三维孔腔流激噪声的大涡模拟与声学类比预报与验证研究

孔腔流动从属于与自持振荡密切相关的一类基本流动.在工业领域中,孔腔流动会引起结构振动与疲劳、噪声的产生与阻力的急剧增加,因而备受关注.文章通过大涡模拟结合FW-H声学类比方法,对于五种不同尺寸的方形孔腔在水中的流动发声进行了数值预报.首先,简要介绍了国际上采用大涡模拟结合声学类比在孔腔流激噪声数值预报方面所做的一些研究;其次,详细描述了所使用的大涡模拟方法、动态Smagorinsky亚格子模型以及FW-H声学类比方法.最后,详细分析了计算结果,包括孔腔中的流谱、孔腔与载体上的涡量分布以及五个孔腔的辐射噪声频谱.将噪声的计算结果与试验结果进行了对比,验证了文中所建立的数值预报方法的可靠性.     

三维孔腔流激噪声的大涡模拟与声学类比预报与验证研究

孔腔流动从属于与自持振荡密切相关的一类基本流动。在工业领域中,孔腔流动会引起结构振动与疲劳、噪声的产生与阻力的急剧增加,因而备受关注。文章通过大涡模拟结合FW-H声学类比方法,对于五种不同尺寸的方形孔腔在水中的流动发声进行了数值预报。首先,简要介绍了国际上采用大涡模拟结合声学类比在孔腔流激噪声数值预报方面所做的一些研究;其次,详细描述了所使用的大涡模拟方法、动态Smagorinsky亚格子模型以及FW-H声学类比方法。最后,详细分析了计算结果,包括孔腔中的流谱、孔腔与载体上的涡量分布以及五个孔腔的辐射噪声频谱。将噪声的计算结果与试验结果进行了对比,验证了文中所建立的数值预报方法的可靠性。     

流激噪声数值计算方法及声学积分面影响性研究

在流声耦合领域中,水下航行体复杂流动与流激噪声研究具有重要的学术意义与实用价值。文章对FW-H声学类比方法、渗流FW-H声学类比方法、Kirchhoff方法与Powell涡声理论进行了物理内涵与数学公式的详细比较;然后利用大涡模拟结合四种声计算方法数值计算了三维NACA0015机翼、机翼/圆柱结合体、方腔产生的流激辐射噪声,并与国内外试验结果进行了对比,分析了四种声计算方法的计算精度与计算效率;最后,对围壳流激噪声进行了数值预报与试验验证,计算了围壳在不同水速下的流激噪声变化规律,并探讨了声学积分面对计算结果的影响。     

基于Lighthill声类比的流激噪声三维计算及验证

随着舰艇管路系统中阀门、泵及弯管等部件流激噪声问题的日益突出,水动力流激噪声数值计算方法逐渐受到关注。针对阀门的流动诱导噪声问题,文章结合大涡模拟和Lighthill声类比理论,建立了流激噪声混合计算方法并对类阀空腔模型进行了数值模拟和验证。首先,流场采用大涡模拟计算了低马赫数下三维类阀空腔模型的非定常流动。然后,将流场计算结果导入ACTRAN,通过ACTRAN中基于有限元/无限元的Lighthill声类比理论对流噪声进行求解。最终将流激噪声计算结果与声学试验进行了对比分析。对比结果表明,该流激噪声混合计算方法可行且计算结果可靠,可应用于水动力噪声的研究。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。     

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.     

水面舰船流噪声数值预报研究与应用

在梳理流噪声数值预报方法的基础上,采用流场大涡模拟（large eddy simulation,LES）和声学边界元（boundary element method,BEM）方法在频域内计算预报了船体流噪声谱曲线,求取了其等效声中心.LES计算时选用动力学Smagorinsky-Lilly（dynamic Smagorinsky-Lilly,DSM）亚格子应力模型,流噪声由船体壁面脉动压力和法向速度特性决定,声源节点和声节点变量传递采用一对一的守恒传递方式.结果表明：某型船在航速14 kn时,裸船体流噪声在20 Hz~2 kHz频段内总声源级为133dB;当计算有效频段扩展到20 kHz时,总声源级达143.3 dB.流噪声主要来源于兴波引起的涡量,且主要集中于100 Hz~10 kHz频段.球首尾流区和船体尾涡区对流噪声辐射量贡献明显,特别是球首尾流区,对全频段都有明显的贡献,为水面舰艇流噪声研究提供了一条新的途径.     

湍流边界层激励下平板辐射噪声数值计算方法

[目的]湍流边界层(TBL)激励下的结构辐射噪声(也称"流激噪声")是水下航行体的重要噪声源,因此,对流激噪声数值计算方法的研究具有重要意义。[方法]基于LMS Virtual Lab数值计算软件,以Corcos湍流脉动压力频率波数模型作为输入,采用主成分分析(PCA)法和振动—声传递向量(VATV)法计算湍流边界层激励下平板结构的流激噪声,并对两种方法的正确性进行验证,比较分析两种方法的计算时间及得到的声压自功率谱密度(ASD)曲线。[结果]结果表明,这两种方法均可有效计算湍流边界层激励下的结构流激噪声,且计算结果基本一致;和PCA法相比,VATV法所占用的计算资源更少,能快速预报结构的流激噪声;相较于VATV法,PCA法还可以得到结构振动响应结果。[结论]该研究结果对水下结构流激噪声快速预报具有一定的参考价值。     

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。     

水下潜器首部声基阵区流噪声研究方法

水下潜器在航行过程中,主要使用声呐来探测敌方舰艇以及自身位置.主声呐一般安放在潜艇首部位置,可分为主动声呐与被动声呐.在探测目标时,噪声是2种声呐系统都必须克服的干扰因素.针对自噪声中的流噪声,首先使用LES模型对水下潜器的外流场进行仿真计算.在获得流场中的脉动压力分布后,将其导入基于Lighthill声类比理论的声学软件ACTRAN中进行声场仿真计算,实现了对水下潜器首部声基阵区流噪声的数值预报.研究了航速、共形阵的安装位置和基阵单元安装面形状对声基阵区流噪声传播的影响.结果表明:航速越大,流噪声越大;增大声呐安装面与导流罩的距离以及使用较光滑的安装面,可以减小声基阵区流噪声的大小.     

