CN103714246B - 组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，建立目标组合式推进器几何模型、流体网格模型和流体动力学分析模型，依次进行稳态无空化湍流求解、稳态有空化湍流求解、瞬态有空化湍流求解，直至求解出减小迭代时间步之后各个时间步的有空化多相湍流，并与所建立的声学边界元网格一起计算出空化噪声。在本发明的各个计算步骤之后均设有与之相适应的校验步骤，且空化初生状态判定三条准则的技术方案也是本发明首创。本发明能保证对转桨和泵喷在800Hz以上频段三分之一倍频程中心频率处谱级的预报误差小于3分贝、总声级预报误差小于4分贝，可用于预报鱼雷或者是潜艇的空化初始航速，直接服务于新型高速、低噪声鱼雷和潜艇方案设计。

Description

组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法

技术领域

本发明涉及一种推进器空化辐射噪声的预报方法，尤其是涉及以对转螺旋桨和泵喷射推进器为代表的组合式推进器在空化初生状态下的宽带谱噪声的预报方法。

背景技术

对转螺旋桨(简称对转桨)是现有电动力鱼雷的主要推进器，由同轴、反向旋转的前螺旋桨(简称前桨)和后螺旋桨(简称后桨)组成。通常，后桨为了避开前桨的梢涡脱落与其桨叶导边相互作用辐射发声，直径要比前桨小，且叶片数要少。泵喷射推进器(简称泵喷)是现有热动力鱼雷和核潜艇推进的主要推进器，由环状导管、转子和定子组成。导管是剖面为翼型的环状结构，同时包围转子和定子，且通常对应为渐扩式导管，使流经转子的水流减速以延迟空化(泡)产生。定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，在轴向位置上可位于转子前方或后方。位于前方时，称为前置定子式泵喷，通常用于潜艇推进；位于后方时，称为后置定子式泵喷，通常用于鱼雷推进。对转螺旋桨和泵喷射推进器可统称为组合式推进器。

随着转速不断增加，螺旋桨各类空化通常表现为：从无空化到出现梢涡空化、片空化、再到发展了的片空化和泡空化。一旦螺旋桨产生空化，空化噪声将成为舰艇最主要的噪声源([1]Ross.Mechanics of Underwater Noise(水下噪声原理).New York:PergamonPress,1976.)。因此，对螺旋桨空化初生时机的判定和空化初生后辐射噪声大小的衡量就成为了舰艇声隐身性能的重要指标。螺旋桨空化初生通常特指梢涡空化初生。当桨叶(或转子)和导管间存在叶顶间隙时，通常首先对应为叶梢泄露涡空化初生，如泵喷空化初生。目前，对推进器(多指螺旋桨)空化水动力性能和空化噪声性能的评价还主要依赖于模型尺度的空泡筒(或循环水槽)试验测量。空化噪声测量在空化试验的基础上完成，测得总的噪声谱源级曲线后需要扣除背景噪声。试验测量存在的主要问题是：含气量或者是液体中的非凝结性气核对空化初生存在显著的影响([2]ITTC.Cavitation Committee Report(空化专家委员会报告).18th International Towing Tank Conference,Kobe,Japan,1987.)，且空化初生时机的判定在很大程度上与观察人员的经验有关，所以空化试验经常表现出难以重复性和与试验场地密切相关的特点。并且，因空化初生存在显著的尺度效应([3]SzantyrJ A.Scale Effects in Cavitation Experiments with Marine Propeller Models(船舶模型尺度螺旋桨空化试验中的尺度效应).Polish Maritime Research,2006,4:3-10.)，使得模型尺度的空化和噪声测量结果在由经验相似公式放大到实尺度时会存在很大的不确定性，并且只适用于充分发展了的片空化[2]，而对于实尺度下的推进器空化初生辐射噪声来说，目前国内外尚极少见到可信的测量和预报结果，在组合式推进器方面就更为少见。

