CN110489902B - 一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，涉及水声目标识别技术领域。本发明的步骤为：一、设定螺旋桨空化尾流全流域非定常数值计算参数，并获取压力脉动数值计算信号x(i)；二、获取压力脉动信号处理的图谱信息；三、提取压力脉动信号特征，并进行相关性分析；四、根据相关性分析结果，进行螺旋桨空化尾流目标特征参数到空化流场特征参数的特征关系建模。五、利用获取的螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征，进行螺旋桨侧斜角特征判断。本发明明确空化流场特征参数空间与螺旋桨和流场参数空间的映射关系，建立二者的精细特征模型，与传统相比是一种新思路，对水下目标分类识别技术有重要的指向性价值。

Description

一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，在水声目标识别技术领域有着重要的应用前景。

背景技术

旋转的船舶螺旋桨，其桨叶叶梢处速度常达每秒数十米。这种高速转动在桨叶周围的海水中造成了明显的局部压力下降，从而使得桨叶叶梢，甚至是靠近桨毂处叶面往往发生强烈的空化。此外，螺旋桨是在船的尾流场中工作的，而船体线型及附体并非中心对称，因此船的尾流场具有明显的周向不均匀性。这样，周期旋转的桨叶和与其相接触的非均匀尾流的相对速度和压力就有周期性的变化，从而使得空化的激烈程度也发生相应的周期性脉动变化。最后，桨叶的转动在螺旋桨附近区域的海水也造成了叶频的流体力学压力脉动场。在这种脉动压力的作用下，存在于该区域的大量气泡随着流场环境压力的周期性变化而作受迫的体积脉动。

因此，螺旋桨叶面区域的大量瞬态空化的溃灭和反弹造成了强烈的辐射噪声，这种噪声具有高频连续谱特征。而随着螺旋桨的转动，大量空泡的周期性受迫振动同样引起辐射噪声，并具有低频线谱的特征。尾流场压力脉动特征与空泡噪声同样受到螺旋桨转动节拍的调制，二者由此而产生的低频线谱特征具有一定相似性。

螺旋桨空化噪声谱可分为离散谱和连续谱。空化噪声离散谱主要是由空化体积变化(如片空化)所引起的。当螺旋桨工作在航行体尾部的非均匀流场中，叶片掠过尾流的速度亏缺区时，空化就在桨叶表面上产生了，所以这种空化的体积变化是周期性的。由于每个叶片形状基本上是一致的，空化的体积变化就会产生声脉冲，脉冲序列在频域上表现为轴频和叶频，因此总是离散的。连续谱空化噪声(如涡空化噪声、泡空化噪声)是由在桨叶表面周围移动气泡所产生的，这种空化在空间和时间上有一定的随机性，所以其谱是连续的。

近几十年来，空化产生的辐射噪声得到了大量研究，但对于水声学领域中引人关注的船舶螺旋桨空化噪声问题，相关机理研究报道还不多。另一方面，螺旋桨空化在流体力学领域成为研究热点，相关著作已有很多，但对于空化引起的辐射噪声却涉及不多。有些学者虽然利用统计学理论研究了螺旋桨空化噪声，但没有结合螺旋桨的具体特点。且由于目前空化形成机理尚未被完全揭示，基于球形空泡理论的螺旋桨空化噪声计算对其特征进行分析的难度很大，挑战性很高。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

基于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，本发明利用信号处理相关技术对螺旋桨尾流压力脉动数值计算结果进行信号分析后，进行特征估计与提取，得到具体特征参数的特征值。这些特征值即反映流场特征又反映螺旋桨几何参数和工况特征。利用这些特征值进行多元统计学中的回归分析，得到反映螺旋桨空化尾流特征的统计模型，对水下目标分类识别技术有重要的指向性价值。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其步骤为：

步骤一、设定螺旋桨空化尾流全流域非定常数值计算参数，并获取螺旋桨空化尾流压力脉动数值计算信号x(i)；

步骤二、获取螺旋桨空化尾流压力脉动信号处理的图谱信息；

步骤三、提取螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征，并与螺旋桨相应工况参数和/或螺旋桨几何形状参数进行相关性分析；

步骤四、根据步骤三的相关性分析结果，进行螺旋桨空化尾流目标特征参数到空化流场特征参数的特征关系建模。

更进一步地，利用步骤三获取的螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征，进行螺旋桨侧斜角特征判断。

