一种前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型及其设计方法与流程

本发明涉及船舶推进器技术领域，特别是涉及具有低噪声和高临界航速特征，可以用于推进水下潜器的泵喷推进器。

背景技术：

泵喷推进器(Pumpjet，简称泵喷)以具有辐射噪声低、临界航速高的显著特征而被大量应用于低噪声潜艇推进，如“海狼级”潜艇和“弗吉尼亚级”潜艇均采用了前置定子式泵喷。当前世界上美国、英国、法国和俄罗斯都已经将泵喷推进技术应用于了核潜艇推进，国内尚未见泵喷推进潜艇服役的主要原因在于缺乏优秀的泵喷水力模型。优秀的具体含义是：辐射噪声低、推进效率适中、临界航速高(即抗空化能力强)(一种无轴驱动式集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法，公开号：104462652A，公开日：2015-03-25)。为了实现这一自主设计目标，上述发明专利中阐述了同时适用于无轴驱动式集成电机泵喷和常规有轴机械式泵喷水力模型的设计方法，可以设计出同时满足推进和噪声性能要求的泵喷数值模型，并且展示了一型前置定子13叶叶片和9叶后置叶轮叶片的无轴泵喷水力模型。该设计方案中，无论是定子叶片还是叶轮叶片，都采用了周向对称布置设计，与一直以来传统的船舶推进器布置相同，如螺旋桨，无论是水面舰船采用的现代5叶大侧斜螺旋桨，还是常规潜艇采用的7叶大侧斜螺旋桨，每片桨叶的几何以及螺距角都完全相同。设计并安放好一片桨叶后，只需要在周向上对称复制即可完成其余桨叶的设计与安放。这种设计布置的优势在于：①设计相对较为简单。原因是：船舶推进器设计时通常是首先设计出均匀来流下满足效率和空化性能要求的水力模型，然后再考虑船尾真实非均匀伴流对推进器性能的影响，并由此适当修改完善原设计方案叶型。周向对称布置叶型正好适应于均匀来流条件，而且分析采用周向对称边界条件后的单个叶片受力情况比分析所有叶片的计算量要小得多，设计周期更短。②加工制造相对较为简单。原因是：在加工精度、叶片强度和复杂叶型的同时限制下，船舶推进器的加工制造难度一直较大，特别是现代舰艇推进器，如大侧斜桨和喷水推进器。采用5轴或7轴联动数控机床加工时，周向对称布置的叶型设计指令较周向非对称布置要简单得多。③叶型测绘更为简单。原因是：在仅有推进器实物而没有其三维数值几何模型时，如引进推进器，需要对其叶型数据进行测绘；或者是在推进器损伤修复后，评估修复效果时也需要对叶型数据进行测绘。测绘周向对称布置的单叶片叶型的数据比测绘所有叶片要简单得多，对测绘仪的要求更低。

然而，尽管周向对称布置叶型具有上述优势，但推进器真实工作于舰艇尾部的非均匀伴流场中这一本质特征未变。正是由于周向非均匀分布的进流与旋转叶片之间的周期性相互作用，才使得推进器存在显著的线谱噪声，且噪声频率位于叶频(转速与叶片数的乘积)及其倍叶频处(J S Carlton.Marine propellers and propulsion(船舶螺旋桨与推进)，Second edition，Elsevier Ltd.2007)。这一物理现象本质使得推进器降噪设计主要来源于降低转速、增加叶片数和减小叶片周期性脉动力幅值。潜艇推进器从7叶大侧斜桨演变发展为泵喷，也正是基于此考虑。在现代低噪声舰艇设计时首要考虑辐射噪声这一指标的牵引下，尤其是对于潜艇来说，低噪声设计成效成为了衡量推进器设计是否成功的第一要素。在该设计需求下，周向对称布置叶型的主要优势已经越来越淡化。要想在泵喷推进器的基础上进一步取得显著的降噪设计突破，除了从源头上改进设计方法外，只能是从改变泵喷的结构特征上考虑，如在泵喷导管内添加高性能的吸声材料、将泵喷定子和叶轮叶片的部分或全部采用高性能复合材料等。鉴于发明专利“一种无轴驱动式集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法”中泵喷叶片设计时采用的参数化三元逆向设计方法在理论上已经是处于当前旋转机械叶片设计方法的顶端，已经能够由叶片负载分布规律直接控制叶片三维几何形状，在短期内无法再有大的突破。因此，只能是着重考虑改变泵喷的结构特征来进行声学优化设计。

