弹性腔流激耦合共振及声辐射机理研究

利用Elder空腔声学模型,分析了典型空腔腔口剪切振荡和刚性壁腔体声模态的频率特征。采用模态法建立了弹性壁腔体模态声阻抗计算模型,并计算分析了腔口剪切振荡与弹性腔体耦合的归一化声辐射函数。研究表明弹性壁提供的附加压缩性,降低了空腔模态频率,增大了腔口剪切振荡与空腔模态耦合共振及强声辐射的可能性,并由试验验证了计算结果。     

开口与空腔流激声共振及声辐射研究综述

水下航行体表面边界层流经腔口时,剪切振荡与空腔声模态耦合共振产生的线谱噪声是流激噪声的一种主要机理。文章针对腔口剪切振荡及其与空腔声场耦合共振和声辐射的机理及基本特征,归纳梳理了国内外的研究现状,概述了空腔及腔口流动和声辐射控制的主要途径和方法,并提出了流激空腔噪声研究的主要问题。     

流激孔腔噪声特征及控制方法研究

文章利用大涡模拟方法,建立了流激孔腔自噪声及辐射噪声预报方法,分析了腔深、来流速度及孔腔流向尺寸对剪切振荡特征的影响,并给出了流激孔腔近场辐射噪声特性。在此基础上探索了流激孔腔噪声控制方法,研究了孔腔开口加格栅对流激孔腔涡流场和噪声特征的影响。     

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。     

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。     

水下航行器表面空腔流动及控制研究综述北大核心CSCD

近年来,水下航行器表面空腔结构流激振荡产生的低频线谱噪声问题日益突出,严重威胁其隐身性能。针对水下航行器流激噪声等实际工程问题,对不可压缩空腔流动噪声的产生机理和特性进行分析,综述其流动特点和控制技术发展趋势。首先,对空腔自持振荡的基本机理和特性进行概述,总结梳理空腔自持振荡反馈机理及其三维不稳定特性的研究进展;然后,介绍自持振荡激励下流激空腔共振的产生机制和基本特性,包括矩形/圆柱形空腔声模态共振和Helmholtz共振等;其次,对比分析主动、被动控制方法的研究进展情况;最后,展望不可压缩空腔流动的未来研究方向,建议开展空腔自持振荡反馈机理与三维不稳定性研究、空腔流激共振机理和声辐射特性研究以及不可压缩空腔流激噪声控制方法研究。     

空腔流尾流模式振荡特性研究

采用基于两方程k-ω-SST模型的IDDES方法,对5类空腔流进行数值模拟,研究空腔流尾流模式的振荡特性,详细分析了流场中涡结构、腔口法向速度等信息,着重探讨了空腔跨度和深度对尾流模式振荡频率的影响。数值计算结果表明:IDDES方法可有效模拟尾流模式不可压缩空腔流,捕捉空腔流一个周期内涡的演化规律;不同跨度、深度空腔尾流模式流场结构及涡发展规律基本一致;空腔跨度几乎不影响振荡频率,而深度对振荡频率有显著影响,与可压缩空腔流Rossiter给出的半经验公式有明显区别,并揭示了这种现象产生的原因。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

局部波浪振荡对浮式防波堤消波效果影响分析

为获得浮式防波堤腔体内部波浪振荡对其消波效果的影响,基于CFD技术,建立含局部开口腔室结构浮式防波堤内外流场共同作用下的水动力响应数值模拟方法,通过试验数据对比分析,验证数值计算准确性。结果表明,浮式防波堤腔体内部波浪振荡可以有效提升消波效果,但腔内发生大幅波浪共振时,消波效果并不理想。在此基础上,考虑不同腔体模型对腔内波浪振荡和消波性能的影响,研究发现,在本文模型数据范围内,浮式防波堤局部开口腔室个数增多,使得腔内波浪振荡加剧,浮式防波堤消波效果提升。     

均匀流场中含自由液面的陷落腔脉动压力分布研究

在有自由液面的情况下,针对横剖面为圆形的陷落腔模型,在均匀流场条件下,开展水动力实验研究,模拟了大量的工况,测量了腔体壁面的流体脉动压力.本文分析了模型所受的脉动压力随傅汝德数在不同腔体位置的变化趋势,并讨论了晃荡现象对压力分布的影响.实验时发现,傅汝德数小于0.35的工况有明显的晃荡现象发生,而傅汝德数小于0.35的工况的脉动压力系数也明显大于其他工况,且变化剧烈.本文认为,流体剪切层自持振荡与腔内液体深度驻波振荡共振是产生晃荡现象的原因,本文实验中Fr≤0.35的工况对应的流速正是达到以上两种振荡频率耦合所需要的流速.本文对工程应用中的腔体尺度和形式的设计有一定的指导意义.     