更进一步地，步骤一中在数值计算软件中输入初始条件，包括入流速度U_∞，螺旋桨转速n，流体参考压力p_∞，饱和蒸汽压力p_v，液体流体密度ρ_l，螺旋桨直径D；然后根据该初始条件，得出需要的工况条件的值，所述工况条件为进速系数J＝U_∞/(nD)、空化数σ_n＝2(p_∞-p_v)/(ρ_ln²D²)；然后在计算软件中设定尾流场中一特定位置，并以该特定位置的压力脉动检测数据p(i)，作为数值计算检测的结果；所述的螺旋桨空化尾流压力脉动数值计算信号

ρ为混合流体密度。

更进一步地，步骤一中所确定的尾流场特定位置A点位于螺旋桨尾流径向r＝0.5R和轴向x＝2R处。

更进一步地，步骤二中采用功率谱和解调谱对步骤一中所采集的无量纲压力脉动数值x(i)进行运算，其中功率谱采用周期图方法，解调谱采用绝对值方法，并以图形形式得到谱图数据

周期图的功率谱估计：

解调谱：对采集信号x(i)取绝对值，再进行低通滤波，最后用快速傅里叶变换FFT进行频谱分析。

更进一步地，步骤三的具体过程为：

(1)重复步骤一和步骤二，获得螺旋桨在至少五种进速系数下的功率谱图谱；

(2)提取图谱中包括轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频、叶频、二倍叶频的幅值，并对所提取幅值取对数；

(3)将所提取的特征参数，与螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数进行对照分析它们之间的相关性；并找出相关性明显的特征参数，及其对应的螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数。

更进一步地，所述的螺旋桨工况参数包括进速系数和空化数；所述的螺旋桨几何形状参数包括桨叶数、直径、侧斜角及盘面比。

更进一步地，步骤四中根据所得到的螺旋桨在至少五种进速系数下的线谱幅值，以螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数作为自变量x对线谱幅值y作一元二次多项式回归分析，得到回归模型；

y＝a₂x²+a₁x+a₀

做出显著性为95％的置信区间范围，并对回归模型曲线拟合，利用以上模型对螺旋桨线谱幅值进行特征预报，进而对噪声调制相关特征进行参考和指导；

反之，以线谱幅值作为自变量x对螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数y作一元二次多项式回归分析，得到回归模型；

y＝b₂x²+b₁x+b₀

做出显著性为95％的置信区间范围，并对回归模型曲线拟合；利用以上模型可以对螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数的特征进行估计和判断，进而可以利用线谱幅值对螺旋桨工况和/或螺旋桨几何形状的特征进行参考和指导。

更进一步地，利用步骤三获取的轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频值进行判断和分析，对于五叶桨的功率谱低频线谱幅值近似呈线性减小分布时，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)＝(lgf₃-lgf₄)/(lg100-lg75)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨，其中f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频，f₄为四倍轴频；

对于四叶桨的功率谱低频线谱幅值呈线性减小分布时，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨，其中f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，构建多域别空化流场压力脉动信号特征模型，明确空化流场特征参数空间与螺旋桨和流场参数空间的映射关系，建立二者的精细特征模型，与传统的基于螺旋桨噪声样本的特征统计分析与提取方法相比，本发明利用空化流场的数值计算和多元统计建模方法得到其精细特征模型，是研究螺旋桨噪声特征模型的一种新思路，对水下目标分类识别技术有重要的指向性价值；

(2)本发明的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其数值计算以螺旋桨噪声的产生机理为基础，在螺旋桨结构、环境参数与螺旋桨空化流场之间建立了有机的联系，同时，基于数值计算方法分析螺旋桨噪声具有很高的自由度，可以根据不同的螺旋桨结构、流场参数进行噪声计算预报，并可以计算难以用常规实验获得的螺旋桨噪声，突破了在传统研究中样本收集和实验条件的限制，拓展了螺旋桨噪声研究领域的空间；

(3)本发明的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，利用对不同螺旋桨参数和流场参数条件下进行螺旋桨噪声的数值计算，获取不同条件下的较为完备的样本空间和特征空间分布；通过对特征的先验统计建立螺旋桨特征模型，结合现代信号处理手段，指导对螺旋桨噪声进行多域别的的特征提取；利用参数可控的空化水洞的实验数据和实际目标的辐射噪声数据的处理结果，与特征模型处理结果互为印证，相辅相成。

