潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响北大核心CSCD

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。     

不同工况下潜艇艇体-桨整体声辐射特性分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究潜艇大侧斜螺旋桨在不同工况下的艇体-桨整体声辐射特性。[方法]以SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟(LES)和声学有限元方法(FEM),以及使用Fluent流体计算软件和LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件进行联合仿真计算。[结果]结果表明:在潜艇存在进速的工况下,其艏部、指挥室围壳、艉部方向舵和螺旋桨区域的速度压力分布变化最大,整体系统的噪声传播方向以艇体周向某一方向的声压级(SPL)最高,艉部方向舵次之;在潜艇不存在进速的工况下,整体系统的噪声与螺旋桨的旋转作用有关,且在440 Hz频率处存在峰值,超过其他工况下的声压级。[结论]潜艇的艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域是压力脉动的重点区域,与潜艇的进速密切相关;艇体-桨整体螺旋桨噪声在低频段也主要由上述3个区域产生,在中高频段螺旋桨区域开始对艇体-桨整体噪声产生作用,总的声压级随着频率的增加而逐渐升高。     

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。     

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。     

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.     

推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响

[目的]为研究推力轴承基座结构形式对潜艇辐射噪声的影响,[方法]采用有限元法和有限元耦合流体边界元法,分析不同纵向激振力分布形式下耐压艇体结构的振动响应特征,得出力对称分布有利于减小振动的结论。然后,据此设计对称式推力轴承基座,通过选择不同的构件尺寸控制系统的纵向刚度,分别计算采用对称式和传统推力轴承基座时潜艇的结构振动响应和辐射噪声。[结果]研究表明,在螺旋桨纵向激振力一定的情况下,采用对称式推力轴承基座能够明显降低艇体结构的振动强度和辐射噪声。[结论]所做研究可为潜艇推力轴承基座结构的声学优化设计提供参考。     

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.     

后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响

[目的]为了研究后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响,[方法]针对螺旋桨不定常激振力诱发的艇体结构辐射声,以SUBOFF潜艇为原型,建立了包含螺旋桨和轴系实体结构单元的潜艇整艇模型,采用通用有限元程序NASTRAN计算其在真空中的振动特性,同时采用附加质量附加阻尼算法计算其在水下的振动和声辐射特性,对潜艇整艇结构在螺旋桨垂向激振力作用下的振动与声辐射特性进行分析,并着重考虑了后艉轴承刚度对潜艇整艇结构振动与声辐射的影响规律。[结果]研究指出,降低后艉轴承刚度使潜艇结构振动与声辐射的能力主要向其第2阶整体弯曲振动模态频率处集中,且第2阶整体弯曲振动模态频率逐渐向低频移动;在第2阶整体弯曲振动模态频率以上频段降低后艉轴承的刚度能够有效降低潜艇整艇结构的振动和声辐射。[结论]所得结果可为声学设计阶段潜艇关键部位结构参数的选取提供参考。     

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法.首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性.     

不均匀流场中串列螺旋桨的空泡、激振力分析

本文基于普通螺旋桨的准定常理论和有关空泡、激振力的理论,发展了不均匀流场中串列螺旋桨空泡、激振力的一个计算方法。主要内容包括:Sasajima加权平均对周向不均匀流场的处理;计及前桨尾流收缩影响的串列螺旋桨正问题计算;轴承力和表面力的谐调分析;前、后桨一对叶片推力偏心的计算和推力、扭矩脉动的谐调分析计算;前、后桨叶剖面空泡长度和面积计算;前、后桨对空间一场点脉动压力的计算。本文还计算了同一伴流场中负荷相同,但叶错角和前、后桨螺距匹配情况不同的串列螺旋桨空泡长度。结果表明:不同的叶错角和不同的螺距匹配对串列旋桨的空泡长度有明显的影响。本方法对不均匀流场中串列螺旋桨的设计以减少激振力有一定的实际意义。     

冰块阻塞状态的螺旋桨空泡激振力特性分析

针对极地船舶在冰区航行时的冰水混合环境对螺旋桨性能影响,本文采用RANS方法对不同冰块阻塞和压力状态的螺旋桨非定常空泡和水动力性能进行数值模拟,分析了冰块阻塞状态对螺旋桨空泡激振力的影响规律。结果表明,冰块阻塞状态的螺旋桨水动力性能由冰桨逼近的流场阻塞和桨叶空泡效应共同决定,冰阻塞物下游产生的低速低压回流区可改变螺旋桨附近流场结构和压力场分布,加剧桨叶空泡形态的不规则和螺旋桨空泡激振力的时域非定常性。从频域上看,冰桨阻塞作用造成螺旋桨空泡激振力的高阶量显著上升,空泡激振频率向高阶次移动。     

螺旋桨诱导的船体表面力预报新方法

在已知船舶的质量、刚度、阻尼以及实测尾端振动速度的条件下,反推出螺旋桨叶频激振力.这是属于结构动力学的反问题即载荷识别问题.在深入研究国内外螺旋桨激振力计算方法以及综合分析影响螺旋桨激振力的各种要素后,采用载荷识别方法,提出计算空泡螺旋桨诱导的船体表面力的新公式,用该公式预报了四条船的表面力并与国外有关方法进行比较,预报的螺旋桨激振力与脉动压力值均在国外各公式预报值之间.用该公式预报的5.2万吨多用途货船的脉动压力值与空泡水筒中的实验值相比误差为21.8%;预报了30万吨超大型油船的激振力并由该激振力算出的尾端振动速度值与实测值相比误差仅为3.64%.     

