CN108058785A - 一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，将航空计算桨叶噪声的计算方法运用于桨舵系统。基于面元法理论，这里对桨舵的无空泡噪声进行了研究，以基于速度势的非定常面元法计算桨舵系统的非定常水动力性能，并将桨叶表面及舵上时域上的压力分布作为无空泡噪声计算的输入量，采用声学FW‑H方程的时域表达式获得声压的时间历程，再通过离散傅里叶变换得出噪声频谱图。

Description

一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法

技术领域

本发明其目的就在于提供一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法。

背景技术

舰艇战斗力及生存能力和自身的隐身性能密切相关，而辐射噪声已成为其隐身技术的重要指标。尤其对于潜艇、鱼雷等水下航行体，其自身的辐射噪声已成为其最重要战斗力指标。而螺旋桨所辐射的噪声已成为舰艇噪声的主要部分，所以在螺旋桨设计当中，噪声问题成为设计者考虑的重要因素之一。

在舰船和潜艇上，螺旋桨往往工作于有其它附体的干扰下，如舵、导管、反应鳍等，这些附体的存在会干扰螺旋桨的工作流场，使螺旋桨表面的压力分布发生变化，因此螺旋桨噪声也发生改变，而且这些装置本身也能辐射噪声，为了研究附体对螺旋桨噪声的影响，这里把螺旋桨无空泡噪声的计算方法扩展应用到桨与其附体的噪声预报上，并计算分析了桨舵系统和导管桨的无空泡噪声，并对附体对桨噪声的影响效果作了分析，为低噪声螺旋桨及其附体的设计提供理论支持。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，解决了现有噪声计算方法不能扩展应用到桨与其附体的噪声预报上，并计算分析了桨舵系统和导管桨的无空泡噪声，并对附体对桨噪声的影响效果作了分析，为低噪声螺旋桨及其附体的设计提供理论支持的问题。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，该计算方法为建立有一包含物体的运动控制面f(x_i,t)＝0，设(n_i为控制面上的单位外法向矢量v_n＝v_i·n_i，v_i为控制面运动速度)，Fowcs Williams和Hawkings 运用广义函数理论推导出静止流体中作任意运动的控制面的发声方程，即著名的FW-H方程，则FW-H方程可写成如下形式：

若取控制面f(x_i,t)＝0为物面(例如桨叶叶面)，由无穿透条件 u_n＝v_n，可得FW-H方程最常用的一种形式

由上式通过格林方程和坐标变换得到声压直接求解公式：

下标ret表示被积函数在延迟时刻下进行积分的，通过消除数值微分来提高数值计算的速度和精度，因为并且τ是r的函数，得到：

这种关系使得对时间的微分可以在被积函数中进行，然后通过以下关系式

最终结果如下：

有益效果

与现有技术相比本发明具有以下优点。

本发明的优点是，以基于速度势的非定常面元法计算桨舵系统的非定常水动力性能，并将桨叶表面及舵上时域上的压力分布作为无空泡噪声计算的输入量，采用声学FW-H方程的时域表达式获得声压的时间历程，再通过离散傅里叶变换得出噪声频谱图。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明中观测点的位置示意图；

图2为本发明中d＝10·D,θ＝0°处不同声源引起的声压时域图；

图3为本发明中桨舵系统的声压时域图及声压级频谱图；

图4为本发明中在d＝10·D处桨舵系统噪声指向性。

具体实施方式

本发明为建立有一包含物体的运动控制面f(x_i,t)＝0，设 (n_i为控制面上的单位外法向矢量v_n＝v_i·n_i，v_i为控制面运动速度)，Fowcs Williams和Hawkings运用广义函数理论推导出静止流体中作任意运动的控制面的发声方程，即著名的FW-H方程，则 FW-H方程可写成如下形式：

其中：为波动算子；p′(x_i,t)代表观测点在t时刻的声压强值；ρ，u_i，p_ij分别表示密度、速度和应力张量； T_ij＝-P′_ij+ρu_iu_j-c²ρ′δ_ij为Lighthill张量；δ_ij为克罗内克符号；下标0 代表为扰动量；撇号表示是扰动量；下标n代表在控制面外法向的投影；偏导符号上方的横线代表广义导数；H(f)为Heaviside函数；δ(f) 代表Dirac函数。

