管系湍流噪声辐射研究方法进展

从湍流声辐射的相关理论出发,介绍Lighthill声学比拟理论以及该理论的研究进展,如含固体边界的Curle方程、Powell的涡声理论等。运用这些理论,对潜艇舱室管路系统工作时,管道内及水阀内流体湍动引起的湍流边界层噪声、涡激噪声等进行机理性分析,对管系流动噪声的主要声源（包括偶极子源与四极子源）进行探讨,并列举工程上常用的管路噪声控制方法。     

基于Kirchhoff方法的水下自由湍射流场噪声预报

该文旨在研究类似的水下自由射流场噪声机理和预报方法。构造了Kirchhoff理论和CFD方法相结合的算法;详细推导了Kirchhoff方法噪声预报的原理;讨论其适用性,并引入了非线性修正方法。用大涡模拟法对水下自由射流场进行数值模拟,以此作为近场声源;随后,运用所推导的Kirchhoff方法对控制面外噪声场进行预估,并分析了自由射流场声辐射机理。     

基于声模拟理论的水下自由射流场噪声预报

喷水推进器喷注噪声是潜艇重要的水下噪声源.该文旨在研究类似的水下自由射流场噪声机理和预报方法.构造了声模拟理论和CFD方法相结合的算法;详细推导了Lighthill声模拟理论噪声预报的原理;用Reynold 平均法采用κ-ε模型对水下自由射流场进行数值模拟,并以此作为近场声源;随后,运用Lighthill声模拟理论对远场噪声进行预估,并分析自由射流场声辐射机理.     

基于湍流脉动压力的波数——频率谱预报流噪声

[目的]根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数—频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数—频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。[方法]以NACA0012翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数—频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数—频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。[结果]结果发现:小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数—频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。[结论]所得结果表明开展波数—频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。     

基于涡声理论的水下射流噪声预报

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源.以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法.首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理.     

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。     

基于大涡模拟和Kirchhoff积分方法的孔腔流动发声机理分析

孔腔流动与流激噪声是流声耦合研究领域的重要课题。文章基于大涡模拟方法与Kirchhoff积分,探讨了水中孔腔流动的发声机理。由孔腔流动振荡模态分析可知,在水中较低马赫数情况下,流体共振模态极难存在,故而流体动力振荡是产生孔腔流激噪声的根源,从而揭示了孔腔流激噪声形成的机理。进而又基于Kirchhoff控制面积分与物体壁面积分,辨识了偶极子声源和四极子声源对于流激噪声影响量级以及频谱分布规律,并结合流体动力声源的数学表达、Lighthill应力张量的频谱分析和壁面效应分析,指出了孔腔中涡旋对于流场脉动量声学效应的输运作用是孔腔流激噪声传播的成因,从而揭示了孔腔流激噪声传播的机理。     

不同航速下SUBOFF流噪声频谱相似律研究

研究流噪声与航速关系可以有效地解决高航速水下航行器流噪声预报的难题。基于Lighthill声类比理论,研究缩尺比为1∶24的SUBOFF模型在特定航速范围内的声源特性,得到了流噪声频域结果与航速关系,给出了不同航速下基于斯特劳哈尔数和航速关系的流噪声频谱换算方法。研究结果表明,随着航速的提高,SUBOFF声指向性形状基本不变,低频范围内声辐射具有偶极子特性,辐射声功率的大小与航速的6次方成正比。在同一流场模型下,基于偶极子换算关系下的高航速原型预报值和大涡模拟计算值总声功率级和总声源级误差分别为1.2 dB和2.3 dB。     

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。     

船体绕流场及流噪声的CFD模拟方法

CFD数值模拟技术可以为船舶水下噪声水平和噪声传播提供高精度的预报,同时还可以洞察船体绕流场的变化。本文利用VOF方法与SSTκ-ω两方程湍流模型用于求解船舶非定常粘性流场,并结合FW-H方程进行噪声传播。基于Lighthill声类比理论,对不同球鼻首船型的噪声进行数值计算,对船体流噪声的空间指向性、近远场分布特性进行分析。计算结果表明,CFD技术可以用于模拟分析船舶的绕流场和流致发声问题,能够为低噪声船体线型设计提供参考。     

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.     