为了进一步降低泵喷的辐射噪声，目前有采用声学性能优异的加工材料来进行泵喷声学性能优化设计，然而，复合材料泵喷推进器设计技术目前在国际和国内仍处于探索阶段，故而风险较大。为了降低风险，本申请提出采用周向非对称布置的前置定子叶片设计方法来进行声学优化设计，在设计实现上更为简单，也更容易在原有金属泵喷水力模型的基础上改进完成。通过改变叶片的布置方式来进行降噪的技术风险比采用新材料要小得多，在工程实现上也更为可行。

泵喷前置定子叶片的周向非对称布置，有三层含义：一是不同周向角度位置的叶型本身发身改变，二是不同周向角度位置的叶片叶型相同但是螺距角不同，三是不同周向角度位置的叶片叶型相同、螺距角相同、但是相邻叶片之间的夹角大小不同。本申请实现的设计案例中所指为不同周向角度位置的叶片螺距角不同。

周向非对称布置叶片，不是随意改变原对称分布叶片的螺距角和相邻叶片之间夹角，而是使叶片的周向布置适应于艇尾周向非均匀分布伴流的空间分布特征，相当于是为每个独立叶片进行“量体裁衣”式地设计，以此来减小泵喷总的脉动力幅值，进而抑制线谱噪声大小。在进行声学性能优化设计的同时，周向非对称布置叶片还能够额外提升泵喷的操纵性能。原因是：艇体边界层流是泵喷周向非均匀进流的主要来源，泵喷性能对艇体边界层尾流非常敏感。艇体操纵时边界层流发生显著改变，可能使泵喷推进性能下降较多(王永生，刘承江等，舰船新型推进系统，北京：国防工业出版社，2014)。泵喷叶片周向对称布置时，主要产生轴向力，而横向力和垂向力分量非常小，在艇体操纵状态下有可能出现泵喷无法提供足量的横向和垂向操纵力的现象，加重了舵面的操纵负担。当前置定子叶片采用周向非对称布置方案时，设计经验表明：随着泵喷转子叶片侧斜程度和尾纵倾程度的增加，泵喷会产生较为明显的侧向力和侧向力矩，侧向力幅值与定子叶片周向非对称布置角度的大小相关。如果设计得当，可以有效利用该侧向力矩，增加泵喷推进潜艇操纵时的安全性。

在有关叶片周向非对称布置的船舶推进器设计研发方面，目前国内已公开的相关文献报道几乎没有。在中国专利网中以“叶片非对称布置”为关键词进行检索，仅有2项发明专利与之直接相关：一项是“一种匹配环形压水室的高效非对称导叶体”(公开号：CN203067340U，2013-07-17)，主要阐述了通过改变叶轮后方导叶体相邻叶片之间的夹角的方法来提高泵的效率和稳定性；另一项是“不对称叶片式风扇”(公开号：CN203297146U，2013-11-20)，也是通过改变相邻叶片之间的夹角来减小叶片通道间的涡流和二次流动，进而减小扇叶振动噪声。以上两项专利方案中叶片叶型以及螺距角都未发生改变。此外，在国际专利网中以“非对称叶片”和“非对称桨叶”为关键词进行检索，有2项与推进器叶片设计直接相关，分别是美国专利“Rotor with asymmetric blade spacing(非对称叶片布置的转子，公开号：US2012/0288373 A1，2012.11)”和欧洲专利“Asymmetric preswirl stator for ship(船舶非对称前置定子，公开号：EP1955944 A1，2008.08)”。其中，专利“非对称叶片布置的转子”描述了以一定规律改变涡轮转子叶片之间的周向夹角来抑制转子叶频线谱噪声峰值的设计方案，对本专利中设计方案的后续改进有一定的启发性；专利“船舶非对称前置转子”阐述了在水面船舶(主要指民用商船)尾部螺旋桨前方安装左右弦不对称分布的定子叶片，实质也相当于是通过周向非对称布置前置定子相邻叶片之间的夹角来提高螺旋桨的效率和空化性能，在设计思路上与本发明设计方案有一定的相似之处，但具体采取的技术措施不同，应用对象也不同。本申请设计方案中并未采取如上述列举专利中采用的改变相邻叶片之间的夹角的技术措施，原因是：泵喷工作于潜艇尾部，尽管由于艇体指挥台围壳和艇尾十字翼/叉形翼的存在使得艇尾伴流存在周向非均匀分布的特征，但其周向不均匀程度要明显小于前述商船船尾伴流，艇体本身的水滴形状使得伴流左右舷差异并不大，该情况下通过改变前置定子相邻叶片之间的夹角来提升泵喷推进和噪声性能的空间很小。在后续研究中，可以尝试将该技术措施与本发明设计方案中采取的技术措施结合起来，更好地发挥其降噪设计效果。

