基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，步骤包括：首先，对螺旋桨计算域进行网格划分，检查网格质量并定义边界条件；接下来，在CFD软件中，设置计算模型，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型准确性；然后，在CFD软件中，将稳态计算作为非稳态计算的初始值进行非稳态迭代计算，并通过后处理显示螺旋桨片空化周期形态及记录片空化面积变化；最后，根据单空泡辐射噪声理论由螺旋桨片空化面积计算螺旋桨空化辐射噪声，进行特征提取。

Feature extraction method for numerical prediction of propeller cavitation noise based on non-uniform inflow

The invention discloses a method for extracting features, non-uniform inflow of propeller cavitation noise prediction based on steps include: first, the current computational domain grid, grid check and define the boundary conditions; then, in CFD software, setting calculation model, steady inflow velocity in the iterative calculation and verification the accuracy of the model parameters of drip water; then, in CFD software, the initial steady-state calculation calculated as non steady state values for non steady state through iterative calculation, and postprocessing display propeller blade shape and cavitation cavitation cycle documentary area change; finally, according to the calculation of cavitation of propeller cavitation radiated noise from propeller sheet cavitation area radiation noise theory, feature extraction.

【技术实现步骤摘要】
基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法
本专利技术涉及一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，属于螺旋桨空化辐射噪声特征提取