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.     

不同舵角的舵翼结构涡量及流噪声特性分析

以梯形舵翼结构为研究对象,采用CFD大涡模拟及Lighthill声类比理论对不同舵角下舵翼结构的流场和声场进行数值预报,分析其涡量特性及流噪声特性。结果表明:来流速度相同时,随着舵角的增大,涡系越来越复杂,涡量及流噪声也随之增大;涡系主要集中在稳定翼的导边、舵翼的尾缘及舵与稳定翼之间;舵翼结构流噪声的声压级频谱频带较宽,无明显的主频率出现;低频时声压级幅值较大,并且随着频率升高而持续下降;舵翼尾缘及稳定翼导边前缘的声场强度比翼型两侧的声场强度大,这也和流场涡量分析结果一致,进而说明了涡流是产生流噪声的根本原因。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

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。     

轴对称直喷管的水下射流噪声特性数值模拟与实验验证

[目的]为研究水下射流噪声特性,[方法]应用Lighthill声类比计算轴对称直喷管的自由射流声场特性,借助FLUENT仿真软件并采用大涡模拟法计算该直喷管的水下射流流场,最后基于混响法进行实验验证。[结果]结果表明:稳态射流流场的核心区长度与流速无关,核心区长度约为喷管直径的8倍;射流噪声辐射功率与流速的8次幂成正比;不同流速下的射流噪声功率谱在低频段的差异较大,在高频段的差异则显著减小,且辐射噪声能量主要集中在低频段,但流速增加后射流噪声的主要贡献将向高频段移动。[结论]在射流噪声计算仿真方面,将大涡模拟法和Lighthill声类比相结合是一种有效的分析手段。     

水面舰船粘性流场和流噪声的数值计算

[目的]水面舰船周围因非定常流动引起的流噪声问题是舰船声隐身设计技术的难点,自由液面的存在使之不同于潜艇水动力噪声计算。为解决这一问题,[方法]采用流体体积(VOF)法结合SST k-ω湍流模型计算船体外非定常流场,赋予自由液面空气声阻抗来模拟吸声边界。将船体表面脉动压力作为流噪声声源,应用声学有限元法计算水面舰船的水下辐射噪声。[结果]计算所得结果与实验值吻合良好,表明噪声源主要集中在船艏兴波处。[结论]所得结果表明所用计算方法可以较准确地模拟水面舰船的流场与声场,对水面舰船声隐身设计具有参考价值。     

用大涡模拟方法研究湍流边界层流动噪声

利用大涡模拟方法,对刚性光滑平板上充分发展的低马赫数湍流边界层流动进行了数值模拟.在此基础上将时一空变化的湍流流场信息作为近场声源,运用Lishthill的声学类比理论计算了边界层辐射噪声.文中讨论了偶极子、四极子对噪声的贡献,通过对比它们的功率谱密度,认为壁面剪切应力(偶极子)是湍流边界层辐射噪声的主要来源.     

局部开孔深腔流噪声发声机理研究

针对目前水动力声学领域的孔腔流噪声研究大都基于单孔全开口模型的局限性,本文基于大涡模拟-声类比混合方法对局部开孔深腔体模型的孔腔流噪声发声机理进行研究。首先,对流场涡量、压强变化进行分析,得到涡结构的不断运动迁移和腔体孔壁后缘的碰撞发声构成的涡-声反馈是不同测点之间所测压强周期一致、相位不同的原因;其次,对不同测点的压强功率谱、空腔内声学模态频率进行分析,得到孔后壁上缘区域的压力脉动是局部开孔深腔体自持振荡发声的主要声源;最后,将所测声场特征线谱频率与经验公式的预测结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。