在采用计算流体力学方法(CFD)预报推进器空化和空化噪声的学术文献方面，目前主要集中于螺旋桨片空化，尤其是片空化辐射噪声，并且主要是针对模型尺度螺旋桨([4]Seol H,Cheolsoo P.Numerical and Experimental Study on the MarinePropeller Noise(船舶螺旋桨噪声的数值和试验研究).19th International Congresson Acoustics,Madrid,2007.[5]Testa C,Acoustic Formulations for Aeronauticaland Naval Rotorcraft Noise Prediction based on the Ffowcs Willians andHawkings Equation(基于FW-H方程的航空和船舶螺旋桨噪声预报声学公式).Netherlands:Delft University of Technology,2008.[6]YANG Qiongfang,WANGYongsheng,ZHANG Minming.Propeller Cavitation Viscous Simulation and LowFrequency Noise Prediction with Non-uniform Inflow(非均匀进流条件下螺旋桨空化粘性模拟和低频噪声预报)。Chinese Journal of Acoustics,2013,32(2):1-19.)，这对于获取舰艇或者是鱼雷空化初始航速(也称为安静航速、临界航速)性能指标来说存在较大的滞后性，难以直接促进新型高速、低噪声推进器的设计研发。在有关推进器空化噪声的预报方法方面，尚未检索到相关中国专利。中国发明专利(申请号：200910073352.9，公开号：CN101813568)所公开的《采用计算机程序确定空化初生的判定方法》，由实测时域水声信号中峰峰值随空化数的变化趋势来判定水轮机的空化初生，也难以应用到船后或者是雷尾推进器的空化初生判定上。

船舶螺旋桨空泡筒试验表明([1],[4])：螺旋桨空化噪声谱既包含有突出的低频线谱，同时也具有显著的宽带谱(或者称为连续谱)特征。中国船舶研究中心研究得出因受壁面混响和背景噪声影响，当前国内空泡筒在测量推进器空化噪声信号时，最低有效频率只能达到600Hz左右，使得空化低频线谱难以准确分离和定位，也就无法为推进器低频线谱噪声预报提供可信的校验数据，进而直接导致了难以准确评估当前的线谱噪声预报方法的可信性。

发明内容

本发明为了解决组合式推进器在空化初生状态下的噪声预报问题，提供了一种组合式推进器空化初生状态下宽带谱噪声的可信数值预报方法，能够从辐射噪声变化量的角度准确判定鱼雷或者是潜艇的空化初生航速。

为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为1.组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，包括如下步骤：1)建立组合式推进器的三维几何模型、流体网格模型，设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，并进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤3)，若否，则回到步骤1)重新构建所述流体网格模型；3)以所述稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤4)，若否，则回到步骤1)重新设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；4)以所述稳态求解的空化初生状态下有空化多相流湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断其中的脉动推力和脉动力矩是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤5)，若无，则重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流；5)减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；6)依据流体网格模型建立组合式推进器的声学边界元网格；7)依据步骤5)瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和步骤6)的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。

较佳地，所述步骤1)的具体步骤为：11)依据目标组合式推进器的几何型值建立组合式推进器的三维几何模型；12)依据组合式推进器的三维几何模型对组合式推进器所在的旋转域以及外围的静止流体域进行流体网格离散，建立流体网格模型；所述流体网格模型为全六面体结构化网格或混合网格模型；13)设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；

较佳地，步骤2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流时，湍流模型采用二方程剪切应力输运涡粘模型SST或者雷诺应力模型RSM。

较佳地，步骤3)稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时，空化模型采用改进型Sauer模型、Zwart模型或Sauer模型。

较佳地，步骤3)判断所述稳态求解的组合式推进器有空化多相流湍流是否处于空化初生状态的方法是：分析求解结果是否同时符合以下三个条件：①推进器积分力相对于无空化状态不变，②桨叶0.9倍半径截面或者转子0.9倍跨距截面处压力系数分布相对于无空化状态不变，③空化面积相对于桨叶或者是转子盘面面积的比值小于2％，若是，则判断为处于空化初生状态，若否，则判断为未产生空化或处于完全空化状态。

较佳地，步骤4)瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时采用尺度适应模拟SAS、分离涡模拟DES或大涡模拟LES方法，求解时间为组合式推进器旋转至少一周的时间。

较佳地，步骤5)是以瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流的最后一个时间步结果为初值，减小迭代时间步至满足有效分析频率，瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；总的所述迭代时间为组合式推进器旋转N周的时间，所述N为大于1的整数；所述瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流包括壁面压力、法向速度分布的结果文件和网格节点文件。

