一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，包括如下步骤：提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，进行非光滑沟槽结构参数设计；采用数值模拟的方法，进行沟槽减阻流动仿真计算；以平均降阻率为优化目标，获得适合各种工况条件下的具有最优减粘降阻功能的仿生非光滑表面的设计参数；对叶片进行仿生非光滑沟槽结构参数设计；建立流固耦合数学模型，设定叶片材料和来流流速，对泵喷进行数值模拟，确定能使振动噪声达到最小值的叶片材料。本发明专利技术采用了能充分利用流体运动作用力的柔性材料制作泵喷叶片，可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能，不仅具有较高的获能效率，同时可以改善振动噪声。同时可以改善振动噪声。同时可以改善振动噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法


[0001]本专利技术涉及的是一种仿生系统设计方法，具体地说是仿生泵喷系统设计方法。

技术介绍

[0002]水下航行器常用螺旋桨、导管螺旋桨、对转螺旋桨和泵喷推进器等作为主推进器。就结构型式而言，传统的螺旋桨和导管螺旋桨已出现水动力和噪声性能瓶颈，很难同时满足高航速、重载、无空化和低噪等多方面要求。对转螺旋桨能较好地满足相关性能要求，但轴系复杂，密封要求高，仅在鱼雷推进中有较多应用。相较而言，泵喷推进器有潜在的性能提升空间，但其复杂的结构，导致设计和性能评估难度更大，流动特性和噪声机制更加复杂，艇体匹配要求更高，对潜艇操纵性的影响也很大。
[0003]泵喷推进器是一种组合式推进器，由导管及导管内的静止叶栅和旋转叶栅集成设计而成，结构紧凑，内外流场复杂，和带定子的导管螺旋桨有显著区别，任一部件的缺失都会显著影响泵喷流场，进而影响水动力和声学特性，泵喷推进器的设计、流动特性以及和航行体的匹配更为复杂。如何充分利用大型航行体尾段线型和迟滞尾流，削弱伴流影响，改善转子进流，来降低泵喷推进器的非定常力，改善辐射噪声，是在大型航行器用泵喷的研究和应用中需要重点考虑的。
[0004]作为一种目前处于研究热点的水下推进器,要瞄准低噪和高效，继续为航行器总体要求服务，不断提高航行器的机动性和隐蔽性。目前，泵喷的研究已迈向综合流体力学、声学、材料和仿生学等多个学科的阶段。如何实现各学科之间的平衡问题，打破传统设计理念和设计方法的束缚，一直是泵喷优化设计的热点和难点。如何使叶片更好的适应水流,实现攻角的自适应，并充分利用仿生技术，进一步改善流场分布，提升效率,降低泵喷的非定常力,改善振动辐射噪声,是设计一种新型高效低噪声仿生泵喷的重要前提。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供能进一步实现降噪减阻的目的，提高水下航行的隐蔽性以及船员舒适性的一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]本专利技术一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，其特征是：
[0008](1)基于相似性原理，提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，并根据其体表结构的单元体和排布方式的不同，进行非光滑沟槽结构参数设计；
[0009](2)以平板为研究对象，采用数值模拟的方法，进行沟槽减阻流动仿真计算，并与已有实验结果对比验证算法的准确性；
[0010](3)针对不同工况，以平均降阻率为优化目标，采用遗传算法，获得适合各种工况条件下的具有最优减粘降阻功能的仿生非光滑表面的设计参数；
[0011](4)应用设计的非光滑沟槽结构，基于仿生设计准则，在充分考虑内部流动状态的条件下，对叶片进行仿生非光滑沟槽结构参数设计；
[0012](5)以柔性仿生叶片为研究对象，建立流固耦合数学模型，设定叶片材料和来流流速，对泵喷进行数值模拟，确定能使振动噪声达到最小值的叶片材料。
[0013]本专利技术还可以包括：
[0014]1、步骤(1)中，仿生非光滑表面由生物体的体表结构进行提取而来，鲨鱼皮肤表面呈现鳞片状或半圆形的非光滑沟槽结构，根据鲨鱼体表部位的单元体和排布方式的不同，建立两种形式的沟槽：Space
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V与Space
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U，取沟槽宽度s、沟槽深度h、沟槽间距b为设计参数，非光滑沟槽单元结构按照设定距离排布。
[0015]2、步骤(2)中，先建立计算域模型，建模时将两个面放置于同一流场中，左右壁面分别设置为速度入口和压力出口，上下壁面分别为光滑壁面和非光滑沟槽壁面，前后壁面设置为周期性壁面边界条件，采用k
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ωSST湍流模型对湍流流场进行数值模拟，流场求解计算采用SIMPLE算法，通过对两种模型的沟槽表面进行数值模拟分析，分析两种结构的减阻效果。
[0016]3、步骤(3)中，以平均降阻率越大非光滑表面的降阻能力越强为评定标准，根据不同工况，建立用于寻找最优降阻能力的非光滑表面的数学规划，并根据适用范围确定约束函数，根据所确定目标函数为复杂非线性离散的函数，采用遗传算法求解上述数学规划，得到适合不同工况的非光滑表面的沟槽宽度、深度和间距的优化参数，并分析不同情况下的变化规律，为降阻的仿生设计提供优化参数。
