一种具有降噪功能的仿生型导流罩设计方法与流程

1.本发明涉及船舶声呐导流罩设计技术，尤其是指一种具有降噪功能的仿生型导流罩设计方法。


背景技术：

2.船舶高速行驶时，由于流体的激励作用，声呐导流罩表面将产生流激噪声。流激噪声会干扰声呐信号的采集，产生冗杂信号，影响声源结果的判断，因此需要降低噪声对导流罩信号的影响设计方法。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中仿生型导流罩在流激噪声影响下会干扰声呐信号的采集，产生冗杂信号的问题，从而提供一种具有降噪功能的仿生型导流罩设计方法。
4.为解决上述技术问题，本发明的一种具有降噪功能的仿生型导流罩设计方法，所述的原型导流罩包括上盖、中段、底舱，所述的上盖、中段、底舱表面均匀布置球形凸起，以达到降低行进过程中导流罩表面流噪声声压强度的效果，，包括如下步骤：
5.步骤s1：保持原型导流罩的主体外型和结构不变，对原型导流罩进行流场数据数值模拟；
6.步骤s2：对原型导流罩外表面进行仿生结构设计；
7.步骤s3：给出定义球形凸起直径d，
[0008][0009]
式中：u——25℃水的动力粘性系数，为0.9*10-6
m2/s；ρ——液体的密度，kg/m3；a
总
——导流罩外壳总面积，m2；v——导流罩在水中的航速，m/s；a——球形凸起所在部位的平面或曲面的面积，m2；v——导流罩总体积，m3；c——导流罩剖面线弦长，m；t——剖面最大厚度，m；τ0——球形凸起所在导流罩外壁面平均剪切应力，pa；
[0010]
步骤s4：给出定义导流罩中段沿上部至下部方向第一行球形凸起球心距导流罩上部侧面投影线的距离为n，单位mm，
[0011][0012]
式中：d——球形凸起直径，mm；g——重力加速度，m2/s；h——导流罩中段高度，m；h——导流罩重心距水面深度，m；v——导流罩总体积，m3；v——导流罩在水中的航速，m/s；
[0013]
步骤s5：给出定义导流罩中段沿头部至尾部方向第k列球形凸起球心距第(k-1)列球形凸起球心在侧面投影的距离为pk，单位为mm，
[0014][0015]
式中：d——球形凸起直径，mm；c——导流罩剖面线弦长，m；t——剖面最大厚度，
m；g——重力加速度，m2/s；t——剖面最大厚度，m；v——导流罩在水中的航速，m/s；a*——无量纲常数，取值为1～10；h——导流罩重心距水面深度，m；
[0016]
步骤s6：给出定义导流罩中段沿上部至下部方向相邻两行球形凸起球心的距离为j，单位mm，
[0017][0018]
式中：d——球形凸起直径，mm；h——导流罩中段高度,m；c——导流罩剖面线弦长，m；b
*
——无量纲常数，取值为t/c～3；n——导流罩中段沿上部至下部方向第一行球形凸起球心距导流罩上部侧面投影线的距离,mm；
[0019]
步骤s7：以顺时针方向为正，第k个横剖面上，第一个与最后一个球形凸起与导流罩底部上侧平面投影线的夹角为θ
k0
，单位
°
；第一个与最后一个球形凸起之间均匀分布nk个球形凸起，相邻球形凸起之间的夹角为θk；
[0020][0021]
式中:c——导流罩剖面线弦长，m；τk——导流罩底部第k个横剖面的平均剪应力，由数值模拟可得出数值，pa；ρ——液体的密度，kg/m3；
[0022][0023]
式中:n*——为无量纲系数，范围为1～10e
rk
；xk——第k个横剖面在图6所示的坐标系中横坐标；x0——f(x)取最大值时x的坐标值；rk——第k个横剖面剖面线半径，m；
[0024]
故，
[0025]
步骤s8：建立直角坐标系，中环轮廓线在x轴上方的函数为g(x)，沿头部至尾部方向，第一列球形凸起至原点的距离为a0，第k列球形凸起距第(k-1)列的距离为bk，第k列球形凸起的个数为mk；
[0026][0027]
式中:d——位于上盖中环的球形凸起直径，mm；c0——上盖中环轮廓线弦长，m；t0——上盖中环轮廓线最大厚度，m；v——导流罩在水中的航速,m/s；τ0——上盖中环平均剪切应力，pa；ρ——液体的密度，kg/m3；u——25℃水的动力粘性系数，为0.9*10-6
m2/s；
[0028][0029][0030]
