[发明专利]一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法

说明书

本发明提出了一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法，包括以下步骤：根据螺旋桨的设计尺寸，利用三维构型软件构建螺旋桨的几何模型；完成水动力模型的构建；利用有限元软件建立复合材料螺旋桨的有限元模型；进行复合材料螺旋桨的空泡性能仿真计算，得到空泡数值模拟结果，得到复合材料螺旋桨与金属材料螺旋桨在水动力性能以及空泡性能的差异；将流体分析软件中得到的空泡数值模拟结果存储；构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，在声学计算模型中设置多个监测点；对比分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。本发明能够很好地预测螺旋桨振动噪声辐射情况，为低噪音螺旋桨设计提供参考。

技术领域

本发明涉及一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法，属于复合材料螺旋桨噪声技术领域。

背景技术

随着船舶的发展逐步趋于大型化与高速化，螺旋桨桨叶的负荷不断加大，空化现象愈发不可避免。当螺旋桨表面有空泡产生时，在发生空泡的这一区域，桨叶表面压力约为蒸汽压力，这势必破坏桨叶原本全湿流时的水动力规则，影响螺旋桨的水动力性能，降低螺旋桨推进效率；与此同时，空泡溃灭时，桨叶与两相流在空泡区域有着强烈的相互作用，会对桨叶造表面材料造成严重剥蚀；更为重要的是，空化现象还会产生空化噪声，对船舶的舒适性和安全性造成严重影响。传统金属螺旋桨在空化发生时极易产生空化剥蚀，且由于金属声学阻尼性能较差，易产生振动进而引发噪声。如何有效预报螺旋桨空化现象及空化噪声，对提高螺旋桨的推进性能及噪声性能至关重要。

查阅国内外相关文献可知，关于复合材料螺旋桨的研究多集中在流固耦合设计及制备工艺方面，有关复合材料螺旋桨空化性能及空化噪声的报道较少。本发明紧密围绕复合材料的特性，利用计算流体力学(CFD)方法、计算声学方法(CAA)与有限元方法(FEM)相结合，提出了一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法，以快速实现复合材料螺旋桨的低空化设计，有效控制空化噪声。

发明内容

本发明的目的是提出一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法，以解决现有的螺旋桨空化现象严重以及空化噪声大的问题。

一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法，所述数值预报方法包括以下步骤：

步骤一一、根据螺旋桨的设计尺寸，利用三维构型软件构建螺旋桨的几何模型；

步骤一二、基于所述几何模型，利用计算流体力学前处理器建立计算流体域，并进行网格划分，完成水动力模型的构建；

步骤一三、利用有限元软件建立复合材料螺旋桨的有限元模型；

步骤一四、基于水动力模型及有限元模型，进行复合材料螺旋桨的空泡性能仿真计算，得到空泡数值模拟结果，将非均匀伴流场的信息以编译profile文件的形式导入到流体分析软件中，通过设置相应的空化模型、材料参数和流体计算参数，定义相关的边界条件及流固耦合界面，并通过计算得到不同的空化数以及不同进速下桨叶上空泡位置和形态的变化，完成在定常和非定常状态下复合材料螺旋桨空泡性能的预报，并进一步对比得到复合材料螺旋桨与金属材料螺旋桨在水动力性能以及空泡性能的差异；

步骤一五、将流体分析软件中得到的空泡数值模拟结果存储为通用的Ensight格式；

步骤一六、利用计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，并在声学计算模型中设置多个监测点，所述声学计算模型包括声学有限元和声学无限元；

步骤一七、在计算声学软件中导入流体分析软件中得到的空泡数值模拟结果，将CFD基本量转化为声源，将声源利用积分法插入到声学网格中，并通过傅里叶变换，利用求出的声源数据计算声音接收点处的声音压强信号，其中，CFD为计算流体动力学；

步骤一八、利用声学软件计算得到声源信号的传播过程，导出预设的多个监测点的声压变化曲线以及功率谱密度曲线，对比分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。