基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法
【专利摘要】本发明公开了基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，属于水声目标特征提取领域。基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特估计取方法，包括以下步骤：(1)备用网格生成并导入计算程序后生成算例文件，(2)空化模型和湍流模型设定，(3)数值计算参数设定，(4)数值计算，(5)数值方法可靠性验证及网格确定，(6)空化尾流压力脉动非定常数值计算，(7)压力脉动信号功率谱变换及低频线谱幅值提取，(8)线谱特征估计及分析。本发明将现代流体力学、空泡动力学和信号处理领域中相关研究成果引入水下目标的噪声特征分析，体现多学科和多领域的交叉性。
【专利说明】基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水声目标特征提取领域，具体地说，涉及基于螺旋桨尾流压力脉动计 算的空化噪声特征估计方法。
【背景技术】
[0002] 螺旋桨噪声是船舶三大噪声源之一，包含了目标推进器种类信息和结构特征，这 些特征宽容性强，具有较好的可分性，是识别水下目标的主要特征和重要依据。而空化一旦 出现，空化噪声就成为螺旋桨主要噪声。这些目标源噪声由于被海洋环境噪声干扰和在复 杂的水声信道传播中而产生畸变，使得被动声纳所接收到的噪声信号特征不明显，信噪比 降低。因此传统的以信号处理方法提取噪声特征，进行水下目标识别越来越困难。进一步 挖掘螺旋桨噪声本质特征是水下目标识别急待解决的问题。
[0003] 对于采用信号处理技术对实测的螺旋桨噪声进行特征提取方面的研究，国外的学 者很早就已经开始了。早在1971年Whalen就已经提出了最大似然调制接收机。随着这一 技术的发展，高阶谱、AR谱、双重谱和小波分析等时频处理方法，以及分形、混沌、极限环和 模态分解等非线性处理方法，都在螺旋桨噪声特征提取中广为尝试。近年来，李启虎等学者 采用理论分析和数值仿真研究了强干扰背景噪声下单频信号分量检测方法和检测系统性 能。南京大学鲍菲等将经验模型分解法（empirical mode decomposition)和奇异值分解 法（singular value decomposition)相结合，从强干扰背景噪声中提取螺旋桨的空化噪声 调制成分。现代信号处理方法对背景噪声下的实测噪声信号特征进行提取，取得了不错的 效果。但是对强干扰背景噪声，由于实测信号中缺乏机理特征，这一方法适应能力较不高。
[0004] 由此，一些学者开展了基于模型的噪声特征分析及方法研究。陶笃纯将噪声调制 包络作为有相同形状、相等重复周期、随机幅度，具有成组结构的脉冲性随机过程处理。并 从舰船辐射噪声调制包络的功率谱密度和自相关函数中提取与舰船各种物理属性有关的 丰富的节奏信息。蒋国健和林建恒等人利用指数衰减形随机脉冲序列的理论模型来分析 舰船螺旋桨空泡噪声，得到螺旋桨空化噪声谱。近年来，史广智等学者针对螺旋桨叶片数识 别问题，建立空化噪声信号模型。并对双螺旋桨舰船噪声包络建模，研究双桨目标调制谱谐 波族特征的结构问题，进一步采用模型特征提取技术，研究基于模型匹配的噪声特征精细 分析方法。除了叶频特征，这些模型没有考虑螺旋桨几何形状和工况等参数，很难体现空化 噪声的机理特征。
[0005] 螺旋桨空化是空化噪声的直接声源，并且螺旋桨空化尾流是空化噪声重要的传播 途径。由于尾流受到螺旋桨周期性转动节拍的作用，具有周期性脉动特征。这些特征反映 了螺旋桨工况和几何形状等特征信息。同时，螺旋桨旋转节拍对其辐射的空化噪声有明显 的振幅调制作用，其功率谱的线谱特征也反映包括螺旋桨工况和几何形状等特征信息在内 的螺旋桨节奏信息。因此，由于同样受到螺旋桨桨叶的节拍作用，螺旋桨空化尾流与空化噪 声具有特征相关性，其特征都反映了螺旋桨工况参数和几何形状参数。由于目前螺旋桨空 化噪声的声学机理研究还很不完善，因此本发明从空化噪声的本源即空化尾流入手来阐述 其噪声特征的一种预报方法。