附图说明

图1为本发明的空化数值计算结果图；

图2为本发明中螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模流程框图；

图3为本发明中压力脉动信号计算位置示意图；

图4为本发明中压力脉动波信号图；

图5为本发明中压力脉动信号的功率谱估计图；

图6为本发明中进速系数对二倍叶频幅值的多项式回归曲线图；

图7为本发明中二倍叶频幅值对进速系数的多项式回归曲线图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例利用信号处理相关技术对螺旋桨尾流压力脉动数值计算结果进行信号分析后，进行特征估计与提取，得到具体特征参数的特征值。这些特征值即反映流场特征又反映螺旋桨几何参数和工况特征。利用这些特征值进行多元统计学中的回归分析，得到反映螺旋桨空化尾流特征的统计模型。

其中，螺旋桨尾流压力脉动数值计算利用现代计算流体力学专业数值计算软件对水下螺旋桨尾流场构建RANS方程，并结合湍流模型和空化模型对RANS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。信号处理分析是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。统计模型是利用统计学中回归分析方法对尾流场进行特征建模。

本实施例将现代流体力学、空泡动力学、统计学和信号处理领域中相关研究成果引入，体现了多学科和多领域的交叉性，具有重要应用价值和应用前景。

参看图2，本实施例的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，具体步骤如下：

步骤一、设定螺旋桨空化尾流全流域非定常数值计算参数，并获取螺旋桨空化尾流压力脉动数值计算信号x(i)

螺旋桨尾流特征包括流场结构特征及流场中压力脉动等重要物理量特征。其中尾流场结构特征主要包括流场中轴向速度和涡等在多个轴向横截面和纵向轴平面的分布特征。本实施例进行数值计算的主要过程包括：先将典型工况下的流场结构和其中相关物理量的数值计算结果同相关实验结果进行比较和验证；验证一致后再分别基于螺旋桨各目标特征参数，对流场中相关物理量在尾流场各平面中的分布和尾流场中多个位置多个物理量时域波形进行全面计算。本实施例建立螺旋桨周围流程网格，并导入RANS方程的数值计算软件，进行螺旋桨空化尾流场数值计算的过程已在专利号为ZL201410345562.X，名称为：一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法的发明专利中记载，鉴于篇幅所限，此处不再赘述。

本实施例通过改变工况条件对螺旋桨几种重要的空化形式(包括梢涡空化、毂涡空化、片空化等)进行数值预测。同时根据数值计算结果来分析各螺旋桨目标特征参数对数值结果(包括有无空化和不同空化形式)的影响。首先，在数值计算软件中输入数值计算初始条件，包括入流速度U_∞，螺旋桨转速n，流体参考压力p_∞，饱和蒸汽压力p_v，液体流体密度ρ_l，螺旋桨直径D；然后根据该初始条件，得出需要的工况条件(进速系数、空化数)的值，其中进速系数J＝U_∞/(nD)、空化数σ_n＝2(p_∞-p_v)/(ρ_ln²D²)。然后在计算软件中设定尾流场中一具体位置，并以该具体位置的压力p作为数值计算检测的结果。

具体地，本实施例可以在一般通用的CFD流体计算软件(CFX，FLUENT等)中实现，网格划分可以采用GAMBIT等软件实现。首先将DTMB系列桨模螺旋桨数字模型导入网格划分软件，并进行网格划分。将网格模型导入计算平台后，按照表1中螺旋桨模型和设计工况进行数值计算，并将压力脉动信号输出到文本文件。

表1为DTMB系列螺旋桨几何形状参数，表2为数值计算中设定的螺旋桨运行工况。表2中五种工况下螺旋桨空化数值计算结果见图1所示。

表1DTMB系列螺旋桨几何形状参数

桨模型号	4381	4382	4383	4384
					桨叶数	5	5	5	5
盘面比	0.725	0.725	0.725	0.725
					毂径比	0.20	0.20	0.20	0.20
侧斜角(度)	0	36	72	108
					直径(m)	0.992	0.992	0.992	0.992

表2数值计算中设定的螺旋桨运行工况

工况	进速系数	空化数
			1	0.65	3.5
2	0.45	3.5
			3	0.35	3.5
4	0.65	2.5
			5	0.65	1.0

本实施例保持螺旋桨转速n为25转/秒，由进速系数确定入流速度U_∞，流体参考压力p_∞为一个大气压，饱和蒸汽压力p_v为2368Pa，液体流体密度ρ_l为998kg/m³，D螺旋桨直径为0.992米。