从上述研究背景和应用现状可以看出，针对泵喷这种复杂的组合式推进器来说，采用前置定子周向非对称布置的设计方案来进行降噪，开启了泵喷降噪设计的一条新的途径。该技术措施既适用于常规有轴机械式泵喷水力模型设计，也适用于新型无轴驱动集成电机式泵喷水力模型的设计，可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内潜器推进用低噪声泵喷的自主研发和推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了进一步降低泵喷辐射噪声，在原有泵喷水力模型的基础上，通过有规律地改变定子叶片的螺距角，提供一种前置定子周向非对称布置的泵喷水力模型及其设计方法，能够更好地适应艇尾周向非均匀伴流，减小泵喷线谱噪声。

为达到上述目的，本发明设计的前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型，其特征在于：包括导管，所述导管内设有同轴的叶轮和定子，所述定子前置，所述叶轮后置；所述叶轮包括叶轮叶片和叶轮轮毂，所述叶轮叶片轴向对称固定于叶轮轮毂；所述定子包括定子叶片和定子轮毂，所述定子叶片固定于定子轮毂且定子叶片叶梢固定于导管内壁面，两相邻的所述定子叶片之间的夹角为360°/n(n为定子叶片的数量)，且定子叶片螺距角按照下述公式进行调整：

式中：α0是基准泵喷水力模型中定子叶片的螺距角，由定子三维几何的参数化三元逆向设计确定；

A是幅值系数，取1到9之间的整数，单位为度；

N是定子叶片的序列编号，取值为1到12之间的整数，叶片序列编号递增按顺时针方向完成，与叶轮右旋方向一致，N值不同描述了叶片所在周向角度位置的不同。

泵喷的前置定子叶片采用周向非对称布置形式，每个定子叶片的螺距角都不一样。从艇尾向艇首方向看，每个定子叶片螺距角的改变由绕穿过定子轮毂轴线中心和该定子叶片叶根截面弦长中点的连线旋转一定的角度完成，该旋转角度量即为按正弦规律变化的螺距角变化量。螺距角变化量的正、负取值与叶片所在周向角度位置和叶轮叶片的旋转方向相关。定子叶片螺距角定义为定子叶片叶截面弦长与垂直于轴向方向的横切面之间形成的锐角。叶轮右旋时，右弦空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角减小，左舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角增加；反之，叶轮左弦时左舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角减小，右舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角增加。这种布置方式的直接影响是不仅可以减小泵喷工作时轴向脉动力幅值，以此来抑制泵喷线谱噪声峰值和减弱叶轮旋转方向对泵喷声指向性的影响程度，而且可以产生附加侧向力矩，有益于艇体操纵性能的提升。