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。     

艇体结构分布式动力吸振器设计与分析

为控制艇体共振引起的低频线谱噪声,建立艇体结构流固耦合数值模型,根据结构低阶模态频率和振型特点设计了分布式动力吸振方案,并对其降噪效果进行计算。通过讨论吸振质量和工作频率的影响规律,分析安装在连续结构上的动力吸振器的减振机理。结果表明,动力吸振器可以有效减小艇体共振引起的水下噪声线谱峰值,吸振器主要通过改变结构的局部模态来发挥减振作用,可为连续结构的动力吸振器设计和低频线谱噪声控制提供参考依据。     

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。     

水润滑螺旋阶梯腔艉轴承的振动特性

为了解决瞬态振动试验成本高、周期长的问题,采用正交试验法,基于Ansys模态和瞬态分析,提出一种准确测量艉轴承共振时真实位移和应力的方法。首先,运用有限元模态分析对艉轴承低阶固有频率以及振型进行数值仿真;其次,将得到的固有频率间接耦合到艉轴承激励频率,使之达到共振频率;最后,分析这种状态下的动态接触对轴瓦的影响。结果表明:艉轴承结构参数对模态的影响因子排序为螺旋角腔数腔长深浅腔比例;位移响应最大值出现在轴向封油面末端,接触应力响应最大值出现在沟槽与腔体周向封油面边缘处。     

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。     

弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析

[目的]研究弹性螺旋桨在水流中的振动响应特性。[方法]基于CFD/FEM流固耦合方法,利用Workbench平台中的ANSYS-CFX模块对螺旋桨进行双向流固耦合水动力求解,分析弹性螺旋桨变形及应力应变响应特性;考虑到流固耦合对固有特性的影响,利用ACT_Acoustic模块计算桨叶湿模态,结合弹性螺旋桨固有特性和流固耦合水动力结果进行弹性螺旋桨频谱分析。[结果]流固耦合水动力结果相较不考虑流固耦合的定常计算结果更接近试验回归曲线;与干模态相比,弹性螺旋桨前5阶湿模态固有频率减小19%～37%,且四阶和五阶干湿模态振型存在交错情况。频谱分析结果表明,水动力轴向推力和扭矩是弹性螺旋桨在流场中振动响应的主要影响因素,且主要引起弹性螺旋桨的一阶湿模态悬臂振动;桨叶面上,从叶梢处到导边和叶中部分,再到随边部分,最后到叶根处,结构响应逐渐降低。[结论]所做研究可为弹性螺旋桨流固耦合计算分析提供方法途径,也为螺旋桨流固耦合振动噪声分析打下了一定基础。     

开孔分布对空腔流动特性的分析

开孔分布是影响空腔流动的一个重要因素。为了对开孔空腔流动有更深的认识,采用大涡模拟(LES)的方法,以Suboff艇体母线建立二维模型,研究4种开孔分布对空腔流动阻力,频谱特性及内外流交换的影响。对计算结果的分析表明,由于艇体表面的压力分布不同,孔附近产生纵向压力差,促使空腔内外流动交换,增加主艇体首尾压差阻力,进而使得总阻力增大。计算结果表明艇体阻力增加与内外流交换的密切相关,开孔位于中部时总阻力增量最小,内外流增量最小,开孔均匀分布时引起内外流流动交换剧烈,阻力增量最大,而且开孔引起总阻力波动幅值增加,频率分布特性发生相应的改变,开孔使得大幅波动频带变宽,可以预测噪声强度增加,频带变宽。     

开孔分布对空腔流动特性的分析

开孔分布是影响空腔流动的一个重要因素.为了对开孔空腔流动有更深的认识,采用大涡模拟(LES)的方法,以Suboff艇体母线建立二维模型,研究4种开孔分布对空腔流动阻力,频谱特性及内外流交换的影响.对计算结果的分析表明,由于艇体表面的压力分布不同,孔附近产生纵向压力差,促使空腔内外流动交换,增加主艇体首尾压差阻力,进而使得总阻力增大.计算结果表明艇体阻力增加与内外流交换的密切相关,开孔位于中部时总阻力增量最小,内外流增量最小,开孔均匀分布时引起内外流流动交换剧烈,阻力增量最大,而且开孔引起总阻力波动幅值增加,频率分布特性发生相应的改变,开孔使得大幅波动频带变宽,可以预测噪声强度增加,频带变宽.     

水下吹除排污过程气体射流噪声数值模拟

[目的]研究水下航行体污水吹除产生的辐射噪声的规律特性和影响因素。[方法]基于大涡模拟(LES)与FW-H方程计算方法,对航行体贮容器排污过程进行流场分析和辐射噪声定量计算。[结果]数值模拟与实验结果均表明,辐射噪声主要受吹除压力和背压压差的影响,压差越大,辐射噪声越大,且其基本不受吹除背压影响。贮容器内水排空后,水下直接喷射排气会产生辐射噪声的"拐点",排气噪声显著上升;频谱图呈现低频特性,频率主要分布在1 500 Hz以内,且有明显峰值。[结论]为控制舰船水下吹除排污过程的辐射噪声量级,应尽量控制排气压差,并防止高压气体直接喷射至海中。