[0017]4、步骤(4)中，将非光滑表面单元布置于叶片尾部，选取k
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ωSST模型对泵喷进行数值计算，并选用自适应壁面函数捕捉壁面出的流动，转轮旋转形成了两个不同的计算区域，即转轮内部流体的旋转区域和其他静止区域，通过在转轮的入口和出口分别施加两个与其相邻区域的交界面，实现旋转区域与静止区域的连接，网格连接方式采用常规网格交界面，在稳态计算中，叶轮的角位置是固定的，运动部件和静止部件之间的相互作用通过冻结转子方法来实现。
[0018]5、步骤(5)中，通过对柔性材料与流体双向流固耦合分析，基于柔性叶片在泵喷转动过程中的运动、受力特点，建立柔性叶片与水流双向流固耦合方程，在对方程进行求解、分析基础上，利用动网格模块、编写用户自定义函数，实现具有柔性仿生叶片的泵喷推进器的数值模拟和水动力学性能的预测。
[0019]本专利技术的优势在于：泵喷主要由转子系统、定子系统和导管等结构组成。传统的转子和定子叶片均为刚性，对流体的适应性较差。采用能充分利用流体运动作用力的柔性材料制作泵喷叶片，能很好地适应水流作用发生形变，自动调节攻角，并能充分利用与水流间相互耦合作用产生的升力效应和阻力效应做功，获能效率较高，具有许多刚性叶片所不具备的优点和良好的水动力学性能。
[0020]本专利技术所提出的一种具有柔性仿生叶片的泵喷，叶片由具有仿生功能表面的柔性材料制成，不仅可根据来流速度的大小和方向自动调整叶片弯曲程度，改善叶片表面流场，提高能量转化率，同时可通过对壁面边界层的控制实现节能减阻。该泵喷与现有技术相比最大不同在于采用了能充分利用流体运动作用力的柔性材料制作泵喷叶片，其适流形变，可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能，表现出了独特的水动力学特性，不仅具有较高的获能效率，同时可以改善振动噪声。
附图说明
[0021]图1为泵喷叶片尾缘柔性变形示意图；
[0022]图2为仿生结构示意图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0024]结合图1
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2，本专利技术通过对生物体表面的提取、抽象和简化，并采用能充分利用流体运动作用力的柔性材料，将这些结构与工程应用结合，这能充分利用与水流间相互耦合作用产生的升力效应和阻力效应做功，获能效率较高，进一步实现降噪减阻的目的，提高水下航行的隐蔽性以及船员的舒适性。
[0025]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0026]步骤一：基于相似性原理，提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，并根据其体表结构的单元体和排布方式的不同，进行非光滑沟槽结构参数设计；
[0027]仿生非光滑表面是由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，其特征是：(1)基于相似性原理，提取生物体的体表结构的仿生非光滑表面，并根据其体表结构的单元体和排布方式的不同，进行非光滑沟槽结构参数设计；(2)以平板为研究对象，采用数值模拟的方法，进行沟槽减阻流动仿真计算，并与已有实验结果对比验证算法的准确性；(3)针对不同工况，以平均降阻率为优化目标，采用遗传算法，获得适合各种工况条件下的具有最优减粘降阻功能的仿生非光滑表面的设计参数；(4)应用设计的非光滑沟槽结构，基于仿生设计准则，在充分考虑内部流动状态的条件下，对叶片进行仿生非光滑沟槽结构参数设计；(5)以柔性仿生叶片为研究对象，建立流固耦合数学模型，设定叶片材料和来流流速，对泵喷进行数值模拟，确定能使振动噪声达到最小值的叶片材料。2.根据权利要求1所述的一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，其特征是：步骤(1)中，仿生非光滑表面由生物体的体表结构进行提取而来，鲨鱼皮肤表面呈现鳞片状或半圆形的非光滑沟槽结构，根据鲨鱼体表部位的单元体和排布方式的不同，建立两种形式的沟槽：Space
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V与Space
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U，取沟槽宽度s、沟槽深度h、沟槽间距b为设计参数，非光滑沟槽单元结构按照设定距离排布。3.根据权利要求1所述的一种新型高效低噪声仿生泵喷系统设计方法，其特征是：步骤(2)中，先建立计算域模型，建模时将两个面放置于同一流场中，左右壁面分别设置为速度入口和压力出口，上下壁面分别为光滑壁面和非光滑沟槽壁面，前后壁面设置为周期性壁面边界条件，采用k
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ωSST湍流模型对湍流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玩幽，于涛，王曦，何家璇，简洁，孟长霖，率志君，郭宜斌，王东华，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：