优选的，所述定子叶片的叶数为12叶，所述叶轮叶片的叶数为9叶或7叶。这样，相邻两片定子叶片之间的周向夹角为30度，序列编号为1的定子叶片位于15度角，序列编号为12的定子叶片位于345度角，艇体指挥台围壳和上垂直稳定翼尾流从序列编号为1和序列编号为12的定子叶片之间的通道流过，定子叶片序列编号递增按顺时针方向完成，与叶轮右旋方向一致。叶轮右旋时，表达式为：右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角减小，左旋空间内序列编号为7至12的定子叶片的螺距角增加；反之，叶轮左旋时，表达式为右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角增加，左旋空间内序列编号为7至12的定子叶片的螺距角减小。

优选的，所述叶轮叶片的叶梢截面与导管内壁面之间设有叶顶间隙。

进一步优选的，所述叶顶间隙与叶轮直径的比值视加工精度取为2～5‰。

优选的，叶轮叶片侧斜角大于相邻的叶轮叶片之间夹角的一半；叶轮叶片从叶根到叶梢截面，不同半径截面处导边向艇尾方向纵倾，纵倾距离按线性规律增加。

进一步优选的，叶轮叶片从叶根到叶梢截面，侧斜角按给定规律增加，不同半径截面处的侧斜角数学表达式为：

其中，θsmax是叶梢截面侧斜角，用于描述叶轮叶片的侧斜角；rh是叶轮轮毂半径，R是叶轮半径，r是叶轮叶片上任一截面半径，θs是半径r截面处的侧斜角。

优选的，定子叶片和叶轮叶片均采用NACA 16翼型厚度分布。

优选的，所述导管的内、外壁面的截面轮廓为翼型。

本发明设计的前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型设计方法，包括以下步骤：

一)依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；

二)确定泵喷前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何；

三)由步骤一)和步骤二)所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定定子、叶轮的三维几何形状；由步骤一)和步骤二)所得结果将导管的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到导管三维几何形状；

四)采用计算流体力学方法计算步骤三)所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能和空化性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率、推进效率和空化性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤二)修改相应的二维轴面投影几何，并调整定子和叶轮在三元逆向设计过程中的叶片表面负载分布规律，重新设计定子和叶轮三维几何形状；

五)引入叶轮叶片大侧斜和尾纵倾特征：使叶轮叶片侧斜角大于相邻叶片之间夹角的一半，且叶轮叶片从叶根到叶梢截面，不同半径截面处导边向艇尾方向纵倾，纵倾距离按线性规律增加；

六)采用计算流体力学方法计算步骤五)所得模型在设计航速、转速和伴流条件下大侧斜泵喷脉动推力系数并得到线谱噪声，判断泵喷线谱噪声是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤五)增加叶轮叶片侧斜和纵倾程度、增加定子和叶轮的轴向距离；

七)按照定子叶片所在周向角度位置、叶轮旋向和幅值系数调整定子叶片的螺距角；

八)采用计算流体力学方法计算步骤七)所得模型在伴流条件下的推力系数并预报得到线谱噪声；

九)确定前置周向非对称布置的泵喷推进器水力模型。

优选的，所述步骤一)中水力参数包括扬程、流量、出口面积、比转速和吸口比转速5个参数。

优选的，所述步骤二)中二维轴面投影几何包括导管、前置定子和后置叶轮的轴面投影。

优选的，所述步骤三)中设计定子叶片和叶轮叶片三维几何形状时：定子叶片随边采用递增型环量分布、叶轮叶片导边采用二次方环量分布；定子叶片和叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。叶片(定子叶片和叶轮叶片)三维几何形状由水动力参数(叶片负载分布和出口环量分布)和几何参数(轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角)共同决定。

优选的，所述步骤六)中评估泵喷辐射噪声降低量时可以采用泵喷脉动轴向推力系数参量。

进一步优选的，脉动推力系数计算采用非定常瞬态CFD计算方法。

更进一步优选的，脉动推力系数计算采用尺度适应模拟方法SAS或分离涡模拟方法DES或大涡模拟方法LES。优先采用SAS模拟，可在保证脉动力幅值预报精度的条件下有效缩短计算周期。