式中：d——上盖中环球形凸起直径，mm；c0——上盖中环轮廓线弦长，m；c*——无量纲系数；g——重力加速度，m2/s；t0——上盖中环轮廓线最大厚度，m；v——导流罩在水中的航速,m/s；h——导流罩重心距水面深度,m；xk-1——第k-1列在x轴的坐标值；a
上盖
——导流罩上盖俯视方向总面积，m2；a
中环
——导流罩上盖中环区域的面积，m2；
[0031][0032]
式中：d——上盖中环内球形凸起的直径，mm；m
*
——无量纲系数，取值范围为1～3；xk——第k列在x轴的坐标值；w——与第k列上上盖内环的厚度值有关，根据实际情况而定；
[0033]
步骤s9：建立直角坐标系，坐标系原点位于上盖外环轮廓线与中环轮廓线水平距离的二分之一处，即y0/2处，已知外环轮廓线与中环轮廓线之间的曲线为y(x)，球形凸起的球心均在y(x)上,第k列球心凸起距(k-1)列球形凸起的水平距离为lk，第一列球形凸起即在原点处；
[0034][0035][0036]
式中：d——上盖外环球形凸起直径，mm；c1——上盖外环轮廓线弦长，m；z*——无量纲系数；g——重力加速度，m2/s；t1——上盖中环轮廓线最大厚度，m；v——导流罩在水中的航速,m/s；h——导流罩重心距水面深度,m；x
k-1
——第k-1列在x轴的坐标值；a
上盖
——导流罩上盖俯视方向总面积，m2；a
外环
——导流罩上盖中环区域的面积，m2；
[0037]
步骤s10：对仿生型导流罩的降噪效果进行数值模拟验证。
[0038]
在本发明的一个实施例中，所述的流场数据包括外壁面压强、速度、壁面平均剪应力，利用有限元分析对原型导流罩以及仿生型导流罩进行不同频率下的声学仿真。
[0039]
在本发明的一个实施例中，所述的导流罩中段是一段直筒拉伸段，导流罩底舱是由导流罩中段水平方向的剖面曲线绕中轴线旋转半圈而成。
[0040]
在本发明的一个实施例中，所述的导流罩中段沿头部至尾部方向第一列球心凸起的球心在坐标原点处，已知导流罩中段水平剖面线的函数表达式为f(x)，则f'(x)为其某一点切线的斜率。
[0041]
在本发明的一个实施例中，所述的导流罩底舱球形凸起的布置方式为：沿导流罩头部至尾部方向，在导流罩上划分若干个横剖面，第k个横剖面距第(k-1)横剖面在侧面投影的距离为pk，与导流罩中段沿头部至尾部方向第k列球形凸起球心距第(k-1)列球形凸起球心在侧面投影的距离pk相同；球形凸起在横剖面的剖面线上沿圆周均匀布置，球心均在剖面线上。
[0042]
在本发明的一个实施例中，所述的导流罩上盖分为上盖外环、中环、内环三部份，上盖中环比外环高出，内环占了一部分中环的面积，故所占部份不能布置球形凸起。
[0043]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种使声呐导流罩具有降噪性能的仿生结构设计方法，通过该设计方法可以设计出一种具有仿生结构的导流罩，从而降低流激噪声对声呐信号的干扰，提高信号的准确度。
附图说明
[0044]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0045]
图1是原型导流罩组成示意图；
[0046]
图2是导流罩中段水平剖面线示意图；
[0047]
图3是导流罩尾部视图；
[0048]
图4仿生型导流罩示意图；
[0049]
图5是导流罩侧面投影示意图；
[0050]
图6是导流罩中段水平剖面线坐标示意图；
[0051]
图7导流罩底部横剖面球形凸起布置示意图；
[0052]
图8上盖区域划分示意图；
[0053]
图9导流罩上盖中环球形凸起布置示意图；
[0054]
图10导流罩上盖外环球形凸起布置示意图。
[0055]
如图所示，1、上盖，2、中段，3、底部。
具体实施方式
[0056]
如图1所示，本实施例提供导流罩进行仿生设计，其具体参数为：导流罩弦长c＝2300mm，宽度t＝760mm，速度v＝20n mile/h(即10.28m/s)，导流罩总体积v＝0.1819m3，工作水深h＝5m。导流罩上盖表面积a
上盖
＝0.4117m2，中段表面积a
中段
＝0.8197m2，底舱表面积a
底舱
＝0.7434m2，a
总
＝1.9748m2,中段长度h＝300mm。液体的密度ρ＝1000kg/m3，25℃水的动力粘性系数u＝0.9*10-6
m2/s。
[0057]
步骤s1：保持原型导流罩的主体外型和结构不变，对原型导流罩进行流场数据数值模拟；
