0011]入流速度面的面网格划分采用结构网格划分，径向的节点数为M，一般情况下，Mtest < M，在径向方向进行一阶插值计算，径向插值的点数为Mr ；
[0012]第三步，导入计算网格并进行网格相关操作:
[0013]将网格文件读入到CFD软件中(Fluent)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，依次按交换系数从小到大进行光滑和交换操作，直到每个交换系数的交换网格数目为零；读入非均匀入流速度文本文件；
[0014]第四步，计算模型设置:
[0015]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vx, vy, vz,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O。定义交界面；
[0016]第五步，设置求解参数、初始化以及收敛条件:
[0017]设置松弛因子，其中vapor, Turbulent Kinetic Energy, Specif iec DissipationRate, 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I的速度作为初始值；设置各参数的残差；
[0018]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(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:
[0019]推力系数和力矩系数的计算公式:
【权利要求】
1.一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； 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。
2.如权利要求1所述的非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，其特征在于，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…0.2Mtest，其中R为螺旋桨半径，r为测试点的半径，Mtest为测试半径的个数； 入流速度面I的面网格划分采用结构网格划分，径向的节点数为M，一般情况下，Mtest< M，在径向方向进行一阶插值计算，径向插值的点数为Mr ； 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vx，vy，Vz，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O ;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 DissipationRate, 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I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:
3.如权利要求2所述的非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，其特征在于，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，如饱和压力，单位体积的气泡数目等，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At，每个迭代步的迭代次数为m ； 第八步，在CR)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a 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--必其中N为总迭代步数。
4.如权利要求3所述的非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，其特征在于，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,O), p2 (O, 1.0m,O),P3 (O，1.5m，O)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。
5.如权利要求4所述的非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，其特征在于，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H^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 r P3^ Pi的声压响应曲线，设置参考声压为Iupa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，
【文档编号】G06F17/50GK103530482SQ201310537589
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】方世良, 曹红丽 申请人:东南大学