湍流脉动压力下椭球声呐腔水动力自噪声分析

运用统计能量法建立水下椭球壳形状的声呐腔模型.利用计算流体动力学软件计算不同航速下声呐罩表面湍流边界层的分离点,考虑了湍流脉动压力空间分布的不均匀性.分析航速以及不同吸声和阻尼处理方案对声呐腔水动力自噪声的影响.理论评估吸声处理的结果和数值计算的结果比较吻合.研究表明:航速越大,自噪声越大;透声窗面积所占总表面积的比例...     

水下双层圆柱壳辐射声场欠定分离评估方法研究

水下双层加筋圆柱壳振动和辐射声场的评估对其辐射噪声监测和控制具有重要工程意义。文中通过结构振动模态参与因子向量自身的稀疏特性,分析提出了一种基于结构振动的辐射噪声欠定分离评估方法,可实现有限振动测点情况下的水下复杂结构振动和辐射声场的有效评估。数值和试验结果验证了文中方法的有效性,且所需要的振动测点数目少,具有良好的工程适用性。     

有限水深下舱段模型水下声辐射圆柱形阵列测量研究

在水面舰艇的研发阶段,随着对其声隐身性能指标的提高,一般采用数值仿真或者舱段模型试验来考核并优化其声学设计。对于舰艇水下声辐射预报方法,也会利用舱段模型试验来验证。考虑试验成本、操作便利性和背景噪声等因素,一般将舱段模型放置在露天水池进行水下辐射噪声测量,因此开展舱段模型在有限水深露天水池的水下声辐射测量研究非常有必要。为了分析有限水深露天水池中舱段模型水下辐射噪声圆柱形阵列测量方案的合理性,本文对在2种水域模型的封闭半圆筒结构水下声辐射进行数值仿真,并对小水线面双体船缩比模型进行了露天水池试验和噪声估算。分析计算和实测结果,验证了有限水深露天水池中舱段模型水下辐射噪声圆柱形阵列测量方案的合理性。该研究成果对于露天水池中舱段模型水下辐射噪声测量试验具有指导意义。     

湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型对比研究

湍流边界层噪声是舰船主要水动力噪声之一。湍流边界层噪声预报须选用适当的脉动压力波数—频率谱模型。引入6种常用的脉动压力波数-频率谱模型,在波数域和频域内进行对比;运用这些模型对槽道流边界层脉动压力自功率谱进行预报,并引入试验结果进行对比,为工程应用中选择适当的脉动压力波数—频率谱模型提供依据：Corcos模型物理意义明确,但预报精度稍差;Chase模型表达式复杂,经验性更强,物理意义不明晰,预报精度较高。     

Numerical study on flow-induced noise for a steam stop-valve using large eddy simulation

The noise induced by the fluctuant saturated steam flow under 250 °C in a stop-valve was numerically studied.The simulation was carried out using computational fluid dynamics（CFD） and ACTRAN.The acoustic field was investigated with Lighthill＇s acoustic analogy based on the properties of the flow field obtained using a large-eddy simulation that employs the LES-WALE dynamic model as the sub-grid-scale model.Firstly,the validation of mesh was well conducted,illustrating that two million elements were sufficient in this situation.Secondly,the treatment of the steam was deliberated,and conclusions indicate that when predicting the flow-induced noise of the stop-valve,the steam can be treated as incompressible gas at a low inlet velocity.Thirdly,the flow-induced noises under different inlet velocities were compared.The findings reveal it has remarkable influence on the flow-induced noises.Lastly,whether or not the heat preservation of the wall has influence on the noise was taken into account.The results show that heat preservation of the wall had little influence.     

发动机水下排气噪声预报研究

由于涉及到两相流,所以发动机水下排气噪声的产生机理和辐射特性非常复杂。文章基于Mixture多相流模型、RNGκ-ε湍流模型和Ffowcs Williams-Hawking声学模型对发动机水下排气噪声进行了数值预报研究,并试验测量了相应工况下发动机水下排气噪声,对数值研究的结果进行了验证。结果表明,文中所提出的发动机水下排气噪声数值预报方法在工程上是可行的。     

二维低噪声风洞设计

湍流边界层脉动压力谱是水动力噪声预报的重要输入参数.为满足湍流边界层脉动压力测试需求,设计并建造了二维低噪声风洞.风洞设计从流体动力学和声学2方面考虑.流体动力学设计既需要满足流速要求,又需要降低试验段湍流度,提高流动稳定性;声学设计从洞壁隔声,洞体内部消声以及减振3个方面考虑,专门设计了声流式消声器、微穿孔消声器及消声弯头用于降低试验段噪声.二维低噪声风洞建成后有效进行了湍流边界层脉动压力测试.     

水面舰船声学特性的类比及其评价

传统的水面舰船声学设计评价方法在应用上存在着局限性，为进一步发展和完善，通过对总声级声学特性类比、声频范围和超声频段声学特性、实船检测声学特点和实船声隐身战术技术要求制订等进行广泛论述与类比探讨的基础上，指出了现有方法在总声级确定、声学特性预报和实船检测等方面的不足，提出了较为合理的水面舰船声学特性的类比及其评价方法，即以特定频段的线谱分析来评定其声学性能。