一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法与流程

1.本发明属于舵翼水动力噪声控制技术领域，具体涉及一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法。


背景技术：

2.水下航行器结构复杂，其流线型结构中较为明显的突出部位——舵翼结构，破坏了流场及压力场的连续性，产生水动力噪声。流体流经舵翼表面会产生流动分离，并在尾缘逆压梯度的作用下卷起形成尾涡并脱落，这一现象在舵翼来流攻角较大时尤为突出。尾涡除直接辐射噪声外，在其脱落的过程中还会激励舵翼，引起舵翼的振动声辐射，其幅值较大、频率较低，影响了水下航行器的声学性能。同时尾涡中心存在低压区，存在潜在的空化问题。一旦空化发生，舵翼的水动力和声学特性将会急剧恶化。因此如何降低尾缘附近的脱涡强度、抑制涡激励，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种抑制涡激励振动的带孔舵及其设计方法，从减小尾缘脱涡强度和改善舵翼声学特性的角度出发，在舵上设置开孔，利用开孔的均压作用，降低压力面与吸力面之间的压差，从而减小脱涡尺度和强度，改变脱涡频率，达到有效抑制涡激励振动和直接声辐射的目的。
4.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
5.一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则如下：
6.a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；
7.b)开孔率不大于1％，所述开孔率＝开孔总面积/翼表面积；
8.c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式。
9.上述方案中，开孔形状为圆形。
10.上述方案中，开孔孔径大小为舵翼舷长的1％～2％。
11.上述方案中，开孔形式为直开孔。
12.上述方案中，所述压力孔在流向和展向均匀分布；。
13.上述方案中，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍。
14.上述方案中，流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。
15.相应的，本发明还提出上述抑制涡激励振动的带孔舵的设计方法，包括以下步骤：
16.s1、根据具体的舵翼尺寸，以开孔设置在3/4翼弦长至尾缘之间为定位原则，确定初步的开孔区域；
17.s2、计算舵翼表面积，为弧长
×
宽；
18.s3、根据开孔总面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值；
19.s4、根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案
：
孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍；计算舵翼升阻比，所述升阻比为升力与阻力比值，依据升阻比不大于5％的原则，优选升力脉动小、升力损失少的几种开孔方案；
20.s5、根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、本发明从减小尾缘脱涡强度的角度出发，在舵上设置开孔，利用开孔的均压作用，降低压力面与吸力面之间的压差，从而减小脱涡尺度和强度，达到有效抑制涡激励振动的目的。
23.2.相较于大尺度涡，受开孔后均压影响的小尺度脱落涡声辐射能量集中于中高频，这部分能量容易被耗散掉，可降低舵翼流场的直接声辐射级。
24.3.脱涡尺度和强度的降低改善了流场的压力分布，低压区的减小降低了空化发生的可能性。
25.4、由于开孔总面积的限制，开孔引起的额外流激噪声相对于涡激励振动噪声为小量，不会引起总的辐射噪声的升高。同时其对舵翼升阻力影响相对较低，不会明显改变舵翼的操纵性。
附图说明
26.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
27.图1是本发明实施例中带孔舵的立体结构示意图；
28.图2是图1所示带孔舵的平面结构示意图；
29.图3是开孔对于尾涡涡量和流场压力分布的影响示意图；
30.图4是采用q等值面表征的流场涡结构的对比图；
31.图5是无孔和开孔水翼升力系数的对比图；
32.图6是水翼表面压力监测点分布的示意图；
33.图7是各测点压力系数时均分布的示意图；
34.图8是部分测点处压力系数时域曲线；
35.图9是无孔和开孔水翼升力系数频域曲线；
36.图10是无孔和开孔水翼低频辐射噪声1/3倍频程对比。
具体实施方式
37.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
38.本发明实施例提供一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，如图1所示，开孔原则如下：
39.a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；