本发明的有益效果是：本发明在常规有轴驱动式泵喷水力模型的基础上，通过有规律地改变前置定子叶片的螺距角，演变得出了前置定子叶片周向非对称布置的泵喷水力模型。与基准泵喷水力模型进行比较，叶片三维几何采用的设计方法和加工材料都未发生改变，易于扩展。设计泵喷水力模型中定子叶片数为12叶，叶轮叶片数为9叶或7叶，导管截面轮廓为翼型。定子叶片和叶轮叶片均采用NACA16翼型厚度分布特征。叶轮叶片具有大侧斜和尾纵倾特征。设计泵喷在额定航速16节、额定转速200rpm下，敞水效率为0.59，艇尾伴流条件下产生轴向推力大于300kN、消耗功率小于3.15MW，水深大于30米时无空化产生，轴向脉动推力系数比基准周向对称布置的泵喷减小3.4％，在减小低频线谱噪声的同时还能获得操纵性能的小幅度提升。该设计方案中采用的技术措施也适用于无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的噪声优化设计，该技术措施推广应用后可快速促进泵喷推进技术的普及应用。

附图说明

图1是本发明实施例的前置定子周向非对称布置的泵喷水力模型三维几何形状；

图2是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷工作时所处的艇尾周向非均匀标称伴流；

图3是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷中前置定子叶片螺距角改变前与艇尾周向非均匀标称伴流之间的相对位置图；

图4是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷中前置定子叶片螺距角定义图；

图5是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷中定子叶片螺距角分布图；

图6是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷与基准周向对称布置的泵喷三维几何比较图；其中，浅色表示为基准周向对称布置的前置定子叶片，深色表示为周向非对称布置的泵喷前置定子叶片；

图7是本发明实施例前置定子周向非对称布置的泵喷水力模型设计流程图。

具体实施方式

下面通过图1～图7以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。

本发明设计的前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型设计方法的流程图如图7所示，

步骤S1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；

选型设计时，按照船舶喷水推进理论，由快速性要求确定泵喷叶栅通道的扬程、流量、出口面积、比转速和吸口比转速参数5个参数。

步骤S2，确定泵喷前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何；二维轴面投影几何包括叶片(定子叶片和叶轮叶片)导边和随边、叶梢和叶根截面、导管内、外壁面的轴面投影。

步骤S3，由步骤S1和步骤S2所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定定子、叶轮的三维几何形状；由步骤S1和步骤S2所得结果将导管的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到导管三维几何形状；

叶片(定子叶片和叶轮叶片)三维几何形状由水动力参数(叶片负载分布和出口环量分布)和几何参数(轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角)共同决定。叶片负载分布决定了叶截面压力系数沿弦长方向的分布，进而直接决定了其作功能力和抗空化性能；出口环量分布用于控制叶轮叶片沿跨距方向的作功能力和前置定子叶片内的二次流动，进而改善前置定子与叶轮间的相互作用流场，提高作功效率。前置定子叶片出口环量与叶轮叶片进口环量相等。叶面负载(叶面压力面和吸力面之间的压力差)与沿周向平均的环量rVt在轴面流线方向上的导数密切相关，数学模型为，

式中，ρ是海水的密度；r是叶轮叶片上任一截面半径；Vm是沿周向平均的轴面速度，等于流量与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；Vt是沿周向平均的切向速度分量，等于环量rVt值与轴面投影图中半径的比值，环量rVt值由扬程和转速决定，ηh为水力效率，设计时初始值取为0.92；p⁺、p^-分别是叶片压力面与吸力面的静压，两者差值等于叶片产生推力；B是叶片数，依据经验给定，如定子叶片12叶、叶轮叶片9叶或7叶；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同跨距处几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1。

在设计定子叶片和叶轮叶片三维几何形状时：定子叶片随边采用递增型环量分布、叶轮叶片导边采用二次方环量分布；定子叶片和叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。

步骤S4，采用计算流体力学方法计算步骤S3所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能和空化性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率、推进效率和空化性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤S2修改相应的二维轴面投影几何，并调整定子和叶轮在三元逆向设计过程中的叶片表面负载分布规律，重新设计定子和叶轮三维几何形状；