技术介绍
螺旋桨空化的黏性数值模拟受多相流模型、湍流模型、空化模型和相变临界压力的影响，国内外对片空化进行成功模拟的很少，也没有较优的空化模型和湍流模型，成功模拟片空化的都是针对均匀入流；螺旋桨空化辐射噪声的研究仅限于采用面元法和单个脉冲球形空泡辐射噪声理论想结合，或者采用FW-H方程，将空化的脉动体积转化为噪声，这些方法都没有很好地跟实际数据对比验证，因此预报非均匀入流中螺旋桨空化噪声是一个研究难题，通过数值预报螺旋桨空化噪声来提取螺旋桨空化噪声特征更是一个研究难题。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本专利技术提供一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，该方法通过CFD数值模拟仿真非均匀入流中螺旋桨片空化的周期形态和空化面积变化，通过将螺旋桨的片空化辐射噪声等效为一个大的球形空化辐射，将螺旋桨的片空化面积等效为空化长度，通过空化长度依据单空泡空化辐射噪声原理求解螺旋桨片空化辐射噪声叶频信息，并通过仿真不同物理条件下的空化辐射噪声的信息提取螺旋桨空化辐射噪声的特征。技术方案：一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，首先，对螺旋桨计算域进行网格划分，检查网格质量并定义边界条件；接下来，在CFD软件中，设置计算模型，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型准确性；然后，在CFD软件中，将稳态计算作为非稳态计算的初始值进行非稳态迭代计算，并通过后处理显示螺旋桨片空化周期形态及记录片空化面积变化；最后，根据单空泡辐射噪声理论由螺旋桨片空化面积计算螺旋桨空化辐射噪声，进行特征提取。本专利技术的原理是利用单空泡空化辐射噪声原理求取螺旋桨片空化辐射噪声叶频信息，通过仿真不同物理条件下的空化辐射噪声的信息提取螺旋桨空化辐射噪声的特征。本专利技术方法的具体实现方式包括以下步骤：第一步，对螺旋桨计算域进行网格划分：设定坐标原点在螺旋桨中心点处，螺旋桨的旋转轴为x轴，螺旋桨的直径为D，假定x正方向为下游，x负方向为上游；建立计算动域和计算静止域。进行网格划分，检查网格质量；定义流体计算域和边界条件；第二步，采用一阶差分插值计算非均匀入流速度面的速度值：实测入流速度面的三向速度值（轴向、径向和切向三个方向），测试点的位置分布在r/R＝0.2,0.4,0.6,0.8,1.0…0.2Mtest，其中R为螺旋桨半径，r为测试点的半径，Mtest为测试半径的个数；入流速度面的面网格划分采用结构网格划分，径向的节点数为M，一般情况下，Mtest＜M，在径向方向进行一阶插值计算，径向插值的点数为Mr；第三步，导入计算网格并进行网格相关操作：将网格文件读入到CFD软件中（Fluent）进行网格检查，确保最小网格体积大于零，否则重新划分网格；进行计算域尺寸的调整，调整网格的尺寸比例，使最后尺寸符合实际模型的大小；将网格进行交换和光滑处理，依次按交换系数从小到大进行光滑和交换操作，直到每个交换系数的交换网格数目为零；读入非均匀入流速度面的速度文本文件；第四步，计算模型设置：在CFD软件中进行计算模型设置，定义求解器，按照默认的设置；选择K-epsilon模型，在K-epsilon模型下保存默认选项Stadard，在Near-WallTreatment选项下选择标准壁面函数；流体介质的选取，选取water-liquid和water-vapor，根据实际值设置流体介质的密度和粘性系数；设置操作环境，在OperatingPressure中根据实际值写入环境压力；将螺旋桨的旋转速度的单位选为rpm；设置边界条件，包括选择流体动域的坐标系（稳态计算中选取MRF，非稳态计算中选取MovingMesh），定义动域旋转轴为x轴，根据实际值设定选准速度，速度方向遵循右手定则，默认流体静止域为静止坐标系，非均匀入流速度面的速度采用笛卡尔坐标系，分别选择profile读入文本文件中的vx，vy，vz，静止域的外围入流速度采用笛卡尔坐标系，x方向的速度值根据实际的入流速度进行设定，压力出口选择静压力为零，定义螺旋桨的桨叶和桨毂壁面速度无滑移，粗糙系数为0；定义交界面；第五步，设置求解参数、初始化以及收敛条件：设置松弛因子，其中vapor，TurbulentKineticEnergy，SpecifiecDissipationRate，TurbulentViscosity的松弛因子为λ，其它保持不变，定义差分方程形式，其中Pressure为Standard，其它的均为FirstOrderUpwind形式；将入流口速度面1的速度作为初始值；设置各参数的残差；第六步，在CFD软件中通过设置不同的操作环境进行稳态计算计算螺旋桨的淌水水动力参数值(推力系数和力矩系数)，并与实际值进行对比验证，通过后处理对比入流口速度与实际速度值，验证模型设置的准确性：推力系数和力矩系数的计算公式：式（1）其中式（1）中Tx，Ty，Tz，Qx，Qy，Qz从后处理ReportForces中读取，Qx，Qy，Qz的力矩参考点为原点，ρ＝1000kg/m3，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径；通过DisplayContours显示入流口轴向、切向和径向速度的等值面图，与实际速度进行对比，验证模型的准确性；第七步，进行非稳态迭代计算：将计算模型更改为非稳态计算，选择多相流模型为混合二相模型，设置空化类型为Singhal空化模型，并设置相应的参数，如饱和压力，单位体积的气泡数目等，设置混合相的第一相为water-liquid，第二相位water-vapor；将第六步中的稳态迭代结果作为初始条件，进行非稳态迭代计算，迭代时间步长为Δt，每个迭代步的迭代次数为m（根据具体例子选取不同的迭代次数）；第八步，在CFD软件中进行后处理，显示螺旋桨片空化的周期形态以及记录螺旋桨空化面积变化：在动域螺旋桨叶片上设置汽化体积分数为a的等值面，通过DisplayCoutour显示螺旋桨吸力面上汽化体积分数αv＝a的等值线图，对比相同条件下的实际片空化图，验证空化模型的准确性；记录螺旋桨每个迭代步的空化面积其中N为总迭代步数；第九步，根据记录的螺旋桨空化面积计算螺旋桨空化噪声，对比叶频信息验证噪声数值预报的准确性：根据式（2）计算螺旋桨空化面积的一阶差分，式（2）其中i＝1,2,…N-1，根据式（3）计算空化面积的二阶差分，式（3）其中j＝1,2,…N-2，根据式（4）计算等效空化长度，式（4）其中k＝1,2,…N-2，然后根据公式（5）计算螺旋桨空化辐射噪声声压，...