较佳地，步骤6)中所述声学边界元网格的密度要求为最小声波长范围内至少包含8个所述声学边界元网格。

较佳地，步骤7)中所述组合式推进器的空化噪声包括组合式推进器壁面在特征频率下的噪声源强分布、空间测点的声压谱曲线、总声压级以及指向性分布。

较佳地，所述组合式推进器为对转螺旋桨或泵喷射推进器。

本发明的组合式推进器在空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，由空化多相流分离涡或尺度适应模拟与边界元声学数值计算分步耦合完成。通过建立目标组合式推进器几何模型、流体网格模型和流体动力学分析模型，依次对其进行稳态无空化湍流求解、稳态有空化湍流求解、瞬态有空化湍流求解，直至求解出减小迭代时间步之后各个时间步的有空化多相湍流，并与所建立的声学边界元格网格一起计算出空化噪声。空化多相流模拟时空化模型优先采用的是改进Sauer模型，噪声传播计算时采用的是直接声学边界元方法。

在本发明的各个计算步骤之后均设有与之相适应的校验步骤包括网格灵敏度分析、空化初生状态的判断以及特征谱曲线分析，以上的分析校验步骤能够保证发明预报的准确性，且空化初生状态判定三条准则的技术方案也是本发明首创。

经实践证明能够保证模型尺度或者是实尺度的对转桨和泵喷在800Hz以上频段三分之一倍频程中心频率处谱级的预报误差小于3分贝、总声级预报误差小于4分贝，可用于预报鱼雷或者是潜艇的空化初始航速(临界航速)，直接服务于新型高速、低噪声鱼雷和潜艇的方案设计。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1是本发明实施例的组合式推进器空化噪声预报流程图；

图2是本发明实施例组合式推进器采用对转桨前桨的全六面体结构化流体网格模型CFD网格分布的示意图；

图3是本发明实施例组合式推进器采用泵喷射推进器的叶轮叶片的全六面体结构化流体网格模型CFD网格分布的示意图；

图4是本发明实施例组合式推进器采用泵喷射推进器的叶顶间隙内网格布置图；

图5是本发明实施例对组合式推进器的转桨空化初生状态下宽带谱噪声预报值与试验测量值之间的误差值，其中f代表三分之一倍频程中心频率，ΔSL代表谱级预报值与测量值之间的分贝偏差量。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

步骤S1，依据目标组合式推进器的几何型值建立组合式推进器的三维几何模型。组合式推进器为对转螺旋桨(简称对转桨)或者是泵喷射推进器(简称泵喷)。依据设计图纸中的几何型值，使用UG软件，准确建立组合式推进器的组合式推进器的三维片体几何模型。另外，还可以采用如Pro/ENGINEER、CATIA或SolidWorks等三维CAD软件。在生成片体的过程中叶片导边、随边和叶梢部位几何应严格与图纸一致，应做到准确刻画叶梢几何，不能以切割后的叶梢截面来代替真实叶梢。

步骤S2，依据组合式推进器的三维几何模型对组合式推进器所在的旋转域以及外围的静止流体域进行流体网格离散，建立流体网格模型。将组合式推进器的几何模型导入计算流体力学分析用的专用网格划分软件ANSYS ICEM，对组合式推进器所在的旋转域以及外围的静止流体域进行流体网格离散，构建流体网格模型，也即水动力模型。本实施例采用全六面体结构化网格。实际应用中还可以采用四面体与三棱柱网格相结合的非结构化混合网格模型。在网格质量控制上应满足网格最小正则度大于0.2、最小扭曲角大于5度，第一层网格节点厚度应使得采用修正壁面函数后的壁面Yplus值分布小于80。

图2所示为组合式推进器采用对转桨前桨的全六面体结构化流体网格模型CFD网格分布的示意图，图3所示为组合式推进器采用泵喷射推进器的叶轮叶片的全六面体结构化流体网格模型CFD网格分布的示意图，如图2和图3所示单个叶片通道的网格节点数应大于50万，应着重对叶片导边区1、随边区2和叶尖部位3进行局部加密处理，叶片表面网格疏密分布效果应与实际流动特征一致；如图4所示泵喷射推进器叶轮叶顶间隙4应至少布置15层网格节点。

步骤S3，设定组合式推进器湍流求解时的物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型。结合组合式推进器的空化噪声试验测量工况或者是实际运行工况，设置与试验或实际工况对应的物理边界条件，建立基于Navier-Stokes方程的对组合式推进器的全通道计算流体动力学分析模型。边界条件参数包括转速n、来流速度或者是实际航速Vs、基于来流速度的空泡数σ或者是基于转速的空泡数σn、设备压力P1、汽化压力Psat、水温。