螺旋桨受损变形对激振力影响的数值计算分析

为了分析螺旋桨变形前后激振力的变化情况,并为实际工程问题提供理论依据,以标准桨DTMB P4119为研究对象,在非均匀伴流场下进行数值计算方法的验证,形成了一套非均匀伴流下螺旋桨激振力数值计算方法。用该方法对某一螺旋桨变形前后的激振力进行数值计算,得到其轴承力和脉动压力,并对变形前后的激振力数据进行对比分析。结果表明,对于此桨的实际情况,变形前后所引起的轴承力变化十分明显,脉动压力有明显的倍轴频特性,从而导致船体的严重振动,与实际现象相符。所以工程中一定要避免螺旋桨梢部变形引起的螺距变化,并且螺旋桨相关参数要符合规范要求。     

船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响

介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程。以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象，在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场，通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量。比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态，并与实桨对比，就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨。     

数值拖曳水池与潜艇快速性CFD模拟研究

详细介绍了中国船舶科学研究中心所建立的数值拖曳水池中的潜艇快速性CFD模拟研究.明确了潜艇阻力、流场、自航(艇/桨干扰)水动力以及螺旋桨敞水水动力的计算方法.同时对潜艇快速性算例进行了系统分析,详细给出了数值预报精度.这些算例的计算模型包含15条系列回转体模型、10条系列全附体潜艇模型、SUBOFF潜艇模型、多条供计算验证所用的潜艇模型和螺旋桨模型.文中的研究结果是数值水池的重要组成部分,可资今后潜艇绕流数值计算借鉴与采用.     

RANS,DES和LES对螺旋桨流噪声预报的适用性分析

[目的]为研究不同湍流模型在螺旋桨流噪声预报中的适用性,以DTMB 4119螺旋桨为研究对象,对非均匀进流条件下的频域噪声进行数值模拟。[方法]首先,采用RANS方法计算螺旋桨在不同进速下的水动力系数和桨叶表面压力分布,并将仿真值与试验值进行比较,验证流场模拟的准确性;然后,分别将RANS,DES和LES这3种方法得到的脉动压力作为声源,结合声学边界元预报辐射噪声。[结果]计算结果表明,线谱噪声是螺旋桨总噪声的主要贡献者;当预报一阶叶频上的噪声时,3种方法所得结果较为接近,可以采用RANS方法进行快速预报;当预报高阶叶频上的噪声时,采用LES方法预报的结果更加准确。[结论]在噪声预报时可以根据需求选择合适的湍流模拟方法。     

艇后大侧斜螺旋桨负载噪声数值分析（英文）

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 k Hz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。     

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。     

水下航行器水动力噪声分离预报

近年来,水下航行器的声隐蔽性受到广泛关注,而有关其水动力噪声的研究却较少。将水动力噪声分为壳体流噪声、壳体流激振动噪声、螺旋桨流噪声和螺旋桨流激振动噪声4类,采用大涡模拟(LES)结合Light-hill声类比混合计算方法,对水下航行器的水动力噪声进行分离预报。首先,采用已有文献数据验证该混合声学计算方法的有效性。随后,对水下航行器壳体和螺旋桨三维流场的流噪声和流激振动噪声进行数值模拟和分析。结果表明,4类噪声均与速度呈非线性关系。在上游段,螺旋桨流激振动噪声为主要噪声;在下游段,壳体流噪声所占比例最大。在低速时,由壳体激发的水动力噪声是主要噪声;随着航速的增大,由螺旋桨激发的水动力噪声占总噪声的比例逐渐增加;总体水动力噪声能量随航速的增大而增大。     

斜流中艇后螺旋桨水动力数值计算方法

为解决潜艇操纵性研究中螺旋桨水动力预报问题,本文应用Fluent软件对斜流条件下全附体潜艇模型艇后水动力进行计算。网格划分上将计算域分解为静止域与转动域2部分,2部分交界面采用滑移网格技术传递数据。选取适当的数值离散方法,分别计算0°攻角时不同进速下以及设计进速下不同攻角时艇后螺旋桨水动力的值,并通过与试验数据的对比验证算法的可靠性。计算结果表明,艇后螺旋桨推力和扭矩随着攻角的增大呈现出先减小后增大的趋势。