【技术保护点】
一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，其特征在于，步骤包括：首先，对螺旋桨计算域进行网格划分，检查网格质量并定义边界条件；接下来，在CFD软件中，设置计算模型，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型准确性；然后，在CFD软件中，将稳态计算作为非稳态计算的初始值进行非稳态迭代计算，并通过后处理显示螺旋桨片空化周期形态及记录片空化面积变化；最后，根据单空泡辐射噪声理论由螺旋桨片空化面积计算螺旋桨空化辐射噪声，进行特征提取。

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀入流中螺旋桨空化噪声数值预报的特征提取方法，其特征在于，步骤包括：首先，对螺旋桨计算域进行网格划分，检查网格质量并定义边界条件；接下来，在CFD软件中，设置计算模型，进行稳态迭代计算淌水性能参数和入流口速度验证模型准确性；然后，在CFD软件中，将稳态计算作为非稳态计算的初始值进行非稳态迭代计算，并通过后处理显示螺旋桨片空化周期形态及记录片空化面积变化；最后，根据单空泡辐射噪声理论由螺旋桨片空化面积计算螺旋桨空化辐射噪声，进行特征提取；所述对螺旋桨计算域进行网格划分，检查网格质量并定义边界条件；具体步骤如下：第一步，对螺旋桨计算域进行网格划分：设定坐标原点在螺旋桨中心点处，螺旋桨的旋转轴为x轴，螺旋桨的直径为D，假定x正方向为下游，x负方向为上游；建立计算动域和计算静止域；进行网格划分，检查网格质量；定义流体计算域和边界条件；第二步，采用一阶差分插值计算非均匀入流速度面的速度值：实测非均匀入流速度面的三向速度值，测试点的位置分布在r/R＝0.2,0.4,0.6,0.8,1.0…0.2Mtest，其中R为螺旋桨半径，r为测试点的半径，Mtest为测试半径的个数；入流速度面1的面网格划分采用结构网格划分，径向的节点数为M，一般情况下，Mtest＜M，在径向方向进行一阶插值计算，径向插值的点数为Mr；第三步，导入计算网格并进行网格相关操作：将网格文件读入到CFD软件中进行网格检查，确保最小网格体积大于零，否则重新划分网格；进行计算域尺寸的调整，调整网格的尺寸比例，使最后尺寸符合实际模型的大小；将网格进行交换和光滑处理，依次按交换系数从小到大进行光滑和交换操作，直到每个交换系数的交换网格数目为零；读入非均匀入流面速度的文本文件；第四步，计算模型设置：在CFD软件中进行计算模型设置，定义求解器，按照默认的设置；选择K-epsilon模型，在K-epsilon模型下保存默认选项Stadard，在Near-WallTreatment选项下选择标准壁面函数；流体介质的选取，选取water-liquid和water-vapor，根据实际值设置流体介质的密度和粘性系数；设置操作环境，在OperatingPressure中根据实际值写入环境压力；将螺旋桨的旋转速度的单位选为rpm；设置边界条件，包括选择流体动域的坐标系，稳态计算中选取MRF，非稳态计算中选取MovingMesh，定义动域旋转轴为x轴，根据实际值设定选准速度，速度方向遵循右手定则，默认流体静止域为静止坐标系，非均匀入流速度面中速度采用笛卡尔坐标系，分别选择profile读入文本文件中的vx，vy，vz，静止域外围速度采用笛卡尔坐标系，x方向的速度值根据实际的入流速度进行设定，压力出口选择静压力为零，定义螺旋桨的桨叶和桨毂壁面速度无滑移，粗糙系数为0；定义交界面；第五步，设置求解参数、初始化以及收敛条件：设置松弛因子，其中vapor，TurbulentKineticEnergy，SpecifiecDissipat...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹红丽，方世良，朱志峰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：