一种调制通气空泡流噪声预报方法

摘要

本发明公开了一种调制通气空泡流噪声预报方法，包括：在CFD软件中建立流域和空化器模型，对流域进行三维网格划分，设流体为恒密度湍流，采用CFD软件的分离流求解器对流体力学的控制方程进行求解；设定来流速度、重力和基准声压的初始条件；基于CFD软件的残差判断计算结果是否收敛，提取压力监测点、辐射声压级监测点和流场结果，分别对压力脉动监测点和辐射声压级监测点结果进行傅里叶变换，转换成对应的声压级频域谱，从而获得湍流边界层脉动压力噪声结果和远场辐射噪声结果，通过对压力、速度、涡量的流场特性进行分析获得调制通气对空泡长度、空泡闭合形式、辐射噪声的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及海下航行分析技术领域，尤其涉及一种调制通气空泡流噪声预报方法。

背景技术

在高速水流的低压区域，液体压力低于饱和蒸汽压而急剧汽化产生的气泡称为空泡。当空泡大到一定程度将航行体完全覆盖时称为超空泡。超空泡航行体尾部空泡闭合区破碎后形成大量小空泡，这些小空泡的溃灭会极大地辐射噪声。传统水下超空泡航行体通过人工通气空化的方法形成超空泡，由于通气空泡覆盖的绕流体近壁区内存在多相流、湍流、非定常等复杂的流动机制以及空化噪声的高度非线性，用数值模拟的方法准确计算通气空泡流噪声一直是一个技术难点。

根据空化器通气速率的不同，空腔闭合形式存在自由空气射流、回射流、双涡流和脉动四种形式，其中脉动超空泡辐射噪声远大于另外三种，目前现有技术对通气空泡流噪声进行预报，采用的是设定通气率是一个不随时间变化的恒定值，这样一般得到的空腔闭合形式是脉动的，导致得到的噪声结果偏大。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种调制通气空泡流噪声预报方法，具体包括

在CFD软件中建立流域和空化器模型，流域来流成分设置为水，将空化器模型前端到流域入口的区域设为来流段、空化器后端到流域出口的区域设为去流段，将空化器置于流域的中心位置，用水翼作为支柱设置于空化器底部，空化器模型轴线与来流方向保持平行；

对流域进行三维网格划分，将水翼周围以及空化器选定区域进行网格加密处理，并对整个空化器周围进行加密，其中空化器周围加密区域为空化器直径D的二倍；

设流体为恒密度湍流，采用CFD软件的分离流求解器对流体力学的控制方程进行求解，时间尺度为隐式非定常，选用大涡模拟进行流动计算，并选用WALE亚网格尺度模型计算亚网格尺度粘度μt；

设定来流速度、重力和基准声压的初始条件，分别设置空腔内压力脉动监测点和辐射声压级监测点并在空化器模型的截面处设置平面截面以监测整个流场压力、速度、涡量结果，设置足够长计算时间，观察空泡变化至其稳定周期；

基于CFD软件的残差初步判断上述监测结果是否收敛，当连续体、X方向动量、Y方向动量、Z方向动量都满足残差条件时则判断计算结果收敛；若某一项不满足残差条件则判断计算结果发散，此时重新优化计算模型；

提取空腔内压力监测点、辐射声压级监测点和流场结果，分别对压力脉动监测点和辐射声压级监测点结果进行傅里叶变换，转换成对应的声压级频域谱，从而获得湍流边界层脉动压力噪声结果和远场辐射噪声结果，通过对压力、速度、涡量的流场特性进行分析获得调制通气对空泡长度、空泡闭合形式、辐射噪声的影响。

进一步的，选择流体域体积(VOF)多相模型和Schnerr-Sauer空化模型对通气空化进行计算，设通气成分为空气，空化器模型通气孔输入随时间正弦变换的通气率Q，设定空化器模型通气孔初始通气率为Q

Q＝Q

通过调制通风频率对空泡脉动进行抑制，进而降低空泡流噪声。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种调制通气空泡流噪声预报方法，该方法通过数值仿真的手段分析超空泡航行体的空泡形态及流场特性，深入研究通气空化湍流压力脉动噪声和辐射噪声，并通过调制通气频率的方法改善空泡噪声，能够为通气空化领域内流噪声预报提供理论和技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的调制通气空泡流噪声预报方法的流程图。