[0006] 对于螺旋桨空化尾流国内外有不少学者进行了研究。意大利船模水池实验室的 Francesc等利用RANS、LES和BEM方法分别对空化和非空化条件下E779A螺旋桨尾流场 进行数值模拟。瑞典Rickard和Goran基于混合两相流模型，利用隐式LES方法和Kunz 空化模型模拟了 E779A螺旋桨在非均匀流场中空化的动态行为，对中小尺度的流场结构和 螺旋桨梢涡空化的模拟较为成功。清华大学季斌等学者利用Rayleigh - Plessete方程和 k-ω Shear Stress Transport (SST)湍流模型对高侧斜螺旋桨均勻和非均勻入流的空化尾 流进行了数值模拟。片空化和梢涡空化被较好地预报，同时空化诱导的尾流场压力脉动特 征与螺旋桨轴频叶频特征一致。海军工程大学杨琼方对空化模型和湍流模型在螺旋桨空化 模拟进行评估分析，选择改进Sauer空化模型和修正SST k-ω湍流模型，较准确地预报螺 旋桨空化斗图谱。对与七叶大侧斜桨的非均匀进流，分析了其空化引起的推力和力矩崩溃 性能以及对叶背梢涡空化初生的影响，描述了空化推力和力矩的脉动特征、桨叶空化面积 和空化形态随周向位置的变化，并给出了伴流中螺旋桨是否出现叶面片空化的区间划分。 目前，国内外对空化尾流的研究主要侧重于某种桨模片空化的数值预报，对于空化与螺旋 桨工况与几何形状之间的特征关系方面的研究较少，而用空化尾流来研究空化噪声特征则 更少。
[0007] 另外，中国专利申请号ZL201310538724. 7,文件也公开了一种基于非均匀入流中 螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，步骤包括：首先，对螺旋桨计算域进行网格划 分，检查网格质量并定义边界条件；接下来，在CFD软件中，设置计算模型，进行稳态迭代计 算淌水性能参数和入流口速度验证模型准确性；然后，在CFD软件中，将稳态计算作为非稳 态计算的初始值进行非稳态迭代计算，并通过后处理显示螺旋桨片空化周期形态及记录片 空化面积变化；最后，根据单空泡辐射噪声理论由螺旋桨片空化面积计算螺旋桨空化辐射 噪声，进行特征提取。该申请文件中所用方法将空化区域折算成球形体积，并得到球形体积 半径，再将半径变化带入球形单空泡噪声辐射模型中，来预报空化噪声及其特征。由于螺旋 桨空化与球形单空泡有很大不同，这种折算方法的准确性有待于进一步检验。本发明的方 法则是利用螺旋桨空化尾流压力脉动与空化噪声之间的特征相关性来估计噪声特征。具体 来说，空化尾流压力脉动信息含有螺旋桨工况和几何形状参数特征，而空化噪声也具有这 一属性。因此，它们具有相同的本源关系，即是螺旋桨的旋转导致空化尾流并产生噪声，同 时空化噪声还受到旋转桨叶的调制作用。空化尾流和噪声产生的根本原因是螺旋桨在流体 中的转动。
【发明内容】
[0008] 螺旋桨空化噪声主要特征有：
[0009] 1.螺旋桨空化是空化噪声的来源，螺旋桨空化噪声总是伴随着螺旋桨空化的出现 而出现；
[0010] 2.螺旋桨空化尾流不仅是空化噪声的声源，还是空化噪声传播的重要载体；
[0011] 3.空化噪声的声强与空泡体积变化密切相关，特别是其在溃灭瞬间的体积变化最 大，其辐射噪声也最强；
[0012] 4.螺旋桨空化体积变化和位置分布随着桨叶的旋转而具有周期性特征，使得空化 噪声也具有周期性特征，并会反映到其噪声频谱分布上；
[0013] 5.空化尾流和空化噪声同时会受到螺旋桨桨叶转动节拍的调制作用；
[0014] 6.上述特征使得螺旋桨空化与其噪声的特征具有严密的本质相关性；
[0015] 7.片空化噪声一般分布在低频段，其频谱呈现线谱特征，而梢涡空化发出的噪声 一般分布在中高频段，其频谱呈现连续特征。
[0016] 本发明的原理就是依据上述螺旋桨空化的主要特征，基于黏性多相流理论，利用 现代计算流体力学方法对水下螺旋桨尾流场构建N-S方程，并结合湍流模型和空化模型对 方程组进行数值求解，从而得到水下螺旋桨叶面周围汽相体积分数和尾流场中压力脉动等 相关信息；再利用功率谱等信号处理方法对数值计算的流场信息数据的低频特征进行提取 和分析；最后利用流场压力脉动与噪声之间的特征相关性对水下目标螺旋桨噪声特征进行 估计和判断。虽然压力脉动是尾流场中力学参数而噪声声压是声学参数，它们的物理概念 不同，但它们在某些方面的特征，如低频线谱幅值分布特征，又有一些共同点。这些共同点 实质是反映了螺旋桨几何和工况参数特征，这里把它们称之为特征相关性。
[0017] 本发明采用如下技术方案：
