一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法、设备及存储介质

1.本发明涉及工程应用技术领域，涉及一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.喷水推进因具备传统螺旋桨所不及的优点，如机动性和操纵性好、效率高、抗汽蚀能力强等，契合高性能水面舰艇推进技术的发展需求，使喷水推进成为一种新型特种动力装置在国际船舶市场(尤其是高速高性能舰船领域)广泛应用。随着现代工业的发展和科学技术的进步，要求喷水推进泵在满足水力性能的基础上，对其振动和噪声特性也提出了更高的要求，尤其是军工领域。作为海军利器，舰艇一直是世界各国海军的研究热点，提高舰艇隐蔽性为研究的重点之一。
3.目前，拥有喷水推进舰艇的国家有美国、日本、俄罗斯、意大利、新加坡、南非、瑞典等。“洛杉矶”级核潜艇的噪声为128分贝，“俄亥俄”级核潜艇和“海狼”级攻击核潜艇的噪声更是降到100至110分贝，已与自然海洋的噪声水平十分接近。
4.喷水推进泵这类叶片式旋转水力机械噪声来源主要有机械振动噪声、电机电磁噪声和流体诱导噪声，且针对喷水推进泵而言，噪声源主要为压力梯度显著的叶轮处的偶极子噪声源，决定了喷水推进泵的噪声水平，但也是最难有效控制的流体激励成分。这是因为喷水推进泵需频繁适应不同工况以配合工作环境的复杂多变，导致叶轮和导叶这两个关键部位存在尾流、流动分离、逆压梯度和显著的湍流脉动，进而产生强烈的流体激励诱导发生结构振动和噪声，甚至，在非稳态流动的扰动频率与结构的固有频率相近时，诱发结构失稳引起剧烈的动力学响应，形成水力-结构-声场共振，严重威胁喷水推进及系统运行的稳定性和可靠性。喷水推进泵叶轮内存在因流线弯曲和系统旋转产生不稳定流动结构，尤其是叶片出口区域存在较强的压力梯度，并与导叶相互作用形成强烈的叶频压力脉动。因此，对叶片出口位置压力梯度的有效控制是降低喷水推进泵压力脉动的关键，对改善喷水推进泵振动噪声水平具有重要意义。


