艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报

[目的]螺旋桨噪声和水动力噪声是潜艇噪声控制的重点和难点,因此有必要开展艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声预报研究。[方法]以SUBOFF潜艇和DTMB 4383桨为计算对象,结合大涡模拟湍流模型和无限元方法,分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。采用ACTRAN声学计算软件对艇桨一体的水动力噪声性能进行数值预报。[结果]计算结果表明:螺旋桨激振力的各个分量具有相同的脉动频率,脉动峰值以一阶叶频处为主,同时水平力脉动和垂直力脉动大于推力脉动;潜艇艏部、指挥台、艉翼及螺旋桨叶梢部位均存在局部高压区,这是水动力噪声的主要贡献点;艇桨一体的水动力噪声主要集中在低频段,随着频率的增加,其蝶形分布更加明显;与无桨全附体潜艇相比,带桨潜艇特征点的声压值急剧增加,对其辐射声场的影响较大。[结论]研究成果可为艇桨一体的螺旋桨设计提供参考建议。     

尾后轴承刚度对潜艇结构声辐射特性的影响

研究潜艇结构振动、声辐射特性随尾后轴承刚度改变的变化规律,对潜艇减振降噪具有十分重要的意义。从振源振动传递路径的声学设计的角度出发,以改变靠近螺旋桨的尾后轴承的刚度为具体措施,采用结构有限元法、结构有限元耦合流体边界元方法,以辐射声功率、湿表面均方法向速度作为衡量结构噪声辐射能力的主要衡量指标,系统地研究潜艇结构振动、辐射噪声谱峰频率和峰值的变化规律。从计算结果可以看出:在低频段,随着尾后轴承刚度的增大,谱峰频率明显向高频移动,第一峰值呈先减小后增大趋势,第二峰值呈明显增大趋势;尾后轴承刚度越小,除第一个谱峰频率附近的窄频带外,在整个计算频段范围内,振动和辐射噪声明显减小。因此,改变尾后轴承刚度,可以使谱峰频率向高频或低频移动,这样就能够使设备激振力的谱峰频率与结构振动及辐射噪声的谱峰频率错开,实现对辐射噪声的控制;降低尾后轴承刚度,在一定频段范围内,能够明显降低潜艇振动和辐射噪声。     

从潜艇水下噪声频谱中分离出螺旋浆噪声的研究

本文依据收集的资料，分析了潜艇噪声源及其特性；从声频特征信号分析出发，综合出从测获潜艇水下辐射噪声和自噪声中分离出螺旋桨噪声（旋转声、涡流声、空化噪声、唱音）的方法，可供从事螺旋桨噪声控制的研究人员参考。     

超大型矿砂船螺旋桨空泡剥蚀研究

为解决某超大型矿砂船螺旋桨梢部随边剥蚀问题，在中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展了全附体船舶带螺旋桨模型的空泡与脉动压力特性研究，确认了实船螺旋桨空泡剥蚀产生的原因，并基于产生剥蚀空泡的动态特征，设计了三种不同解决方案，期望改善矿砂船螺旋桨空泡运动行为，降低空泡剥蚀风险。试验结果表明：对原螺旋桨压力面导边0.6R～1.0R削边处理，可增加空泡体积与稳定性，明显改善原螺旋桨叶梢空泡动态行为，降低剥蚀风险；新设计的Eppler剖面螺旋桨，可产生无害的空泡形态，避免了空泡剥蚀的产生。     

推力轴承基座对艇体振动及其辐射噪声的影响

利用FEM/BEM方法计算了实尺度单壳体潜艇在螺旋桨激振力作用下的结构振动和水下声辐射特性.分析比较了两种推力轴承基座形式(法兰盘式基座和普通基座)对潜艇在螺旋桨激励下振动与噪声性能的影响.结果表明,安装法兰盘式推力轴承基座能在除28 Hz附近降低潜艇辐射噪声,最大降低25 dB左右.普通推力轴承基座形式只将螺旋桨脉动推力加载到与其相连的艇体结构上,引起纵向振动和横向振动,其壳体的法向振动较强烈;而法兰盘式推力轴承基座可以将螺旋桨脉动推力沿周向均匀地加载到艇体上,它主要引起纵向振动,只有艇体首尾处有法向振动,因而,噪声较低.     

