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。     

潜艇艏舵绕流场的数值模拟

为了研究艏水平舵位置对于艉部流场的影响,将艏水平舵布置在指挥室或主艇体上(分别称为围壳舵和艏舵)。通过对SUBOFF进行数值模拟计算,验证网格划分方式和数值计算方法的正确性,并将该方法应用于围壳舵和艏舵模型。计算结果表明,在采用较好的流线型指挥室的情况下,采用艏舵形式有利于艉部伴流场的均匀性。     

潜艇艏部声呐流噪声计算方法研究

选取系列艇型,对潜艇艏部声呐的流场进行数值模拟计算.通过对SUBOFF艇型计算,验证绕艇体三维粘性流场计算方法的正确性.在此基础上结合FW-H公式,计算潜艇艏部声呐流噪声声压级,并总结得出不同的艏部声呐结构形式在首段的不同部位处对压力场和流噪声场的影响规律.     

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。     

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。     

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。     

改造[俄亥俄]级

“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇被誉为“当代潜艇之王”。就整体性能而言,它是当今世界上最先进的战略核潜艇,是美国现径唯一的一型战略核潜艇,也是美国海基战略核力量的支柱。 “俄亥俄”级核潜艇的艇体属单壳型,在结构与布置等方面均与众不同。艇体艏艉部是非耐压壳体,中部为耐压壳体,整个耐压体仅分成四个大舱,从艏至艉依次是指挥舱、导弹舱、反应堆舱和主辅机舱。指挥舱分为三层:上层设有指挥室、无线电室和航海仪器室;中层前部为生活舱,后部为导弹指挥室;下层布置4具鱼雷发射管。导弹舱共装有24枚“三叉戟”导弹,对称于中心线平行布置。反应堆舱的上部是通     

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。     

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。     

船舶艉部激励耦合振动噪声机理研究进展与展望

[目的]船舶减振技术经过几十年的发展,降低艉部激励引起的桨—轴—船体振动辐射噪声成为我国现阶段船舶声隐身的紧迫任务。[方法]针对船舶艉部激励耦合振动噪声问题,从船舶螺旋桨激励力特性、桨—轴—船体耦合振动噪声特性及其控制方法 3个方面对当前研究进展与发展趋势进行综述,[结果]得到了船舶艉部激励与桨—轴—船体系统振动噪声的映射关系,并提出了针对低频振动噪声的控制方法。[结论]在此基础上对在螺旋桨非定常力测试、艉轴承摩擦诱导振动机理和桨—轴系统横向振动控制等方面提出进一步开展研究的建议。     

基于操纵性的潜艇指挥室围壳外型优化数值研究

潜艇做水平面转向运动时,指挥室围壳处于有漂角的斜流之中,受主艇体与围壳干扰后的流场作用于艇上产生的水动力与力矩,使潜艇常伴随出现另外2个坐标平面上的耦合运动,即横倾、纵倾和潜浮运动,而围壳的高度与外形特征对耦合运动的幅度有直接的影响.文中对一近似常规潜艇模型的指挥室围壳进行优化,得到了低矮化、流线型化的3种围壳模型,采用CFD方法计算比较了这几种模型在漂角β(0,°10°)内与耦合运动有关的水动力性能及表面压力分布,计算表明低矮化、后缘流线型化的围壳能有效降低艇体水平转向时的横倾与纵倾幅度,为潜艇指挥室围壳的外形优化设计提供参考.     

水下航行体振动与声辐射数值实验研究

基于有限元、边界元法,结合有限元计算软件ANSYS和声学软件SYSNOISE,对某水下航行体进行整体建模,对壳表面引发的声辐射噪声进行声压级预报,重点讨论激振力频率、激振点纵向位置变化对航行体艏、艉端以及中部声压的影响,结果表明应当采取有效减振降噪措施降低500 Hz范围以内的机械辐射噪声,主机位置变化对艏端点结构辐射噪声有重要影响,但并不是主机激振位置距艏端越远声压级就越小,而是有一个最佳的匹配位置。     

基于潜艇模型尾流湍流强度和耗散率的CFD模拟

优良的隐身性能使得潜艇具有强大的突防能力,因此,控制潜艇尾流信号特征对于提高潜艇隐身性能意义重大,这些信号特征主要包括尾部湍流强度、湍动能、湍流耗散率等。同时,优良的艇型对于抑制尾流信号特征、提高潜艇快速性和隐身性也具有重要意义。基于此,采用RANS方法计算SUBOFF潜艇主艇体艇型及6种改良艇型的艇体粘性绕流,将CFD方法用于分析艇体半径、艇艏长度、艇艉长度等参数对潜艇尾流信号特征的影响。计算结果显示：在SUBOFF潜艇主艇体艇型及其6种改良艇型的尾流场中,增加艇体半径有利于抑制远尾流场湍流信号特征,在近场则不利;增加艇艏长度能降低近尾流场湍流信号特征,在远场影响较小;增加艇艉长度在近、远尾流场均有利于降低其信号特征。     

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。     

附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响

针对SUBX潜艇模型,采用数值计算手段,开展附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响分析。计算表明,附体导致潜艇粘压阻力的显著增加,以及伴流场不均匀性的产生。稳定翼对桨盘面半径内伴流场不均匀性的影响较大,而指挥室围壳主要影响桨盘面半径外伴流场不均匀性。从降低阻力和改善伴流场角度考虑,需开展附体外形、位置及与主艇体连接形式的深入研究。     

平衡侧斜和偏侧斜对船舶螺旋桨水动力性能的影响

为了改善船舶螺旋桨在中高载荷下由于吸力面局部压力过低造成空化的现象,提出通过改变螺旋桨的侧斜方式和侧斜角度来改善螺旋桨吸力面的压力分布,从而改善桨叶的空化形态的方法.以DTMB P4119桨为原型改变其侧斜方式和侧斜角度,新构造了7个螺旋桨,并基于k-ω SST湍流模型和混合网格方法对新构桨进行敞水数值计算.结果表明:对偏侧斜桨,随着侧斜角度的增加,螺旋桨的推力系数增加,敞水效率略有降低.而对于平衡侧斜桨,在低进速下,随着侧斜角度的增加,螺旋桨的推力系数和敞水效率降低;中低进速下平衡侧斜桨和偏侧斜桨的敞水效率相当,中高进速下,平衡侧斜桨的敞水效率高于偏侧斜桨;桨叶吸力面的低压区随侧斜角度的增加而变得狭长,有利于削弱片空化.     

大侧斜桨敞水性能及流场数值研究

针对库存大侧斜桨,基于商用RANS代码,利用结构化网格技术和流道计算模型开展了大侧斜桨敞水水动力和流场的数值分析.在进速系数J ε[0.33,0.95]范围内,文中计算得到的敞水螺旋桨水动力与试验结果差异在3%以内.通过敞水螺旋桨流场计算和计及粘性影响鼓动盘计算结果比较可知,螺旋桨对桨前流场影响主要是抽吸作用;对桨后近场区域XIDP<4流场影响主要是滑流,轴向速度周向均值沿径向分布主要受桨叶负荷分布控制;到中问区域415,螺旋桨尾流变成了单一的剪切流.     

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.     

潜艇方向舵对艉升降舵舵卡的挽回操纵仿真分析

为分析潜艇方向舵对艉升降舵卡下潜大舵角的影响,建立潜艇水下空间运动及舵卡均衡模型,仿真分析表明,潜艇艉舵卡下潜舵大舵角后,立即减速并使用"方向舵满舵+艏上浮舵满舵"的抗沉措施在中低航速时是一种有效的挽回艉舵卡下潜满舵的手段。     

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。