40.b)开孔率(开孔总面积/翼表面积)不大于1％，如果希望获得较好的降噪效果，开孔率可在限制范围内取较大值；
41.c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式；
42.d)开孔形状为圆形，孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；
43.e)开孔形式为直开孔；
44.f)压力孔在流向和展向均匀分布，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。
45.上述带孔舵，压力孔起到了均压作用，吸力面和压力面的压差得以减小，尾缘附近逆压梯度效应减弱，延缓了流动分离后的卷起过程，因而尾涡的强度会相应减弱。同时由于压力孔连通了舵翼的压力面和吸力面，孔中存在自压力面向吸力面的射流，该射流会冲击吸力面尾缘附近的流动，使原有的大尺度尾涡结构破碎成小涡结构。这些小涡结构的脱落频率比原先更高，可以避开舵翼的固有频率，避免共振现象的发生。
46.相应的，本发明还提出上述抑制涡激励振动的带孔舵的设计方法，包括以下步骤：
47.s1、根据具体的舵翼尺寸，以开孔设置在3/4翼弦长至尾缘之间为定位原则，确定初步的开孔区域。开孔位置尽量布置在尾缘附近，可削弱尾缘吸力面的负压效果，一定程度上抑制流动分离引起的涡脱落，使原有的大尺度涡结构破碎成尺度相对较小的涡。这些小涡一是脱落频率比原先更高，可以避开舵翼的固有频率，避免共振现象的发生；二是噪声频段相对较高，比原先大尺度涡发放的低频噪声更容易被耗散掉能量。
48.s2、计算舵翼表面积，为弧长
×
宽。
49.s3、根据开孔面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值。表面开孔的孔隙率不能太小也不能太大，太小影响孔的均压效果，太大会降低舵翼的升力，影响操纵性，1％是一个较合理的取值。
50.s4、根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案。开孔方案需满足：孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。然后计算舵翼升阻比，所述升阻比为升力与阻力比值，依据升阻比不大于5％的原则，优选升力脉动小、升力损失少的几种方案。
51.上述参数设计中：1.边缘开孔距梢部(展向)的距离不宜小于4倍孔径，是避免开孔对梢部附近流场产生干扰，影响舵翼操纵性。2.边缘开孔距尾缘不小于4倍孔径主要是考虑开孔后舵翼结构强度问题，尾缘附近舵翼较薄，开孔不宜离尾缘过近。3.开孔之间的间距则具体要看孔的排布方式，孔间距保持在4～8倍孔径之间为宜，太小会使得孔过密，增大了加工难度，同时造成操纵性损失；太大则均压效果不明显。
52.s5、根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。
53.下面以三维naca0012水翼为基础舵翼模型，对发明的开孔形式进行详细说明。基础舵翼模型为三维naca0012水翼，弦长760mm，展长320mm。如图2所示，带孔舵的开孔方案为：上下翼面之间设置了5排通孔(即压力孔)，每排3孔，压力孔在流向和展向均匀分布，孔流向间距(即图中的h)60mm，展向间距(即图中的t)约为64mm，展向边缘孔中心距离翼展边
界的距离约为32mm，流向边缘孔中心距离舵翼尾缘的距离为60mm，孔径为8mm。
54.经验证，本实施例设计的带孔舵具有以下技术效果：
55.(1)有效降低了尾涡脱落强度；
56.(2)提高了涡脱频率；
57.(3)降低了低频噪声；
58.(4)开孔对舵翼操纵性影响较低。
59.下面，对上述技术效果的验证做详细的说明。
60.(1)有效降低了尾涡脱落强度
61.下面从尾涡涡量和水翼尾流场压力分布展开描述。图3展示了18度攻角下无孔和开孔状态下水翼流场涡量和压力分布。从涡量云图中可以观察到开孔状态下尾涡结构更加细碎，说明孔内射流破坏了原有的大涡结构。同时压力云图展现了开孔后流场的涡旋负压区面积明显减小的现象，进一步表明开孔对涡脱的抑制作用。
62.图4采用q等值面直观展示了流场中的涡结构。同样地，从图中可以看出开设压力孔后流场中的涡结构更为细碎，涡尺度变小。涡尺度决定了涡强的大小，因此涡尺度变小体现了开孔后涡激强度降低。
63.由于总升力是位流升力和涡升力之和，而升力脉动主要由于周期脱落涡引起的，因此从升力的脉动可以进一步反应脱涡强度。如图5所示，为本发明提出的开孔方案与不开孔的升力脉动对比情况，其中，图(5-1)为舵翼升力系数随时间变化值，图(5-2)为舵翼升力系数时均值和相关统计参数，a5表示开孔水翼，可以看到开孔方案升力系数变化幅度显著降低，升力脉动大幅减小，进一步说明了涡脱强度的降低。
64.为了进一步直接体现开孔对于上下翼面压力差的降低作用，本发明还在水翼表面排布了多个测点，用于监测压力的变化，如图6所示。
65.图7展示了水翼表面压力系数的时均分布，图8展示了水翼尾缘附近测点(2个压力监测点)处的压力脉动，可以观察到开孔水翼吸力面尾缘附近的负压绝对值有所降低，其脉动强度也大为减弱，这证实了压力孔对于逆压梯度的抑制作用。而水翼流场中负压梯度的降低可使流动分离减弱，进而导致脱涡强度的降低。