螺旋桨激振力传递模式下的艇体振动和声辐射分析

潜艇的艇体结构是潜艇螺旋桨激振力向外辐射噪声的重要通道,而轴系是螺旋桨激振力传递到艇体的必经之路,因此有必要研究潜艇轴系向艇体传递的激振力对潜艇艇体振动和辐射声功率的影响。为此,分别针对螺旋桨轴向激振力、螺旋桨侧向激振力和螺旋桨垂向激振力工况,使用模式分析的方法,将轴系对艇体的作用力分解为互不相关的力传递模式的叠加。建立潜艇结构有限元模型,采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量附加阻尼算法,分析单阶力传递模式作用于艇体时艇体的振动和声辐射特性。所做的研究可为分析螺旋桨激振力作用下的艇体振动和声辐射提供一种新的方法。     

激光空化在水下假目标中的应用研究

潜艇螺旋桨完全空化后,其对外所辐射的空化噪声是主要噪声源。针对这一特征,考虑利用激光光源在远处水下产生空化噪声作为假目标,用来模拟潜艇螺旋桨产生的空化噪声。对实现该水下对抗方法拟采取的实验研究路线与将建立的伪装系统进行了初步的探讨和研究。     

消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较

潜艇桨盘面伴流是潜艇螺旋桨的进流,其周向均匀性与螺旋桨的振动与噪声直接相关。文章在阐明潜艇主附体结合部马蹄涡对潜艇伴流影响和消涡整流片的作用原理的基础上,针对SUBOFF模型的几何特点,设计了一套消涡整流片,运用分离涡方法计算了消涡整流片对桨盘面速度分量周向不均匀性的抑制作用,并与辅翼的整流作用进行了比较,结果表明,消涡整流片效果相对较好,可使周向不均匀性下降50%～80%,且整流片的整流效果具有较好的稳定性。     

潜艇噪声与综合降噪技术的应用

介绍潜艇噪声的危害和来源,阐述降低潜艇的机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声等三个主要噪声的技术措施。     

从平台角度看潜艇声特征信号

潜艇在设计阶段就注重降噪是最为有效的。潜艇的特征信号要求可通过设想潜艇未来的作战情况来确定。从这些要求出发，可确定满足特征信号要求的艇上机械设备的噪声指标的预分配和一套噪声控制程序。构成声特征信号的5个主要辐射噪声的声源为：（1）机械噪声；（2）螺旋桨／推进噪声；（3）艇体的谐振；（4）流体噪声；（5）空化噪声。前三种噪声主要为线谱噪声，在辐射频谱上形成线谱。后两种噪声源为宽带噪声。大多数机械噪声的频率在10Hz到1kHz之间，艇体谐振产生的噪声频率一般在10Hz和60Hz间。但可能大到2kHz，螺旋桨噪声通常低于100Hz，而空泡和流体噪声最大可超过10kHz。     

艇后大侧斜螺旋桨负载噪声数值分析

为研究艇后非均匀流场中大侧斜螺旋桨无空泡负载噪声的分布规律,文章采用“CFD+BEM”法,以SUBOFF潜艇后某大侧斜桨为研究对象,首先稳态计算均匀进流下螺旋桨敞水特性,模拟系数值与实验误差在3%以内,验证了CFD数值计算的可信性。然后采用大涡（LES）模拟,对“艇+桨”进行三维非定常数值模拟,计算得到桨表面声偶极子数据后,通过距离加权平均法映射到声网格节点上,将噪声源直接分布在桨叶表面上进行积分来预报螺旋桨的低频线谱噪声。采用边界元法基于扇声源理论通过FW-H声类比方程分别在1 kHz以内对桨盘面、轴向纵剖面及10倍桨半径球场的噪声进行频域求解。研究表明：桨盘面和轴向纵剖面上声指向均呈8字形,但受螺旋桨自身旋转及大侧斜的存在,指向性不唯一;球场声场显示,轴向声辐射面较大,声辐射强,径向辐射面小且辐射较弱;特征点的计算结果显示,高阶叶频声压级明显比一阶叶频低,这与物理现象相符,将特征点处结果与已发表文献进行对比,吻合性良好,并对存在的差异作出了合理的物理解释。该文为螺旋桨噪声预报介绍了一种可行的新方法。     

舰船辐射噪声特征建模

介绍一种舰船辐射噪声1/3 Oct谱模型建立方法.通过分别对机械噪声、螺旋桨直接辐射噪声及桨轴激励艇体振动噪声的特征规律研究,建立了机械和螺旋桨的额定声压脉动谱模型及桨轴激励艇体响应函数模型.根据机械噪声和螺旋桨噪声同航速的变化关系,得到不同转速下的合成辐射噪声1/3 Oct谱.利用Matlab GUI编写舰船辐射噪声...     