步骤S4，稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，采用雷诺时均模拟方法稳态求解无空化NS方程，并进行网格灵敏度分析。本实施例在进行稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流时湍流模型选用如公式(1)和公式(2)的剪切应力输运二方程涡粘模型SST，

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}k\right)}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρ}Uk\right)=\▿\·\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\▿k\]+P_k-{\mathrm{\β}}^{\′}\mathrm{\ρ}k\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\mathrm{\ω}\right)}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρ}U\mathrm{\ω}\right)=\▿\·\[\left(\mathrm{\μ}\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}}\right)\▿\mathrm{\ω}\]+{\mathrm{\α\ρP}}_k-{\mathrm{\β\ρ\ω}}^2\\ +(1-F_1)\frac{2{\mathrm{\ρ\σ}}_{\mathrm{\ω}2}}{\mathrm{\ω}}\▿k\▿\mathrm{\ω}\end{array}---\left(2\right)$

其中，ρ为流体密度，k和ω分别为流体湍动能和湍流涡频率，U为速度矢量，t为时间，μ为流体粘度，μ_t为湍流粘度，P_k为湍流源项，β'＝0.09，F₁为过渡因子，当F₁＝1时对应为ω方程，当F₁＝0对应为ε方程。两种情况下常系数分别表示为σ_k＝1,α＝0.44,σ_ω＝0.856,β＝0.0828和σ_k＝2,α＝5/9,σ_ω＝2,β＝0.075。F₁＝0表示所求解网格节点位于自由流动区，而F₁＝1表示采用低雷诺数公式求解近壁面流动。

另外，在进行稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流时还可以采用如公式(3)的雷诺应力方程模型RSM；

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\mathrm{\ω}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρU}}_k\mathrm{\ω}\right)}{\∂x_k}=\frac{\∂}{\∂x_k}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{\mathrm{\σ}})\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂x_k}\]+{\mathrm{\α\ρP}}_k\frac{\mathrm{\ω}}{k}-{\mathrm{\β\ρ\ω}}^2+P_{\mathrm{\ω}b}---\left(3\right)$

其中，α＝5/9，β＝0.075，σ＝2，P_ωb为浮力产生的湍流源项。

迭代收敛应满足压力和速度分量的计算残差下降3个量级以上，且积分力(推力T和力矩Q)的波动范围小于3％。

步骤S5，对步骤S4稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤S6，若否，则回到步骤S2重新建立流体网格模型。判断网格密度是否达到无关性要求是依据步骤S4所求解的组合式推进器的多相流无空化湍流结果中组合式推进器积分力和叶片压力系数分布的不确定度来进行的。

步骤S6，以经步骤S5校验之后的稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，激活空化模型，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流。

进行稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时，湍流模型采用如公式(2)的SST二方程模型，空化模型采用如公式(4)的改进型Sauer空化模型：

其中，和分别代表了水蒸汽蒸发(气泡生长)和凝结(气泡溃灭)过程，蒸发和凝结系数分别取C_prod＝50和C_dest＝0.01，气泡平均初始半径R_B＝1.5μm，α_v和ρ_v分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρ_l表示水的密度，p表示流体压力，p_v表示相变临界压力，计算时取值如公式(5)：

$p_v=p_{sat}+\frac{1}{2}\left(0.39{\mathrm{\ρ}}_{m}k\right)---\left(5\right),$

其中，p_sat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，ρ_m表示混合流体密度，计算时取值如公式(6)：

${\mathrm{\ρ}}_m=({\mathrm{\α}}_v{\mathrm{\ρ}}_v+(1-{\mathrm{\α}}_v-{\mathrm{\α}}_g\left){\mathrm{\ρ}}_l\right)/(1-f_g)---\left(6\right),$

其中，α_g和f_g分别表示非凝结性气核NCG的体积分数和质量分数，取值为α_g＝7.8×10^-4和f_g＝1.0×10^-6。对于由水、水蒸汽和NCG组成的三相混合流体来说，每一相的体积分数和质量分数均满足关系式其中，当i＝1时，α_i表示水的体积分数、ρ_i表示水的密度、f_i表示水的质量分数；当i＝2时，α_i表示水蒸气的体积分数、ρ_i表示水蒸气的密度、f_i表示水蒸气的质量分数；当i＝3时，α_i表示NCG的体积分数、ρ_i表示NCG的密度、f_i表示NCG的质量分数。