非定常计算中TIME STEP时间步长设定为T＝0.005T_P，T_P为螺旋桨旋转周期。数据涉及时间长度为30T_P，T_P为0.04秒，时间步长T＝0.005T_P＝0.2ms，采集压力脉动数值计算数据涉及时间长度为30T_P为1.2秒，共采集压力脉动数值计算数据的数据长度为6000个。

采用所确定的数值算例，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。然后在数值计算结果中提取设定的尾流场中某一特定位置(A点)压力脉动检测数据p(i)，i为0-5999整数。再采用公式

对数据进行无量纲化，ρ为混合流体密度。

参看图3，本实施例中A点位于螺旋桨尾流径向r＝0.5R和轴向x＝2R处。

DTMB螺旋桨两种工况下的数值计算结果(部分数据)见图4中A点压力脉动波形图，图中有规律地显示五个波峰曲线表明五叶螺旋桨特征。这一区域的流场同时受到毂涡、梢涡及叶面尾流的影响，含有的尾流场特征信息较为显著和全面。其压力脉动信号也蕴含较为丰富的频谱变化信息，这些信息与螺旋桨特征信息相关。

步骤二、获取螺旋桨空化尾流压力脉动信号处理的图谱信息

采用功率谱和解调谱的信号处理手段对步骤一中所采集的无量纲压力脉动检测数据x(i)进行功率谱和解调谱运算，其中功率谱采用周期图方法，解调谱采用绝对值方法。并以图形形式得到谱图数据

周期图的功率谱估计：

解调谱：对采集信号x(i)取绝对值，再进行低通滤波，最后用快速傅里叶变换FFT进行频谱分析。

本实施例具体是在MATLAB软件中编写功率谱密度变换程序，实现信号由时域到频域的变换，并最终提取低频线谱幅值参数，再对参数取对数。图5为图4中数值计算的尾流压力脉动信号的功率谱估计。功率谱图中显示叶频线谱幅值最为明显，表明五叶的特征。

步骤三、螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征提取及分析

对获得的螺旋桨在至少五种进速系数下的功率谱图谱，提取图谱中的线谱幅值参数，包括轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频、叶频、二倍叶频的幅值，取对数后进行精细特征提取分析，并得到具体特征参数。其中，对5叶浆需列表给出5种进速系数条件下尾流场压力脉动信号功率谱或解调谱的轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频、叶频和二倍叶频线谱幅值，并对其取对数。对4叶浆需列表给出5种进速系数条件下尾流场压力脉动信号功率谱或解调谱轴频、二倍轴频、三倍轴频、叶频和二倍叶频线谱幅值，并对其取对数。对3叶浆需列表给出5种进速系数条件下尾流场压力脉动信号功率谱或解调谱轴频、二倍轴频、叶频和二倍叶频线谱幅值，并对其取对数。

然后对所提取的各种特征参数与螺旋桨相应工况参数和螺旋桨几何形状参数进行对照来分析它们之间的相关性，以便建立从螺旋桨目标特征参数到空化流场特征参数的特征关系模型。所述特征关系模型包括桨叶数、直径、侧斜角及盘面比等螺旋桨关键几何形状参数与空化流场精细特征参数之间的关系模型；包括进速系数和空化数(包括船速、螺旋桨转速和参考压力)等螺旋桨工况参数与空化流场精细特征参数之间的特征关系模型。这些关系模型本身反映了空化尾流的精细特征。

具体地，本实施例重复步骤一和二，共获得螺旋桨在(1.183、1.014、0.887、0.789、0.71)五种进速系数下线谱幅值。举例来说，表3和表4分别为进速系数为0.71和0.887时压力脉动计算信号线谱幅值(取对数)。表3和表4中数据表明二倍叶频线谱幅值与螺旋桨进速系数之间关系较为明显，而与螺旋桨侧斜角和尺寸等其它形状参数的相关性较小。由于二倍叶频线谱幅值与螺旋桨进速系数之间的特征相关性较为明显。为进一步分析二倍叶频幅值与螺旋桨进速系数之间的关系模型，表5进一步给出了4382桨在五种进速系数(1.183、1.014、0.887、0.789、0.71)下线谱幅值。