潜艇辐射噪声水平指向性测量方法

当前潜艇水下辐射噪声测试主要还是以水声测量技术为主要手段。本文探讨了1种新的测量潜艇水下辐射噪声水平指向性的方法,思路新颖,简单实用,工程可行性强,能全面准确地获得潜艇辐射噪声在单频和频带内的水平指向性。通过测量分析潜艇水下辐射噪声的指向性,能深刻理解潜艇水下辐射噪声场空间分布的规律,初步判定潜艇辐射噪声源的部位及其频率特性,为潜艇声隐身技术的发展和水中兵器的研制提供科学依据和有利支撑。     

轴-艇耦合系统的力传递特性分析

螺旋桨与水下伴流场产生的脉动激振力是潜艇振动的一个重要激励源.潜艇的主要结构是推进轴系与壳体耦合结构,螺旋桨产生的激振力通过轴系经尾轴承、中间轴承及推力轴承作用于艇体激起艇体振动.目前降低轴系引起外壳体的振动有降低螺旋桨的脉动激振力和改善轴系与壳体之间的减震装置2种方法.在降低螺旋桨脉动激振力较困难的情况下,研究激振力经轴系传递到壳体的路径,就对改善减震装置、降低壳体振动有重要意义.     

肥大型船整流附体的性能研究

肥大型船从船舯到船艉,船体的横剖面形状及其面积变化剧烈,从而导致在桨盘面处产生"钩"状或"兔耳"状的舭涡,通过加装整流附体的方式来改善桨盘面处的伴流分布,对于螺旋桨的减震降噪、螺旋桨推进效率的提高是一种有效的措施。基于CFD技术,在准确预报了某肥大型船伴流场的基础上,参考流经桨盘面的三维流线绕船体分布的特点,分别设计了螺旋桨前置导管、补偿导管和整流鳍,预报并分析了各附体对船体尾流场的影响,分析了整流附体的工作机理,比较了工作于各附体伴流场中螺旋桨的效率。计算结果显示,加装整流附体后,桨盘面处的舭涡消失了,并且三种附体对螺旋桨的效率都有显著的提升。     

压载水处理装置进出口导叶结构优化研究

为了增加压载水在UV杀菌装置内的照射时间、改善流场分布,对杀菌装置设计了旋向相反的进出口导叶。运用FLUENT软件对不同参数导流叶片的过流时间及流场进行了模拟计算,结果显示,在流量和叶片厚度不变时,减少叶片数、增加出口安装角及采用弯曲型导叶,均能增加过流时间。当导叶片数为3片,导叶片厚度为10mm,导叶出口安装角为20°时,海水流过紫外腔时照射时间比没有安装导叶前增加了0.327s,达到了杀菌要求。     

船舶推进节能研究：导轮的理论设计和实验

本文分析了应用导轮装置可将常规螺旋桨尾流能量转换为推进功率的原理,给出了以升力线理论为基础的导轮设计方法。为了检验给出理论公式的实际设计效果,对一条2000t的综合节能船作了螺旋桨/导轮组合推进装置的设计,在空泡水筒内进行了单独螺旋桨和螺旋桨加导轮组合装置的对比模型试验。为了探讨螺旋浆加装导轮后尾流场的变化,在对比模型试验中,用一维大功率激光测速仪进行了尾流轴向和切向速度的测量。试验结果表明,常规螺旋浆加装导轮装置后,确可减少尾流中的能量损失,提高给出实例中的螺旋桨效率达10％,与理论设计预估结果相当一致。     

水下航行体降噪艉翼填角的数值模拟与试验研究

为降低水下航行体噪声,研究了艉翼填角的降噪效果。分析了水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对某无人水下航行体(UUV)设计了一种艉翼填角,运用CFD方法对该艉翼填角优化螺旋桨伴流场的效果进行了数值模拟,结果显示伴流场轴向速度的周向不均匀度系数下降35%-62%。将艉翼填角应用于该UUV,开展航行辐射噪声测量试验,结果显示艉翼填角使UUV航行噪声总声源级降低3.4 d B,尤其对低频噪声抑制较好。     

潜艇上方近场水下辐射噪声双峰特性的实验研究(英文)

The double-peak characteristic of underwater radiated noise in the near field on top of the target submarine was analyzed in depth on the basis of submarine test data on the sea. The contribution of three major noise sources to the radiated noise of a submarine were compared and analyzed, and emphasis was put on the original source, production mechanism, and their correlative characteristics. On the basis of analysis on underwater tracking and pass through characteristics of the target submarine, the double-peak phenomenon was reasonably interpreted. Furthermore, the correctness of the theoretical interpretation was verified adequately in real submarine tests. The double-peak phenomenon indicates that the space distributing character on submarine radiated noise are both asymmetrical with time and space, whereas that is provided with directivity. Studying the double-peak phenomenon in depth has important reference value and meaning in engineering practice for understanding the underwater radiated noise field of submarines.