图2是本发明的空化器模型示意图。

图3是本发明的压力脉动声压级和辐射声压级监测点示意图。

图4是本发明的调制通气空泡示意图。

图5是本发明的脉动压力声压级频域谱。

图6是本发明的辐射声压级频域谱。

1、空话器模型，2、支柱。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种调制通气空泡流噪声预报方法，具体步骤为：

在CFD软件中，建立流域和空化器模型1，将空化器模型前端到流域入口的区域设为来流段、空化器后端到流域出口的区域设为去流段，将空化器置于流域的中心位置，用水翼作为支柱2置于空化器底部，空化器轴线与来流方向保持平行；

对流域进行三维网格划分，将水翼周围以及空化器选定区域进行网格加密处理，并对整个空化器周围进行加密，其中加密区域为空化器直径D的二倍；

设流体为恒密度湍流，采用CFD软件的分离流求解器对流体力学的控制方程进行求解，时间尺度为隐式非定常，选用大涡模拟进行流动计算，并选用WALE亚网格尺度模型计算亚网格尺度粘度μ

设定来流速度、重力、基准声压等初始条件，分别设置压力脉动监测点和辐射声压级监测点，并在空化器模型中截面处设置平面截面以监测整个流场压力、速度、涡量结果，观察空泡变化至其稳定周期；

基于CFD软件的残差判断计算结果是否收敛，当连续体、X方向动量、Y方向动量、Z方向动量都满足残差条件时视为计算结果收敛；若某一项不满足残差条件则视为计算结果发散，此时重新优化计算模型。

提取压力监测点、辐射声压级监测点和流场结果，分别对压力脉动监测点和辐射声压级监测点结果进行傅里叶变换，转换成对应的声压级频域谱，即得到湍流边界层脉动压力噪声结果和远场辐射噪声结果；通过对压力、速度、涡量的流场特性进行分析得到调制通气对空泡长度、空泡闭合形式、辐射噪声的影响。

本发明通过调节通气频率的方法改善空腔闭合形式，进而降低空泡流噪声并对噪声进行预报。

实施例：

1、建立三维模型和流域。模型由空化器和支柱组成，空化器轴线方向与来流方向平行，流域为一完全包裹模型结构的圆柱体区域。空化器中轴线高度为150mm，长度为145mm，直径为30mm。空化器尾部均匀分布六个直径为2.5mm的通气孔。流域直径为10倍空化器直径。模型如图2所示。

2、划分三维流域网格。对流域和结构接触的部位以及尾迹存在空泡的部位进行网格加密以精确捕捉流场特性和空泡形态的变化，对空化器通气入口附近进行更细致的网格加密以保证较小的库朗数和Y+值。

3、CFD设置和初始条件设置。本发明分别选用大涡模拟进行数值求解、SS空化模型以及FW-H声学类比方程计算辐射声压级；空化器通气孔通入随时间正弦变化的通气率。

设置流域入口为速度入口，流域出口为压力出口，流域其他表面设置为对称平面，空化器表面和支柱表面设置为壁面。设定来流方向为X正方向，大小为3m/s，来流流体成分为水；重力方向为Z负方向。

空化器通气孔输入随时间正弦变换的通气率，设定空化器通气孔初始通气率为Q

Q＝Q

给定参考压力以保证一定的空化数。在模型的中截面处设置。在空化器轴线上、距离尾部150mm处设置压力脉动声压级监测点和辐射声压级监测点，分别对涡激噪声和辐射噪声进行监测。监测点位置如图3所示。

4、检验计算收敛性。本发明根据CFD软件的残差判断计算结果是否收敛。当连续体、X方向动量、Y方向动量、Z方向动量都满足残差条件时视为计算结果收敛；若某一项不满足残差条件则视为计算结果发散，此时应返回步骤1重新优化模型。

5、分析计算结果。在随时间正弦变化的通气率作用下，空泡形态和空泡闭合形式会呈现周期性的变化。设置足够长的计算时长以保证具有足够数量的通气周期，通气空泡如图4所示。提取计算的压力云图、速度云图、涡量云图，分析流场特性和空泡形态的变化，其中压力较大和涡量较大处易形成压力脉动噪声源。通过傅里叶变化可以得到压力脉动声压级的频域谱，如图5所示；辐射声压级的频域谱可直接由监测点测得，如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。