66.(2)提高了涡脱频率
67.脱涡尺度越大，其脱落频率越低。因此涡脱频率的提高能进一步佐证脱涡尺度的变小。
68.图9展示了无孔和开孔水翼升力系数频域的对比，开孔水翼低频段峰值和无孔水翼相比明显降低。而图8中舵翼开孔前后尾缘压力时域变化曲线，也符合小涡结构高频脱落的现象，这间接说明了开孔有效降低了尾涡的强度并改变了涡脱频率。而涡脱频率在舵翼涡激振动研究中也是一个关键参数，涡脱频率提高有利于避免水翼涡激振动的发生。
69.(3)降低了低频噪声；
70.图10展示了1～100hz有孔和无孔辐射噪声1/3倍频程对比，发现开孔使得噪声在该频段内的幅值有所降低。前文提到开孔使得原本大尺度的脱落涡更为破碎，而大尺度的脱涡直发声能量集中在低频，而破碎后的脱落涡声能量转移至更高的频率，这解释了为什么开孔工况在1～100hz噪声降低的现象。低频噪声的降低对航行体的安静性是有益的，因为低频噪声传播距离远，易被捕捉，而高频噪声传播距离近，声能量较容易耗散。
71.(4)开孔对舵翼操纵性影响较低
72.理论上在尾缘处开孔会一定程度影响舵翼的操纵性，我们关注的是影响程度是否在可接受的范围内。开孔影响舵翼操纵性的直观体现就是舵翼升阻力系数的改变。表1给出了开孔状态下攻角为10度和18度下水翼升力系数的变化情况，用以说明开孔对舵翼操纵性的影响。计算结果表明，升力损失率分别为3.08％、-0.91％，说明这两个工况下开孔并未对操纵性产生较大影响。
73.表1开孔对升力系数的影响
74.工况cl(无孔)cl(开孔)损失率％10度攻角1.1751.2113.08 18度攻角1.10321.0932-0.91
75.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则如下：a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；b)开孔率不大于1％，所述开孔率＝开孔总面积/翼表面积；c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式。2.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔形状为圆形。3.根据权利要求2所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔孔径大小为舵翼舷长的1％～2％。4.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，开孔形式为直开孔。5.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，所述压力孔在流向和展向均匀分布。6.根据权利要求5所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍。7.根据权利要求5所述的抑制涡激励振动的带孔舵，其特征在于，流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍。8.根据权利要求1所述的抑制涡激励振动的带孔舵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据具体的舵翼尺寸，以开孔设置在3/4翼弦长至尾缘之间为定位原则，确定初步的开孔区域；s2、计算舵翼表面积，为弧长
×
宽；s3、根据开孔总面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值；s4、根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案
：
孔径大小为舵翼舷长的1％～2％；展向边缘孔中心距离翼展边界不小于4倍孔径，展向孔间距为该距离的2倍；流向边缘孔中心距离舵翼尾缘不小于4倍孔径，流向孔间距为该距离的1～2倍；计算舵翼升阻比，所述升阻比为升力与阻力比值，依据升阻比不大于5％的原则，优选升力脉动小、升力损失少的几种开孔方案；s5、根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。

技术总结
本发明涉及一种抑制涡激励振动的带孔舵，在舵翼尾缘边缘沿流向和展向开设全通式压力孔，连通压力面和吸力面，开孔原则：a)开孔区域在尾缘前，在3/4翼弦长之后；b)开孔率(开孔总面积/翼表面积)不大于1％；c)开孔为多排、每排多孔的多孔形式；其设计方法：根据舵翼尺寸确定初步的开孔区域；计算舵翼表面积；根据开孔总面积不大于舵翼表面积的1％要求，确定开孔总面积限制值；根据开孔总面积，以开孔直径、排列数为变化参数设置多种开孔方案；根据优选方案，对比其尾缘附近流场涡量、压力分布及水动力噪声频谱特性，选择脱涡强度和噪声低的开孔方案。本发明降低了尾涡脱落强度，提高了涡脱频率，降低了低频噪声，开孔对舵翼操纵性影响较低。较低。较低。


技术研发人员：杨雨浓 王昭予 王春旭 熊济时 王晴 代金池
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/3/14