另外，进行稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时，空化模型还可以采用如公式(7)的Zwart模型

$\stackrel{\&CenterDot;}{m}=\{\begin{array}{ccc}-F_e\frac{3r_{nuc}(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{p_v-p}{{\mathrm{\&rho;}}_l}},& if& p<p_v\\ F_c\frac{3{\mathrm{\&alpha;\&rho;}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{p-p_v}{{\mathrm{\&rho;}}_l}},& if& p>p_v\end{array}---\left(7\right)$

其中，r_nuc为气核体积分数，R_B为气核半径，参数取值为r_nuc＝5.0×10^-4,R_B＝2.0×10^-6,F_e＝50,F_c＝0.01。混合密度ρ＝ρ＝α_vρ_v+(1-α_v)ρ_l。

进行稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时还可以采用如公式(8)的Sauer模型

$\stackrel{\&CenterDot;}{m}=-{\mathrm{\&rho;}}_v(1-\mathrm{\&alpha;})\frac{3\mathrm{\&alpha;}}{R_b}sign(p-p_v)\sqrt{\frac{2}{3}\frac{\left|p-p_v\right|}{{\mathrm{\&rho;}}_l}}---\left(8\right)$

其中， n₀为常数。

步骤S7，对步骤S6稳态求解的组合式推进器的有空化多相流湍流进行分析判断得出是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤S8，若否，则回到步骤S3重新设定物理边界条件，也即回到步骤S3改变原来所设定的物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型。

具体是否处于空化初生状态的分析判断方法如下：将步骤S6稳态求解的组合式推进器的有空化多相流湍流与经步骤S5校验的稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流进行比较分析，看是否同时符合以下三个条件：①推进器积分力相对于无空化状态不变，②桨叶0.9倍半径截面或者转子0.9倍跨距截面处压力系数分布相对于无空化状态不变，③空化面积相对于桨叶或者是转子盘面面积的比值小于2％；若是，则判断处于空化初生状态，若否，则判断为未产生空化或处于完全空化状态，即不是处于空化初生状态。

此处的积分力、压力系数和空化面积在公式(4)中求解完成后依据压力p和水蒸汽体积分数α_v得出。

这里空化初生状态对应的组合式推进器的转速、来流速度和空化数参数也可以由空泡筒试验直接得出。

步骤S8，以经步骤S7校验过的稳态求解的空化初生状态下有空化多相湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相湍流，求解时的迭代时间对应为组合式推进器叶片旋转2度的时间。在对转桨前桨和后桨之间的轴向区域或者是泵喷转子和定子之间的轴向区域、以及桨盘面径向区域布置有限个特征压力监控点，并取每步迭代求解时的积分力和特征监控点的压力作为输出监控量。

本实施例在进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相湍流时采用如公式(9)尺度适应模拟SAS，尺度适应模拟SAS是非定常雷诺时均模拟(URANS)的一种改进，能够更好地求解非定常流动的湍流谱。不论是无空化还是有空化多相流湍流，都同时包含有定常流动区和非定常流动区。SAS模拟中冯卡门长度尺度被引入到湍流尺度方程中，从而使得在非定常流动区能够动态调整为像大涡模拟LES一样求解湍流结构，而在定常流动区仍然采用URANS求解。相对于URANS-SST模型，SAS-SST模型的控制方程是通过在湍流涡频率ω的输运方程中增加源项Q_SAS来实现。

其中，σ＝2/3,C＝2,κ＝0.41。L为湍流长度尺度，L_vK为冯卡门长度尺度，S为应变。

另外，在进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相湍流时还可以采用如公式(10)的分离涡模拟DES，分离涡模拟DES是将URANS和LES相结合进行求解的一种方法，由URANS求解边界层流和LES模拟流动大量分离区的流动。当URANS模型求解得到的湍流长度尺度大于局部网格尺度时，转换为LES模型求解。此时，湍动能k输运方程耗散项中的湍流长度尺度为β'＝0.09，将其转换为DES长度尺度表达式Δ为局部网格尺度，即当L＜0.61Δ时，由RANS模型求解；当L≥0.61Δ时，由LES模型求解。为了避免因局部网格尺度小于边界层厚度而引起流动强迫分离的失真现象，DES-SST模拟时将SST模型的混合函数作进一步修正。