步骤S5，引入叶轮叶片大侧斜和尾纵倾特征：使叶轮叶片侧斜角大于相邻叶片之间夹角的一半，且叶轮叶片从叶根到叶梢截面，不同半径截面处导边向艇尾方向纵倾，纵倾距离按线性规律增加；

前置定子周向非对称布置的泵喷水力模型中叶轮叶片具有大侧斜和尾纵倾特征所指为：叶轮叶片侧斜角大于相邻叶片之间夹角的一半，本实施例中侧斜角取为30度，侧斜程度为75％。叶轮叶片从叶根到叶梢截面，侧斜角按给定规律增加，不同半径截面处的侧斜角数学表达式为：

其中，θsmax是叶梢截面侧斜角，用于描述叶轮叶片的侧斜角，本实施例中取为30度；rh是叶轮轮毂半径，R是叶轮半径，r是叶轮叶片上任一截面半径，θs是半径r截面处的侧斜角。叶轮叶片从叶根到叶梢截面，不同半径截面处导边向艇尾方向纵倾，纵倾距离按线性规律增加，本实施例中叶梢截面纵倾值与叶轮半径的比值为3/16。

步骤S6，采用计算流体力学方法计算步骤S5所得模型在设计航速、转速和伴流条件下大侧斜泵喷脉动推力系数并得到线谱噪声，判断泵喷线谱噪声是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤S5增加叶轮叶片侧斜和纵倾程度、增加定子和叶轮的轴向距离；

在评估泵喷辐射噪声降低量时可以采用泵喷脉动轴向推力系数参量，脉动推力系数计算采用非定常瞬态CFD计算方法。如脉动推力系数计算采用尺度适应模拟方法SAS或分离涡模拟方法DES或大涡模拟方法LES。优先采用SAS模拟，可在保证脉动力幅值预报精度的条件下有效缩短计算周期。

步骤S7按照定子叶片所在周向角度位置、叶轮旋向和幅值系数调整定子叶片的螺距角；

如图4所示，螺距角定义为叶截面弦长与周向方向的夹角；

定子叶片螺距角调整按正弦规律改变，螺距角变化幅值与叶片所在周向角度位置、叶轮旋向和幅值系数相关。优选变化规律为：

其中，α0是基准泵喷水力模型中定子叶片的螺距角，由定子三维几何的参数化三元逆向设计确定；A是幅值系数，取1到9之间的整数，单位为度；N是定子叶片的序列编号，取值为1到12之间的整数。相邻两片定子叶片之间的周向夹角为30度，系列编号为1的定子叶片位于15度角，序列编号为12的定子叶片位于345度角，定子叶片序列编号递增按顺时针方向完成，与叶轮右旋方向一致。N值不同描述了定子叶片所在定子轮毂周向角度位置的不同。叶轮右旋时，表达式为右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角减小，左旋空间内序列编号为7至12的定子叶片的螺距角增加；反之，叶轮左旋时，表达式为右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角增加，左旋空间序列编号为7至12的定子叶片的螺距角减小。

如图2所示，伴流中十字形非均匀流动区是艇体指挥台围壳和十字形尾翼的粘性尾流影响生成，伴流上方的两个“驼峰形”非均匀流动区是艇体指挥台围壳与主艇体接合部马蹄涡影响形成；

如图3所示，序列编号为1的定子叶片位于周向15度角，序列编号为12的定子叶片位于周向345度角，艇尾伴流中十字形非均匀流动区和“驼峰形”非均匀流动区均位于定子叶片通道内；

如图5所示，叶轮左旋时，左舷空间内的定子叶片螺距角相对于螺距角基准值减小，右舷空间内的定子叶片螺距角相对于螺距角基准值增加。

步骤S8，采用计算流体力学方法计算步骤S7所得模型在伴流条件下的推力系数并预报得到线谱噪声；

步骤S9，确定前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型。最终得出的模型如图1所示，其中，序列编号1至6的定子叶片位于右舷空间内，序列编号7至12的定子叶片位于左舷空间内，定子叶片序列编号对应于周向角度15度到345度的角度区间，相邻两定子叶片之间夹角为30度。如图6所示，基准周向对称布置模型和周向非对称布置的泵模型中的序列编号为1和7的定子叶片完全重合。