技术实现要素：

5.由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种能够有效降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，且该方法步序简单且设计合理，对叶片尾缘压力脉动强度降低效果好，适用性好，能够广泛推广至各个应用领域，克服了叶片出口区域压力梯度较大的缺陷。
6.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其步骤如下：
8.(1)基于原始叶轮构建原始叶轮模型，获取原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征；
9.(2)应用模拟技术基于原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征对原始叶轮进行改型优化获取最佳优化方案，所述改型优化是指在原始叶轮的叶片出口处开设
槽，所述槽位于叶片的侧壁上且其由叶片压力面侧起始并朝着叶片吸力面侧延伸，所述最佳优化方案包括槽的数量、位置以及各自的形状参数且所述最佳优化方案对应的模拟所得叶频压力脉动强度是所有方案中最低的。
10.作为优选的技术方案：
11.如上所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，所述应用模拟技术是基于croe3.0建模软件完成的，当然本领域技术人员可根据实际情况选择合适的建模软件，软件可自动完成寻优即确认槽的设计形式及优化条件后输入软件即可获取最佳优化方案。
12.如上所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，所述槽的位置参数为槽距离叶轮中心的距离rc；
13.所述槽的形状参数为槽的宽度w以及总长l。当然本领域技术人员可根据实际需求设置以上参数，此处仅给出一种可行的技术方案。
14.如上所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，所述原始叶轮设有五个叶片；
15.所述最佳优化方案中每个叶片设有相互平行的三个槽。
16.如上所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，所述槽包括相互连接的长直段和半圆段，长直段相比于半圆段更靠近叶片压力面侧；
17.所述半圆段的截面为半圆形且所述半圆形的直径与长直段的宽度相同。以上仅为一种技术方案而已，在实际应用中最佳优化方案的确认是基于软件完成的。
18.本发明提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：
19.至少一个处理器；以及，
20.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
21.所述存储器存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如上所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。
22.此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如上所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。
23.以上技术方案仅为本发明的一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求合理调整具体设计。
24.发明机理：
25.当流体流入喷水推进泵叶轮时受叶片厚度排挤，很难完全贴合叶片进入叶轮，同时受叶片弯曲和系统旋转作用，叶轮内发生流动分离，叶片表明压力波动显著。同时，伴随系统旋转叶片驱动流体对其做功，使流体从叶片进口至叶片出口叶轮内压力逐渐升高，进而在叶片工作面和叶片背面之间形成显著的压力差。在流体从叶轮出口边流出时，压力面侧的高压流体和吸力面侧的低压流体绕流经过叶片尾缘，致使叶片尾缘处形成较高的局部压力梯度，伴随着尾缘脱落涡的形成。
26.而叶片尾缘处因绕流形成的局部压力梯度和尾缘脱落涡在流入下游的导叶时，与导叶之间相互干扰，造成叶频压力脉动的显著增强，该成分的压力脉动也是喷水推进泵内噪声源的主要成分。
27.为了消除叶片尾缘处的局部压力梯度，则需叶轮压力面和吸力面侧的高低压流体
在流出叶轮出口边之前降低两侧的压力差，这将需要让流体在叶片尾缘处形成绕流压力梯度前进行汇合，但同时需保证喷水推进泵的做功能力，即水力性能不能下降。
28.本发明给出的基础方案为在保证原始叶轮几何外形及其配合尺寸不变的情况下，在出口区域沿流线方向布置从叶片压力面侧至吸力面侧的槽，而后利用建模软件对槽的具体设计方案进行优化以获取最佳优化方案(验证后发现能够显著降低叶频压力脉动强度)，本发明的基础方案中的槽的布置形式具有以下作用：将叶片出口区域压力面侧的部分高压流体引入吸力面，补偿吸力面侧的局部低压，降低压力梯度，避免叶片尾缘处汇合的流体形成尾迹涡，同时也降低叶片尾缘处的压力梯度，使其对流动的扰动降低。
29.上述发明具有如下优点或者有益效果：
30.(1)本发明将槽布置于叶片出口区域，不会影响叶轮内整体流动状态和叶轮的做功能力，保证了喷水推进泵的基本性能，而不以牺牲扬程和效率为代价，降低压力脉动强度；
31.(2)本发明中独特设计的槽可将叶片出口区域压力面侧高压流体引入吸力面侧，补偿吸力面侧压力，降低压力面侧和吸力面侧流动在叶片尾缘处汇合形成的压力梯度，降低叶轮尾缘处压力梯度于导叶内流动相互干涉形成的压力脉动；
32.(3)本发明中独特设计的槽可改善叶片出口区域流动分离点位置，改善叶轮内流动状态和叶片尾流涡结构；
33.(4)本发明的槽设计简单，易于加工，成本低廉，适用性好，极具应用前景。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
35.图1为原始叶轮模型的示意图；
36.图2为最佳优化方案对应的叶轮模型的示意图，图中槽所示线为虚线；
37.图3为最佳优化方案的槽的示意图，图中箭头为槽内流体的流动方向；
38.图4为原始叶轮(对应图中hlp-ori)与最佳优化方案(对应图中hlp-opt)对应的叶片压力脉动标准差对比示意图；
39.图5为原始叶轮不同位置(r1、r2、r3)的压力脉动频率分布图；
40.图6为最佳优化方案不同位置(r1、r2、r3)的压力脉动频率分布图；
41.其中，1-叶片吸力面，2-槽。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
43.实施例1
44.一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其步骤如下：
45.(1)基于如图1所示的原始叶轮(设有五个叶片)构建原始叶轮模型，获取原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征，具体地，基于数值计算方法，对原始喷水推进泵