$F_{DES}=max\left(\frac{L}{0.61\mathrm{\&Delta;}}\right(1-F_2),1)---\left(10\right)$

其中，μ是流体粘度，Δy是网格节点壁面距离。分离涡模拟DES与尺度适应模拟SAS的本质区别在于转换为LES求解时对局部网格尺度的依赖性更强，属于刚性转换，且转换过程由混合函数来实现。

另外，在进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相湍流时还可以采用如公式(11)的大涡模拟LES方法

$\frac{\&part;{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_i}{\&part;t}+\frac{\&part;\left({\stackrel{\&OverBar;}{U}}_i{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_j\right)}{\&part;x_j}=\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;v(\frac{\&part;{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_i}{\&part;x_j}+\frac{\&part;{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_j}{\&part;x_i})\&rsqb;-\frac{1}{\mathrm{\&rho;}}\frac{\&part;\stackrel{\&OverBar;}{p}}{\&part;x_i}-\frac{\&part;{\mathrm{\&tau;}}_{ij}}{\&part;x_j}---\left(11\right)$

其中，τ_ij为亚格子应力模型。

步骤S9，判断瞬态求解的组合式推进器的有空化多相流湍流是否具有组合式推进器的特征谱曲线。分析上述所求解结果中所包含的脉动推力、脉动力矩和脉动压力谱的时、频域特征，判断是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤S10，若无，则回到步骤S8重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流。

此处的脉动推力、脉动力矩也即步骤S8中的积分力，脉动压力谱也即步骤S8中的监控点压力随时间的变化曲线。

步骤S10，减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；

以瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流的最后一个时间步结果为初值，减小迭代时间步Δt至满足有效截止频率f_max(f_max＝1/(2Δt))，瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流。

瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流，包括壁面压力、法向速度分布和网格节点信息的结果文件cgns。

总的所述迭代时间可以为N，N为任何大于1的整数。因对应为初生空化(泡)运行工况，此时推进器叶片表面绝大部分区域仍为无空化状态。

步骤S11，建立组合式推进器的声学边界元网格。在步骤S2所建立的流体网格模型CFD的基础上，构建组合式推进器壁面的声学边界元网格。声边界元网格相对于壁面流场CFD网格而言，密度上可适当稀化处理，本实施例满足一个最小声波长范围内至少有八个声学网格的密度要求。还可以直接由最后一个时间步的壁面网格直接生成声学边界元网格。

步骤S12，依据步骤S10瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和步骤S11的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。首先进行声源脉动压力守恒插值传递并进行时频转换，然后利用LMS Virtual Lab软件中的Acoustics模块，完成组合式推进器的声学边界元计算，利用公式(6)求解推进器壁面在特征频率下的噪声源强分布和空间测点的声压谱曲线、总声压级以及指向性结果分布。

声学边界元求解时，任意形状封闭体在测点r处的远场声压，在满足亥姆赫兹声学方程和Sommerfeld声辐射边界条件下由壁面脉动压力分布唯一决定。

$p\left(r\right)=\underset{{\mathrm{\&Omega;}}_a}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&mu;}\right(r_a)\&CenterDot;\frac{\&part;G(r,r_a)}{\&part;n}-\mathrm{\&sigma;}(r_a\left)G\right(\stackrel{\&RightArrow;}{r},{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}_a\left)\right)d\mathrm{\&Omega;}\left(r_a\right)---\left(12\right)$

其中，是壁面两边的压力梯度差，是壁面两边的压力差，r_a是声源所在位置，G(r,r_a)是声格林函数，n是壁面法向方向。

步骤S13，分析步骤S12的声压谱曲线和指向性结果，解释谱曲线中特征谱线的物理意义。分析特征谱曲线和指向性结果的声场特征以及与脉动声源之间的关联，首先依据经验分析声压谱曲线和指向性结果是否存在异常，若是则属于异常，重复步骤S11和步骤S12，优先调整声边界元网格密度，直至满足噪声源主要贡献部位与谱曲线特征对应时为止，完成预报。经过经验分析之后还可与现有的实测数据对比，进行校验。以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立组合式推进器的三维几何模型、流体网格模型，设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；

2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流，并进行网格灵敏度分析，判断网格密度是否达到无关性要求，若是，则进入步骤3)，若否，则回到所述步骤1)重新构建所述流体网格模型；