[0018] 基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，具体包括以下步骤：
[0019] (1)备用网格生成并导入计算程序后生成算例文件：
[0020] 利用专业建模软件制作螺旋桨三维几何模型后导入网格生成软件，在网格划分软 件中建立三种备选网格，这三种备选网格的计算域相同，速度入流边界距离螺旋桨中心为 1D，D为螺旋桨直径，下游压力出口边界距离为螺旋桨中心至侧面外围距离为2. 5D，这 三个网格的网格单元数量按照倍数逐渐增加，对网格中相邻边界的网格单元尺寸在 边界点合理过渡，使其网格尺寸差异较小，最终使得网格中所有体网格单元的skew都限定 在0. 9以内，以保证后面的数值计算的稳定性；
[0021] (2)空化模型和湍流模型设定：
[0022] 采用全空化模型和重整化群湍流模型，并对其重要参数进行修正，对空化模型 中相变率参数的修正和湍流模型中湍流黏度系数的修正采用C语言编写，再利用宏调用 (DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY 等）形式嵌入计算程序；
[0023] (3)数值计算参数设定：
[0024] 对工况条件、边界条件和数值算法的相关参数进行设定；
[0025] (4)数值计算：
[0026] 由于空化模型加入RANS方程后，计算的稳定性降低，容易出现奇异现象。因此， 为了能使数值计算平稳进行，采用逐级分步骤的计算过程，具体来说，在螺旋桨工况参数 中，环境压力和入流速度可以直接设定到工况值，而螺旋桨转速采用分级增加，直到增加到 预定工况值；先计算无空化模型流场分布，等到计算稳定后再打开空化模型；先对压力、密 度、动量和汽相分数等参数进行一阶精度离散格式计算，计算稳定后，再将离散精度提高到 二阶或QUCIK等，由于多相流模型、空化模型和滑动网格计算对计算机资源消耗较大，因此 采用并行计算技术来缩短计算时间。
[0027] (5)数值方法可靠性验证及网格确定：
[0028] 将典型工况下对螺旋桨桨的水动力参数和空化的数值计算结果与相关实验结果 进行比较，以验证网格无关性和所采用数值方法的可靠性；将步骤1中所建三种备选网格 按照步骤2和3方法进行设定并进行数值计算，并对计算结果中水动力参数和空化进行比 较，当这些结果随着网格数量的增加而趋于稳定并与实验结果一致时，则选定满足条件中 网格单元数量最少的网格作为下面数值计算的选定网格；否则适当增加网格数量，重复步 骤1重新开始；
[0029] (6)空化尾流压力脉动非定常数值计算：
[0030] 采用步骤5中的选定网格，对螺旋桨的尾流场在所需工况条件下进行非定常数值 计算，在计算程序中对尾流场中某一特定位置（A点）压力脉动检测并保存其检测数据，同 时对数据进行无量纲化；
[0031] (7)压力脉动信号功率谱变换及低频线谱幅值提取：
[0032] 采用信号处理中快速傅立叶变换方法对流场中压力脉动等物理量和噪声信号数 据进行功率谱变换，并对低频线谱幅值进行提取，低频线谱包括轴频，二倍轴频，三倍轴频 和叶频；再利用尾流场压力脉动特征与空化噪声被桨叶调制特征的相似性，建立从压力脉 动的低频线谱幅值到噪声的低频线谱幅值的特征对应关系；
[0033] (8)线谱特征估计及分析：
[0034] 将步骤7中低频线谱幅值一一对应到噪声信号功率谱的低频线谱幅值，作为对空 化噪声信号低频线谱幅值分布特征的估计，具体来说就是利用压力脉动信号功率谱的轴 频、二倍轴频、三倍轴频和叶频等低频分量的幅值来分别估计噪声信号轴频、二倍轴频、三 倍轴频和叶频等低频分量的幅值。
[0035] 更进一步地，所述的步骤6中的空化尾流压力脉动非定常计算包括以下步骤：
[0036] (6-1)导入步骤5中选定的网格生成算例文件；
[0037] (6-2)空化模型和湍流模型设定；
[0038] (6-3)数值计算参数设定；
[0039] (6_4)数值计算；
[0040] (6-5)压力脉动信号提取：对尾流场中某一特定位置（A点）压力脉动检测并保存 其检测数据。
[0041] 步骤（6-2)的空化模型和湍流模型设定、步骤（6-3)的数值计算参数设定和（6-4) 的数值计算分别与步骤2的空化模型和湍流模型设定、步骤3的数值计算参数设定和步骤 4的数值计算相同。