表3J＝0.71低频线谱幅值对比

表4J＝0.887低频线谱幅值对比

表5 4382桨二倍叶频线谱幅值对比

4382桨	J＝0.71	J＝0.789	J＝0.887	J＝1.014	J＝1.183
						二倍叶频幅值(lg)	0.9	1.35	1.55	1.85	2.1

步骤四、螺旋桨空化尾流二倍叶频线谱幅值与螺旋桨进速系数之间的特征建模

根据得出的螺旋桨在至少五种进速系数下的线谱幅值，以进速系数作为自变量x对二倍叶频幅值y作一元二次多项式回归分析，得到关于进速系数和二倍叶频幅值的回归模型。

y＝a₂x²+a₁x+a₀

做出显著性为95％的置信区间的范围，并对回归模型曲线拟合。利用以上模型可以对五叶螺旋桨二倍叶频幅值进行特征预报，进而对噪声调制相关特征进行参考和指导。

反之，以二倍叶频幅值作为自变量x对进速系数y作一元二次多项式回归分析，得到关于二倍叶频幅值和进速系数的回归模型。

y＝b₂x²+b₁x+b₀

做出显著性为95％的置信区间，并对回归模型曲线拟合。利用以上模型可以根据二倍叶频幅值对螺旋桨进速系数的特征进行估计和判断，进而可以利用噪声二倍叶频幅值对螺旋桨进速系数的特征进行参考和指导。

具体地，本实施例对表5中进速系数和二倍叶频线谱幅值相互进行一元多项式回归分析。利用表5中的数据，以进速系数作为自变量x对二倍叶频幅值y作一元二次多项式回归分析，得到关于进速系数和二倍叶频幅值回归模型：

y＝-3.8449x²+9.6843x-3.9885

图6中两个虚线之间的范围为显著性为95％的置信区间y±0.4168；实线为回归模型曲线拟合。模型在进速系数为0.946处预测值为1.7321。利用以上模型可以对五叶螺旋桨二倍叶频幅值进行特征预报。

反之，以二倍叶频幅值作为自变量x对进速系数y作一元二次多项式回归分析，得到关于二倍叶频幅值和进速系数回归模型：

y＝0.2576x²-0.3791x+0.8414

图7中两个虚线之间的范围为显著性为95％的置信区间y±0.0681；实线为回归模型曲线拟合。模型在进速系数为1.7321处预测值为0.9575。以上模型表明二倍叶频幅值随着进速系数的增长而增加。因此，利用以上模型可以根据二倍叶频幅值对五叶螺旋桨进速系数进行特征估计与判断。

本实施例构建多域别空化流场压力脉动信号特征模型，明确空化流场特征参数空间与螺旋桨和流场参数空间的映射关系，建立二者的精细特征模型，与传统的基于螺旋桨噪声样本的特征统计分析与提取方法相比，本实施例利用空化流场的数值计算和多元统计建模方法得到其精细特征模型，是研究螺旋桨噪声特征模型的一种新思路，对水下目标分类识别技术有重要的指向性价值。

实施例2

鉴于工况条件和螺旋桨尺寸大小对低频线谱幅值分布变化特征的影响较小，螺旋桨桨叶形状特征，即侧斜角参数，对低频线谱幅值分布变化特征有一定影响。螺旋桨为高侧斜螺旋桨(侧斜角高于100度)时，低频线谱幅值具有随频率的增加而线性递减的变化特征(参见图5)；反之，螺旋桨为低侧斜或无侧斜时，其二倍轴频线谱较明显，低频线谱幅值没有随频率的增加而线性递减的变化特征。故本实施例的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，利用步骤三获取的轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频值进行判断和分析，对于五叶桨的功率谱低频线谱幅值(轴频、二倍轴频、三倍轴频和四倍轴频)近似呈线性减小分布时(误差小于5％)，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)＝(lgf₃-lgf₄)/(lg100-lg75)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨(侧斜角高于100度)；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨。f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频，f₄为四倍轴频。

对于四叶桨的功率谱低频线谱幅值(轴频、二倍轴频、三倍轴频)呈线性减小分布时(误差小于5％)，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨(侧斜角高于100度)；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨。f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频。

具体地，本实施例表3至表5中不同侧斜角和桨叶直径的计算结果都表明：对于五叶桨的功率谱低频线谱幅值(轴频、二倍轴频、三倍轴频和四倍轴频)近似呈线性减小分布时，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)＝(lgf₃-lgf₄)/(lg100-lg75)