3)以所述稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流为初值，稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断是否处于空化初生状态，若是，则进入步骤4)，若否，则回到所述步骤1)重新设定物理边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型；

4)以所述稳态求解的空化初生状态下有空化多相流湍流结果为初值，瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流，并判断其中的脉动推力和脉动力矩是否具有组合式推进器的特征谱曲线，若有，则进入步骤5)，若无，则重新进行瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流；

5)减小迭代时间步至有效分析频率，继续瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；

6)依据所述流体网格模型建立组合式推进器的声学边界元网格；

7)依据所述步骤5)瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流和所述步骤6)的所述声学边界元网格求解组合式推进器的空化噪声。

2.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤为：11)依据目标组合式推进器的几何型值建立组合式推进器的三维几何模型；12)依据组合式推进器的三维几何模型对组合式推进器所在的旋转域以及外围的静止流体域进行流体网格离散，建立流体网格模型；所述流体网格模型为全六面体结构化网格或混合网格模型；13)设定物理 边界条件，建立组合式推进器全通道流体动力学分析模型。

3.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤2)稳态求解组合式推进器的多相流无空化湍流时，湍流模型采用二方程剪切应力输运涡粘模型SST或雷诺应力模型RSM。

4.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤3)稳态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时，空化模型采用改进型Sauer模型、Zwart模型或Sauer模型；所述改进型Sauer模型采用如下公式：

其中，和分别代表了水蒸汽蒸发和凝结过程，蒸发和凝结系数分别取C_prod＝50和C_dest＝0.01，气泡平均初始半径R_B＝1.5μm，α_v和ρ_v分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρ_l表示水的密度，p表示流体压力，

p_v表示相变临界压力，计算时取值采用公式：其中，p_sat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，

ρ_m表示混合流体密度，计算时取值采用公式：ρ_m＝(α_vρ_v+(1-α_v-α_g)ρ_l)/(1-f_g)，其中，α_g和f_g分别表示非凝结性气核NCG的体积分数和质量分数，取值为α_g＝7.8×10^-4和f_g＝1.0×10^-6，对于由水、水蒸汽和NCG组成的三相混合流体来说，每一相的体积分数和质量分数均满足关系式其中，当i＝1时，α_i表示水的体积分数、ρ_i表示水的密度、f_i表示水的质量分数；当i＝2时，α_i表示水蒸气的体积 分数、ρ_i表示水蒸气的密度、f_i表示水蒸气的质量分数；当i＝3时，α_i表示NCG的体积分数、ρ_i表示NCG的密度、f_i表示NCG的质量分数。

5.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤3)判断所述稳态求解的组合式推进器有空化多相流湍流是否处于空化初生状态的方法是：将所述步骤3)稳态求解的组合式推进器的有空化多相流湍流与所述步骤2)经校验的稳态求解的组合式推进器的多相流无空化湍流进行比较分析，看是否同时符合以下三个条件：①推进器积分力相对于无空化状态不变，②桨叶0.9倍半径截面或者转子0.9倍跨距截面处压力系数分布相对于无空化状态不变，③空化面积相对于桨叶或者是转子盘面面积的比值小于2％，若是，则判断为处于空化初生状态，若否，则判断为未产生空化或处于完全空化状态。

6.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤4)瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流时采用尺度适应模拟SAS、分离涡模拟DES或大涡模拟LES方法，求解时间为组合式推进器旋转至少一周的时间。

7.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤5)是以瞬态求解组合式推进器的有空化多相流湍流的最后一个时间步结果为初值，减小迭代时间步至满足有效分析频率，瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流；总的所述迭代时间为组合式推进器旋转N周的时间，所述N为大于1的整数；所述瞬态求解组合式推进器各个时间步的有空化多相流湍流包括壁面压力、法向速度分布和网格节点信息的结果文件。

8.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述步骤6)中所述声学边界元网格的密度要求为最小声波长范围内至少包含8个所述声学边界元网格。

9.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱 噪声预报方法，其特征在于：所述步骤7)中所述组合式推进器的空化噪声包括组合式推进器壁面在特征频率下的噪声源强分布、空间测点的声压谱曲线、总声压级以及指向性分布。

10.根据权利要求1所述的组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，其特征在于：所述组合式推进器为对转螺旋桨或泵喷射推进器。