内部流动和压力脉动进行数值模型，分析叶轮内的流动状态以及在叶轮尾缘处的压力梯度和局部低压区的面积，计算评估原始叶轮的叶频压力脉动强度；
46.(2)应用模拟技术(基于croe3.0建模软件)基于原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征对原始叶轮进行改型优化获取如图2所示的最佳优化方案，改型优化是指在原始叶轮的叶片出口处开设槽2，槽2位于叶片的侧壁上且其由叶片压力面侧起始并朝着叶片吸力面1侧延伸，最佳优化方案包括槽的数量(每个叶片设有相互平行的三个槽)、位置(参数为槽距离叶轮中心的距离rc)以及各自的形状参数(槽如图3所示，包括相互连接的长直段和半圆段，长直段相比于半圆段更靠近叶片压力面侧；半圆段的截面为半圆形且半圆形的直径与长直段的宽度相同，形状参数为槽的宽度w以及总长l)且最佳优化方案对应的模拟所得叶频压力脉动强度是所有方案中最低的。
47.在叶片出口区域布置的槽型结构不会影响叶片的入口流动，即来流进入叶轮后，不影响叶轮入流条件和流动状态，由于叶片出口处槽型结构沿流线布置，对叶片整体的速度环量和载荷分布不造成影响，也因在叶片出口处布置，不会影响叶轮内整理流动状态，保证了喷水推进基本水力性能。整体上，槽型结构放置于叶轮尾缘，虽然致使喷水推进泵提前释放扭矩进而一定程度地影响喷水推进泵的效率，但相比于对压力脉动强度的降低，是完全可以接受的，对优化设计后的喷水推进泵进行数值计算，计算的网格、参数设置与原始喷水推进泵叶轮模型一致，分析对叶片进口边进行改型设计后的压力脉动强度。
48.原始模型和优化模型的压力脉动强度对比分析如下：以如图1所示的喷水推进泵叶轮为例，此处引入压力脉动信号的标准差作为反映压力脉动强度的物理量，即
stdev.(p)
越大压力脉动越剧烈，图4为原始叶轮(对应图中hlp-ori)与最佳优化方案(对应图中hlp-opt)对应的叶片压力脉动标准差对比示意图，由图4可以看出改型后的叶频压力脉动得到显著降低，在原始叶轮的基础上，压力脉动整体强度降低了52％以上，叶频压力脉动强度也显著降低(约46％)，此外，原始叶轮及最佳优化方案不同位置(r1、r2、r3)的压力脉动频率分布图分别如图5、6所示，由图5、6也可看出改型后的叶频压力脉动得到显著降低。
49.整体而言，通过对叶片出口边布置槽型结构以消除叶片尾缘处的局部压力梯度，进而改善叶轮压力面和吸力面侧的压力差，达到改善喷水推进泵叶轮内压力脉动强度的目的，实现了流动控制。
50.实施例2
51.一种计算机设备，包括：至少一个处理器以及与至少一个处理器通信连接的存储器；
52.其中，存储器存储有计算机可读指令，处理器执行计算机可读指令时实现如实施例1所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。
53.实施例3
54.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时实现如实施例1所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。
55.经验证，本发明将槽布置于叶片出口区域，不会影响叶轮内整体流动状态和叶轮的做功能力，保证了喷水推进泵的基本性能，而不以牺牲扬程和效率为代价，降低压力脉动
强度；独特设计的槽可将叶片出口区域压力面侧高压流体引入吸力面侧，补偿吸力面侧压力，降低压力面侧和吸力面侧流动在叶片尾缘处汇合形成的压力梯度，降低叶轮尾缘处压力梯度于导叶内流动相互干涉形成的压力脉动；独特设计的槽可改善叶片出口区域流动分离点位置，改善叶轮内流动状态和叶片尾流涡结构；槽设计简单，易于加工，成本低廉，适用性好，极具应用前景。
56.本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
57.以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其特征在于：其步骤如下：(1)基于原始叶轮构建原始叶轮模型，获取原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征；(2)应用模拟技术基于原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征对原始叶轮进行改型优化获取最佳优化方案，所述改型优化是指在原始叶轮的叶片出口处开设槽，所述槽位于叶片的侧壁上且其由叶片压力面侧起始并朝着叶片吸力面侧延伸，所述最佳优化方案包括槽的数量、位置以及各自的形状参数且所述最佳优化方案对应的模拟所得叶频压力脉动强度是所有方案中最低的。2.根据权利要求1所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其特征在于，所述应用模拟技术是基于croe3.0建模软件完成的。3.根据权利要求1所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其特征在于，所述槽的位置参数为槽距离叶轮中心的距离rc；所述槽的形状参数为槽的宽度w以及总长l。4.根据权利要求1所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其特征在于，所述原始叶轮设有五个叶片；所述最佳优化方案中每个叶片设有相互平行的三个槽。5.根据权利要求4所述的一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法，其特征在于，所述槽包括相互连接的长直段和半圆段，长直段相比于半圆段更靠近叶片压力面侧；所述半圆段的截面为半圆形且所述半圆形的直径与长直段的宽度相同。6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如权利要求1～5任一项所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的降低叶片尾缘压力脉动强度的方法。

技术总结
本发明公开了一种降低叶片尾缘压力脉动强度的方法、设备及存储介质，方法的步骤：基于原始叶轮构建原始叶轮模型，获取原始叶轮内的流动状态和压力脉动的频率分布特征；应用模拟技术对原始叶轮进行改型优化获取最佳优化方案，改型优化是指在原始叶轮的叶片出口处开设槽，槽位于叶片的侧壁上且其由叶片压力面侧起始并朝着叶片吸力面侧延伸，最佳优化方案对应的模拟所得叶频压力脉动强度是所有方案中最低的。本发明将槽布置于叶片出口区域，不会影响叶轮内整体流动状态和叶轮的做功能力，保证了喷水推进泵的基本性能，而不以牺牲扬程和效率为代价，降低压力脉动强度；槽设计简单、易于加工、成本低廉，应用前景好。应用前景好。应用前景好。


技术研发人员：尹俊连 张正川 龚波 王德忠
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.11.25
技术公布日：2023/7/19