若取控制面f(x_i,t)＝0为物面(例如桨叶叶面)，由无穿透条件 u_n＝v_n，可得FW-H方程最常用的一种形式

由上式通过格林方程和坐标变换得到声压直接求解公式：

下标ret表示被积函数在延迟时刻下进行积分的，通过消除数值微分来提高数值计算的速度和精度，因为并且τ是r的函数，得到：

这种关系使得对时间的微分可以在被积函数中进行，然后通过以下关系式

最终结果如下：

p′_T和p′_L分别代表厚度噪声和负荷噪声，各自对应着单极子项和偶极子项。及上的点表示其对延迟时间的变化率，即对延迟时间的导数。在被积函数中1/r²和1/r分别视为近场项和远场项。

根据以上理论，通过数学物理方法，编制Fortran程序，计算的到桨舵系统的噪声。

结合附图1和附图3，进速v＝1.92m/s，转速n＝500rpm。伴流为 Wx＝0.3+0.3*cos2θ,观测点与螺旋桨旋转中心距离为10倍的直径：10·D,与桨轴的角度为0-360度。假定声音在介质中的传播速度是均匀的，流体密为1025kg/m³，声音在流体中的传播速度为1500m/s，参考声压(SPL)为10^-6Pa。

结合附图2通过面元法求得桨舵系统的非定常力之后，由式(5)、 (6)可以分别求得桨舵的厚度噪声和载荷噪声。桨舵系统周围空间一点的噪声声压分别由桨叶载荷，桨叶厚度，舵载荷，舵厚度引起的，由于舵没有旋转运动，厚度所引起的声压为0pa.如图2，桨叶厚度，舵载荷引起的声压非常小，桨叶载荷引起的声压比较大。

根据噪声级的叠加原理总的有效声压为各个有效声压的均方根植的和，即所以桨叶厚度，舵载荷引起的声压忽略不计，对声压级的贡献也是忽略不计的。桨舵系统总的噪声声压近似等于桨叶载荷引起的声压。

结合附图3和附图4，在不同的观测点进行噪声计算，由此得到噪声的指向图。附图3为螺旋桨声压时域图与声压级频谱图。载荷噪声主要是由桨叶表面的压力脉动引起的，桨舵系统总声压近似等于桨叶载荷产生的声压，噪声的时域声压图显示，总声压在螺旋桨旋转一周出现两个波动周期，这与桨叶盘面伴流分布趋势相一致；由噪声频谱图可看出，低阶叶频声压级大于高阶叶频声压级。附图4为桨舵系统的噪声指向图，由图可看出：噪声声压级在桨毂方向最大，在桨盘方向最小，在不同方向呈8字型。

Claims (3)

1.一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，其特征在于，该方法为，建立有一包含物体的运动控制面f(x_i,t)＝0，设▽f＝n_i，(n_i为控制面上的单位外法向矢量v_n＝v_i·n_i，v_i为控制面运动速度)，Fowcs Williams和Hawkings运用广义函数理论推导出静止流体中作任意运动的控制面的发声方程，即著名的FW-H方程，则FW-H方程可写成如下形式：

若取控制面f(x_i,t)＝0为物面(例如桨叶叶面)，由无穿透条件u_n＝v_n，可得FW-H方程最常用的一种形式

由上式通过格林方程和坐标变换得到声压直接求解公式：

下标ret表示被积函数在延迟时刻下进行积分的，通过消除数值微分来提高数值计算的速度和精度，因为并且τ是r的函数，得到：

这种关系使得对时间的微分可以在被积函数中进行，然后通过以下关系式

最终结果如下：

2.根据权利要求1所述的一种船舶桨舵系统的低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，其特征在于，所述其中：为波动算子；p′(x_i,t)代表观测点在t时刻的声压强值；ρ，u_i，p_ij分别表示密度、速度和应力张量；T_ij＝-P′_ij+ρu_iu_j-c²ρ′δ_ij为Lighthill张量；δ_ij为克罗内克符号；下标0代表为扰动量；撇号表示是扰动量；下标n代表在控制面外法向的投影；偏导符号上方的横线代表广义导数；H(f)为Heaviside函数；δ(f)代表Dirac函数。

3.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨及其附体的设计方法，其特征在于，所述p′_T和p′_L分别代表厚度噪声和负荷噪声，各自对应着单极子项和偶极子项；及上的点表示其对延迟时间的变化率，即对延迟时间的导数；在被积函数中1/r²和1/r分别视为近场项和远场项。