一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器及参数化建模方法

1.本发明涉及船舶推进领域，具体而言，尤其涉及一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器及参数化建模方法。


背景技术：

2.泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。环状导管的剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。如采用具有吸声和减振的材料制造，则可以屏蔽转子及内流道产生的噪声。为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声，通常采用能降低转子人流速度的减速型导管；定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子人流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。但是现有的泵推进器的噪声及隐蔽性能较差等问题仍然亟待优化。


技术实现要素：

3.针对现有泵推进器的噪声大隐蔽性能较差的技术问题，本发明提供了一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器参数化建模方法，通过正弦函数曲线的参数化仿生设计的导管尾缘，降低泵喷推进器的噪声，提高水下航行器的隐身性能。
4.本发明采用的技术手段如下：
5.一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，包括导管、定子、桨毂、转子和桨轴，所述导管的尾缘设置有凹凸结构，所述凹凸结构的轮廓线为正弦曲线，所述凹凸结构包括若干个均匀分布的凹凸单元，所述凹凸单元为所述正弦曲线在一个周期内对应的曲线。
6.进一步地，所述凹凸结构包括18个均匀分布的所述凹凸单元。
7.进一步地，所述正弦曲线的振幅a＝0.02d，其中d为所述转子的直径。
8.进一步地，所述转子的直径d为0.294m；所述定子与所述转子之间的轴向距离为0.048m；所述定子包括若干固定安装于所述桨轴的叶片，所述叶片对应翼型弦长所在直线相比于所述桨轴的轴线向右偏转7.5
°
；所述导管入口的直径为0.316mm，出口直径为0.23mm；相邻的所述凹凸单元上相对应的点之间的距离为0.04m。
9.本发明还提供了一种上述导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器的参数化建模方法，首先建立以正弦函数表达的导管尾缘凹凸结构的正弦曲线模型，然后将得到的正弦曲线映射到导管的尾缘，根据需要通过调节正弦曲线模型的振幅和相位实现对凹凸单元的深度和个数的调节，从而获得满足要求的泵喷推进器的导管尾缘凹凸结构。
10.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
11.本发明提供的导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器及参数化建模方法，基于仿生学原理与曲线参数化建模相结合，将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于泵喷推进器导管尾缘，可以将尾涡分解，加速了涡的扩散，使推进器附近的湍流强度和湍流范围减小，降低了推进器表面的压力脉动，从而起到了减振降噪的效果；泵喷推进器周围流场的这种变化提高了水下
航行器的隐蔽性和生存能力。
12.基于上述理由本发明可在航空、航天、航海及工业能源动力领域的机翼、舵片、叶轮机及泵机叶片等领域广泛推广。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明所述泵喷推进器结构示意图。
15.图2为本发明所述导管结构示意图。
16.图3为本发明所述泵喷推进器结构示意图。
17.图4为本发明所述泵喷推进器内部结构示意图。
18.图5为本发明所述泵喷推进器与现有泵喷推进器声压级对比图。
19.图中：1、导管；2、定子；3、凹凸结构；4、桨毂；5、转子。
具体实施方式
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
25.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
26.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
27.实施例1
28.如图1-4所示，本发明提供了一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，包括导管1、定子2、桨毂4、转子5和桨轴，所述定子2和所述转子5位于所述导管1内部，所述定子2在所述转子5的前方，所述桨毂4用于将所述转子5与桨轴相连接，并将所述桨轴的动力传递至所述转子5，使泵喷推进器产生向前的推力；