再如图1所示，本发明设计的前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型，包括导管5，所述导管5内设有同轴的叶轮和定子，所述定子前置，所述叶轮后置；所述叶轮包括叶轮叶片3和叶轮轮毂4，所述叶轮叶片3轴向对称固定于叶轮轮毂4；所述定子包括定子叶片1和定子轮毂2，所述定子叶片1固定于定子轮毂2且定子叶片1叶梢固定于导管5内壁面，两相邻的所述定子叶片1之间的夹角为30°(360°/12，本例中定子叶片的数量为12)，且定子叶片1螺距角按照下述公式进行调整：

式中：α0是基准泵喷水力模型中定子叶片的螺距角，由定子三维几何的参数化三元逆向设计确定；

A是幅值系数，取1到9之间的整数，单位为度；

N是定子叶片的序列编号，取值为1到12之间的整数，叶片序列编号递增按顺时针方向完成，与叶轮右旋方向一致，N值不同描述了叶片所在周向角度位置的不同。

泵喷的定子叶片采用周向非对称布置形式，每个定子叶片的螺距角都不一样。从艇尾向艇首方向看，每个定子叶片螺距角的改变由绕穿过定子轮毂轴线中心和该定子叶片叶根截面弦长中点的连线旋转一定的角度完成，该旋转角度量即为按正弦规律变化的螺距角变化量。螺距角变化量的正、负取值与叶片所在周向角度位置和叶轮叶片的旋转方向相关。定子叶片螺距角定义为定子叶片叶截面弦长与垂直于轴向方向的横切面之间形成的锐角。叶轮右旋时，右弦空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角减小，左舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角增加；反之，叶轮左弦时左舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角减小，右舷空间内的定子叶片螺距角相对于基准叶片螺距角增加。这种布置方式的直接影响是不仅可以减小泵喷工作时轴向脉动力幅值，以此来抑制泵喷线谱噪声峰值和减弱叶轮旋转方向对泵喷声指向性的影响程度，而且可以产生附加侧向力矩，有益于艇体操纵性能的提升。

优选的，所述定子叶片的叶数为12叶，所述叶轮叶片的叶数为9叶或7叶。这样，相邻两片定子叶片之间的周向夹角为30度，序列编号为1的定子叶片位于15度角，序列编号为12的定子叶片位于345度角，艇体指挥台围壳和上垂直稳定翼尾流从序列编号为1和序列编号为12的定子叶片之间的通道流过，定子叶片序列编号递增按顺时针方向完成，与叶轮右旋方向一致。叶轮右旋时，表达式为：右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角减小，左旋空间内序列编号为7至12的定子叶片的螺距角增加；反之，叶轮左旋时，表达式为右旋空间内序列编号为1至6的定子叶片的螺距角增加，左旋空间内序列编号为7至12的定子叶片的螺距角减小。

优选的，所述叶轮叶片3的叶梢截面与导管5内壁面之间设有叶顶间隙。本例中，所述叶顶间隙与叶轮直径的比值为3‰。

优选的，叶轮叶片3侧斜角大于相邻的叶轮叶片3之间夹角的一半；叶轮叶片3从叶根到叶梢截面，不同半径截面处导边向艇尾方向纵倾，纵倾距离按线性规律增加。

进一步优选的，叶轮叶片3从叶根到叶梢截面，侧斜角按给定规律增加，不同半径截面处的侧斜角数学表达式为：

其中，θsmax是叶梢截面侧斜角，用于描述叶轮叶片的侧斜角；rh是叶轮轮毂半径，R是叶轮半径，r是叶轮叶片上任一截面半径，θs是半径r截面处的侧斜角。

优选的，定子叶片和叶轮叶片均采用NACA 16翼型厚度分布。

优选的，所述导管5的内、外壁面的截面轮廓为翼型。