[0042] 更进一步地，所述的步骤1中的备选网格采用分区域混合网格划分方法：螺旋桨 周围流场区域采用非结构网格方法划分，网格由桨毂到叶梢逐渐减小，叶梢处面网格为三 角形，网格单元边长大小约为0. 001D，桨榖处单元约为0. 02D ;由于空化主要分布在叶面及 梢涡区域，因此这一区域网格质量要求较高。为了更好地适应壁面函数，在叶表面建立边 界层网格；采用结构网格划分螺旋桨外围规则形状的计算域；基于上述方法同时生成网格 单元数不同三个计算域网格作为备选网格；对梢涡区域网格进行加密，同时桨叶表面采用 边界层网格以提高对梢涡空化的预报精度，梢涡区域网格单元尺寸约为0.001D，边界层网 格共有4层，其相邻两层高度比为1. 1，第一层网格单元高度约为0. 001D，使得无量纲参数 20〈y+〈300。另外，三个备选网格的网格单元数量差异主要体现在螺旋桨尾流在其盘面内区 域，特别是靠近螺旋桨附近区域。因为这一区域网格质量对螺旋桨空化性能和尾流压力脉 动计算的准确性至关重要。
[0043] 更进一步地，所述的步骤2中的全空化模型设定及其参数修正为：
[0044] 当p〈pv时，蒸汽产生率为：
【权利要求】
1. 基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计取方法，其特征在于：包括以下 步骤： (1) 备用网格生成并导入计算程序后生成算例文件： 利用专业建模软件制作螺旋桨三维几何模型后导入网格生成软件，在网格划分软件中 建立三种备选网格，这三种备选网格的计算域相同，速度入流边界距离螺旋桨中心为1D，D 为螺旋桨直径，下游压力出口边界距离为螺旋桨中心至侧面外围距离为2. 5D，这三个 网格的网格单元数量按照倍数逐渐增加，对网格中相邻边界的网格单元尺寸在边界 点合理过渡，使得网格中所有体网格单元的skew都限定在0.9以内； (2) 空化模型和湍流模型设定： 采用全空化模型和重整化群湍流模型，并对其重要参数进行修正； (3) 数值计算参数设定： 对工况条件、边界条件和数值算法的相关参数进行设定； (4) 数值计算： 采用逐级分步骤的计算过程，在螺旋桨工况参数中，环境压力和入流速度可以直接设 定到工况值，而螺旋桨转速采用分级增加，直到增加到预定工况值；先计算无空化模型流场 分布，等到计算稳定后再打开空化模型；先对压力、密度、动量和汽相分数等参数进行一阶 精度离散格式计算，计算稳定后，再将离散精度提高到二阶或QUCIK等，并采用并行计算技 术来进行计算； (5) 数值方法可靠性验证及网格确定： 将典型工况下对螺旋桨桨的水动力参数和空化的数值计算结果与相关实验结果进行 比较，以验证网格无关性和所采用数值方法的可靠性；并对数值计算结果中水动力参数和 空化进行比较，当结果随着网格数量的增加而趋于稳定并与实验结果一致时，则选定满足 条件中网格单元数量最少的网格作为下面数值计算的选定网格；否则适当增加网格数量， 重复步骤1重新开始； (6) 空化尾流压力脉动非定常数值计算： 采用步骤5中的选定网格，对螺旋桨的尾流场在所需工况条件下进行非定常数值计 算，在计算程序中对尾流场中某一特定位置（A点）压力脉动检测并保存其检测数据，同时 对数据进行无量纲化； (7) 压力脉动信号功率谱变换及低频线谱幅值提取： 采用信号处理中快速傅立叶变换方法对流场中压力脉动等物理量和噪声信号数据进 行功率谱变换，并对低频线谱幅值进行提取；再利用尾流场压力脉动特征与空化噪声被桨 叶调制特征的相似性，建立从压力脉动的低频线谱幅值到噪声的低频线谱幅值的特征对应 关系； (8) 线谱特征估计及分析： 将步骤7中低频线谱幅值一一对应到噪声信号功率谱的低频线谱幅值，作为对空化噪 声信号低频线谱幅值分布特征的估计。
2. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤6中的空化尾流压力脉动非定常计算包括以下步骤： (6-1)导入步骤5中的选定网格生成算例文件； (6-2)空化模型和湍流模型设定； (6-3)数值计算参数设定； (6-4)数值计算； (6-5)压力脉动信号提取：对尾流场中某一特定位置（A点）压力脉动检测并保存其检 测数据。
3. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤1中的备选网格采用分区域混合网格划分方法： 螺旋桨周围流场区域采用非结构网格方法划分，网格由桨毂到叶梢逐渐减小，叶梢处 面网格为三角形，网格单元边长大小约为0. 001D，桨榖处单元约为0. 02D ;在桨叶表面建 立边界层网格；采用结构网格划分螺旋桨外围规则形状的计算域；对梢涡区域网格进行加 密，同时桨叶表面采用边界层网格以提高对梢涡空化的预报精度，梢涡区域网格单元尺寸 约为0.001D，边界层网格共有4层，其相邻两层高度比为1. 1，第一层网格单元高度约为 0. 001D，使得无量纲参数20〈y+〈300。
4. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤2中的全空化模型设定及其参数修正为： 当口47时，蒸汽产生率为：
当P>PV时，汽相变液相，同样得到蒸汽凝固率R。：
其中，fv = a v p v/ p m为汽相质量分数，汽化系数Ce = 0. 02和凝结系数Cc = 0. 01为 经验参数。
5. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤2中的RNG k-ε湍流模型及其参数修正为：重整化群湍流模型即为RNG k_ ε湍流模型，RNG k- ε湍流模型的k方程和ε方程分别为：
u ( du -Υ dii λ 式中，湍流动能耗散率（Turbulent Dissipation Rate) =-^ -^ ，湍流 Μ % 人 动能k和耗散率ε的有效湍流普朗特数的倒数ak = aE = 1.39 ;模型参数C1E = 1.47， C2E = 1. 68 ;黏性系数为μ = μ t+y m, μ m为混合流黏度系数；修改湍流黏度系数μ t = [Pv+OfPv)]。』2"，CW = 0.085。
6. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤3的数值计算参数设定，包括工况条件、边界条件和数值算法的相关参 数设定； 工况条件主要设定螺旋桨旋转速度，环境压力和入流速度值，确定螺旋桨无量纲参 数，即进速系数（J)和空化数（ση);对于边界条件设定，速度入口边界采用入流速度值， 远场边界条件采用入流速度设定，下游压力出口界面的出口压力设置为静压力；数值算 法中参数设置：纳维一斯托克斯（N-S)方程中对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采 用二阶中心差分格式离散，速度压力耦合采用适合非结构网格的SIMPLE算法，使用逐点 Gauss-Seidel迭代求解离散方程；利用代数多重网格加速计算收敛，对于非定常计算采用 滑动网格计算技术，采用二阶精度离散格式，为了保证二阶计算的稳定性，将亚松弛因子适 当降低，压力、动量、汽相分数、湍流动能、湍流耗散率和湍流黏性等参数的亚松弛因子分别 设定为：〇· 25、0· 6、0· 2、0· 7、0· 7、0· 9,质量守恒连续性（continuity)残差收敛标准为三 阶，方程中其它物理量残差收敛标准为四阶。
7. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述的步骤6的特定位置A点位于螺旋桨尾流径向r = 0. 5R和轴向X = 2R处，根 据量纲换算原则，采用公式进行无量纲化，其中ΛΡ为数值计算结果的总压力 脉动值，Ρ为混合流体密度，η为螺旋桨转速，D位螺旋桨直径；非定常计算中--ΜΕ STEP时 间步长设定为T = 0. 0125TP，TP为螺旋桨旋转周期，数据涉及时间长度为30TP。
8. 如权利要求1所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方法，其特 征在于：所述步骤7中的功率谱变换中的低频线谱包括轴频，二倍轴频，三倍轴频和叶频。
9. 如权利要求1或4或5所述的基于螺旋桨尾流压力脉动计算的空化噪声特征估计方 法，其特征在于：对空化模型中相变率参数的修正和湍流模型中湍流黏度系数的修正采用 C语言编写，再利用宏调用（DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY等）形式嵌入计算程序。
【文档编号】G06F19/00GK104091085SQ201410345592
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】朱志峰 申请人:安徽工业大学