29.本发明根据座头鲸鳍前缘凹凸特点对所述导管1的尾缘进行了重新设计，所述导管1的尾缘设置有凹凸结构3，所述凹凸结构3的轮廓线为正弦曲线，所述凹凸结构3包括若干个均匀分布的凹凸单元，所述凹凸单元为所述正弦曲线在一个周期内对应的曲线；所述导管1通过在尾缘设计的所述凹凸结构3，能够将尾涡分解，加速了涡的扩散，从而有效降低泵喷推进器的噪声，提高水下航行器的隐身性能。
30.进一步地，所述凹凸结构3包括18个均匀分布的所述凹凸单元。
31.进一步地，所述正弦曲线的振幅a＝0.02d，其中d为所述转子5的直径。
32.进一步地，所述转子5的直径d为0.294m；所述定子2与所述转子5之间的轴向距离为0.048m；所述定子2包括若干固定安装于所述桨轴的叶片，所述叶片对应翼型弦长所在直线相比于所述桨轴的轴线向右偏转7.5
°
；所述导管1入口的直径为0.316mm，出口直径为0.23mm；相邻的所述凹凸单元上相对应的点之间的距离为0.04m。
33.本发明还提供了一种上述导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器的参数化建模方法，利用建模软件的变形功能，首先建立以正弦函数表达的导管尾缘凹凸结构的正弦曲线模型，然后将得到的正弦曲线映射到导管的尾缘，根据需要通过调节正弦曲线模型的振幅和相位实现对凹凸单元的深度和个数的调节，从而获得满足要求的泵喷推进器的导管尾缘凹凸结构；随着对正弦曲线模型的振幅及相位的调节，泵喷推进器导管尾缘的凹凸结构也会相应的发生改变，能够更好的表达泵喷推进器性能与所述凹凸结构的关系。在仿生泵喷推进器优化中以这种方式得到的模型，更有利于最优推进器构型的选取。
34.本发明提供的所述泵喷推进器产生的噪声强度减小程度如图5所示(距桨轴中心6r处)，本发明提供的所述泵喷推进器总声压比母型泵喷推进器有所降低，并且推进效率没
有明显变化；母型泵喷推进器尾缘位置涡的强度较高，而本发明提供的所述泵喷喷推进器的尾缘位置的涡强减小，被分割成若干小涡，周向连续性减弱，加速了涡的扩散，降低了推进器产生的涡流噪声；同时，所述凹凸结构使推进器附近的湍流强度和湍流范围减小，降低了推进器表面的压力脉动，从而起到了减振降噪的效果；泵喷推进器周围流场的这种变化提高了水下航行器的隐蔽性和生存能力。
35.本发明基于仿生学原理与曲线参数化建模相结合，将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于泵喷推进器导管尾缘，以参数化建模的方式可以通过控制正弦函数凹凸曲线，达到对模型的改变；并且这种结构可以将尾涡分解，加速了涡的扩散，能够有效降低泵喷推进器的噪声，提高水下航行器的隐身性能：即在泵喷推进器导管尾缘依据正弦函数曲线将标准光滑导管尾缘进行类似座头鲸鳍突起结构状的凹凸变形，获得的导管尾缘凹凸的泵喷推进器。
36.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，包括导管、定子、桨毂、转子和桨轴，其特征在于，所述导管的尾缘设置有凹凸结构，所述凹凸结构的轮廓线为正弦曲线，所述凹凸结构包括若干个均匀分布的凹凸单元，所述凹凸单元为所述正弦曲线在一个周期内对应的曲线。2.根据权利要求1所述的导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，其特征在于，所述凹凸结构包括18个均匀分布的所述凹凸单元。3.根据权利要求1所述的导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，其特征在于，所述正弦曲线的振幅a＝0.02d，其中d为所述转子的直径。4.根据权利要求2所述的导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器，其特征在于，所述转子的直径d为0.294m；所述定子与所述转子之间的轴向距离为0.048m；所述定子包括若干固定安装于所述桨轴的叶片，所述叶片对应翼型弦长所在直线相比于所述桨轴的轴线向右偏转7.5
°
；所述导管入口的直径为0.316mm，出口直径为0.23mm；相邻的所述凹凸单元上相对应的点之间的距离为0.04m。5.根据权利要求1所述的导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器的参数化建模方法，其特征在于，首先建立以正弦函数表达的导管尾缘凹凸结构的正弦曲线模型，然后将得到的正弦曲线映射到导管的尾缘，根据需要通过调节正弦曲线模型的振幅和相位实现对凹凸单元的深度和个数的调节，从而获得满足要求的泵喷推进器的导管尾缘凹凸结构。

技术总结
本发明提供一种导管尾缘仿生降噪的泵喷推进器及参数化建模方法，所述泵喷推进器包括导管、定子、桨毂、转子和桨轴，所述导管的尾缘设置有凹凸结构，所述凹凸结构的轮廓线为正弦曲线，所述凹凸结构包括若干个均匀分布的凹凸单元，所述凹凸单元为所述正弦曲线在一个周期内对应的曲线。本发明的技术方案解决了现有泵推进器的噪声大隐蔽性能较差的问题。推进器的噪声大隐蔽性能较差的问题。推进器的噪声大隐蔽性能较差的问题。


技术研发人员：卢雨 李闯 吴春晓
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/5/30