[0058]
步骤s2：对原型导流罩外表面进行仿生结构设计；
[0059]
步骤s3：球形凸起直径d，单位mm
[0060][0061][0062][0063]
步骤s4：导流罩中段沿上部至下部方向第一行球形凸起球心距导流罩上部侧面投影线的距离n，单位mm
[0064][0065]
步骤s5：结合图2所示，导流罩中段沿头部至尾部方向第k列球形凸起球心距第(k-1)列球形凸起球心在侧面投影的距离为pk,单位为mm。如图6建立直角坐标系，第一列球心
凸起的球心在坐标原点处，已知导流罩中段水平剖面线的函数表达式为f(x)，则f’(x)为其某一点切线的斜率
[0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075][0076][0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083]
步骤s6：导流罩中段沿上部至下部方向相邻两行球形凸起球心的距离为j，单位mm
[0084][0085]
步骤s7：导流罩底部球形凸起的布置方式为：沿导流罩头部至尾部方向，在导流罩上划分若干个横剖面，第k个横剖面距第(k-1)横剖面在侧面投影的距离为pk，与导流罩中段沿头部至尾部方向第k列球形凸起球心距第(k-1)列球形凸起球心在侧面投影的距离pk相同，如图5所示；球形凸起在横剖面的剖面线上沿圆周均匀布置，球心均在剖面线上，如图7所示。以顺时针方向为正，第k个横剖面上，第一个与最后一个球形凸起与导流罩底部上侧平面投影线的夹角为θ
k0
，单位
°
；第一个与最后一个球形凸起之间均匀分布nk个球形凸起，相邻球形凸起之间的夹角为θk；由图6、7可知，第k个剖面线所在半圆的半径r＝f(xk)
[0086][0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101][0102][0103][0104]
[0105][0106][0107][0108][0109][0110][0111][0112][0113][0114][0115][0116][0117][0118]
由于第18列的平面所在的导流罩厚度与球形凸起直径相近，易造成干涉，因此不便于布置；
[0119]
步骤s8：导流罩上盖分为上盖外环、中环、内环三部份，上盖中环比外环高出一部分，如图8所示，由于内环占了一部分中环的面积，故所占部份不能布置球形凸起。如图9所示，建立直角坐标系，中环轮廓线在x轴上方的函数为g(x)，沿头部至尾部方向，第一列球形凸起至原点的距离为a0，第k列球形凸起距第(k-1)列的距离为bk，第k列球形凸起的个数为mk；
[0120][0121][0122][0123][0124][0125][0126]
[0127][0128][0129][0130][0131][0132][0133][0134][0135][0136][0137][0138][0139][0140][0141][0142][0143][0144][0145][0146][0147]
[0148][0149][0150]
步骤s9：如图10所示，建立直角坐标系，坐标系原点位于上盖外环轮廓线与中环轮廓线水平距离的二分之一处，即y0/2处，已知外环轮廓线与中环轮廓线之间的曲线为y(x)，球形凸起的球心均在y(x)上。第k列球心凸起距(k-1)列球形凸起的水平距离为lk，第一列球形凸起即在原点处；
[0151][0152][0153][0154][0155][0156][0157][0158][0159][0160][0161][0162][0163][0164][0165][0166]
步骤s10：对仿生型导流罩的降噪效果进行数值模拟验证，对于中高频噪声，球形凸起结构导流罩降噪效果明显，最大声压级值降低范围为58～67db。凹坑型导流罩在10000hz时，最大声压级值降低了1db，其余频率最大声压级值没有降低，但凹坑型导流罩舱室两侧声压级分布较为均匀，没有出现声压级值较高的区域。
[0167]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变
动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。