螺旋桨为高侧斜螺旋桨(侧斜角高于100度)；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、设定螺旋桨空化尾流全流域非定常数值计算参数，并获取螺旋桨空化尾流压力脉动数值计算信号x(i)；

步骤二、获取螺旋桨空化尾流压力脉动信号处理的图谱信息；采用功率谱和解调谱对步骤一中所采集的无量纲压力脉动数值x(i)进行运算，其中功率谱采用周期图方法，解调谱采用绝对值方法，并以图形形式得到谱图数据

周期图的功率谱估计：

解调谱：对采集信号x(i)取绝对值，再进行低通滤波，最后用快速傅里叶变换FFT进行频谱分析；

步骤三、提取螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征，并与螺旋桨相应工况参数和/或螺旋桨几何形状参数进行相关性分析；具体过程为：

(1)重复步骤一和步骤二，获得螺旋桨在至少五种进速系数下的功率谱图谱；

(2)提取图谱中包括轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频、叶频、二倍叶频的幅值，并对所提取幅值取对数；

(3)将所提取的特征参数，与螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数进行对照分析它们之间的相关性；并找出相关性明显的特征参数，及其对应的螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数；

步骤四、根据步骤三的相关性分析结果，进行螺旋桨空化尾流目标特征参数到空化流场特征参数的特征关系建模；具体地：根据所得到的螺旋桨在至少五种进速系数下的线谱幅值，以螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数作为自变量x对线谱幅值y作一元二次多项式回归分析，得到回归模型：

y＝a₂x²+a₁x+a₀

做出显著性为95％的置信区间范围，并对回归模型曲线拟合，利用以上模型对螺旋桨线谱幅值进行特征预报，进而对噪声调制相关特征进行参考和指导；

反之，以线谱幅值作为自变量x对螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数y作一元二次多项式回归分析，得到回归模型；

y＝b₂x²+b₁x+b₀

做出显著性为95％的置信区间范围，并对回归模型曲线拟合；利用以上模型可以对螺旋桨工况参数和/或螺旋桨几何形状参数的特征进行估计和判断，进而可以利用线谱幅值对螺旋桨工况和/或螺旋桨几何形状的特征进行参考和指导。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于：利用步骤三获取的螺旋桨空化尾流压力脉动信号特征，进行螺旋桨侧斜角特征判断。

3.根据权利要求1或2所述的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于：步骤一中在数值计算软件中输入初始条件，包括入流速度U_∞，螺旋桨转速n，流体参考压力p_∞，饱和蒸汽压力p_v，液体流体密度ρ_l，螺旋桨直径D；然后根据该初始条件，得出需要的工况条件的值，所述工况条件为进速系数J＝U_∞/(nD)、空化数σ_n＝2(p_∞-p_v)/(ρ_ln²D²)；然后在计算软件中设定尾流场中一特定位置，并以该特定位置的压力脉动检测数据p(i)，作为数值计算检测的结果；所述的螺旋桨空化尾流压力脉动数值计算信号

ρ为混合流体密度。

4.根据权利要求3所述的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于：步骤一中所确定的尾流场特定位置A点位于螺旋桨尾流径向r＝0.5R和轴向x＝2R处。

5.根据权利要求4所述的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于：所述的螺旋桨工况参数包括进速系数和空化数；所述的螺旋桨几何形状参数包括桨叶数、直径、侧斜角及盘面比。

6.根据权利要求5所述的一种螺旋桨空化尾流精细特征多元统计建模方法，其特征在于：利用步骤三获取的轴频、二倍轴频、三倍轴频、四倍轴频值进行判断和分析，对于五叶桨的功率谱低频线谱幅值近似呈线性减小分布时，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)＝(lgf₃-lgf₄)/(lg100-lg75)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨，其中f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频，f₄为四倍轴频；

对于四叶桨的功率谱低频线谱幅值呈线性减小分布时，即线谱幅值满足：

(lgf₁-lglf₂)/(lg50-lg25)＝(lgf₂-lgf₃)/(lg75-lg50)

则判断螺旋桨为高侧斜螺旋桨；反之，当二倍轴频线谱较明显时，为低侧斜或无侧斜螺旋桨，其中f₁为轴频，f₂为二倍轴频，f₃为三倍轴频。

Images