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。     

开孔平板水下振动及声辐射特性

采用有限元与间接边界元相结合的方法,以开有圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展开孔板水下振动及声辐射特性研究。首先,计算开孔板在空气中和水中的固有频率。在空气中,开孔板的固有频率较无孔板低,随着开孔面积增大,大部分固有频率降低;在水中,由于开孔可明显降低平板水下振动的附连水质量,开孔板的固有频率升高,且随开孔面积的增大,固有频率升高。然后,开展单位力激励下开孔板的水下振动声辐射研究,相同激励下,开孔板大部分频段的辐射噪声和辐射效率明显降低,且随着开孔面积的增大,降低量增大,辐射声功率和辐射效率的峰值向高频移动。研究结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。     

开孔平板水下振动及声辐射特性

采用有限元与间接边界元相结合的方法,以开有圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展开孔板水下振动及声辐射特性研究。首先,计算开孔板在空气中和水中的固有频率。在空气中,开孔板的固有频率较无孔板低,随着开孔面积增大,大部分固有频率降低;在水中,由于开孔可明显降低平板水下振动的附连水质量,开孔板的固有频率升高,且随开孔面积的增大,固有频率升高。然后,开展单位力激励下开孔板的水下振动声辐射研究,相同激励下,开孔板大部分频段的辐射噪声和辐射效率明显降低,且随着开孔面积的增大,降低量增大,辐射声功率和辐射效率的峰值向高频移动。研究结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。     

基于解析法的轴-锥柱壳组合系统横向振动特性研究

船舶的推进轴系和艇体均存在多种形式的振动,研究其振动机理及相互传递特性,对于减振降噪具有重要意义。以轴-锥柱壳组合系统为简化理论模型,采用解析法对锥柱组合壳及多跨梁的横向振动建模,并通过解析解与数值解的对比验证了方法的可靠性。依据此模型,分析了激励位置、轴承刚度、壳体厚度等对系统振动特性的影响,结果表明:轴承在壳体与轴系振动传递中的作用不可忽视;轴承刚度增大,壳体和轴系位移逐渐趋于一致;壳体尺寸对激励在壳体时的响应结果影响较大。     

基于波动法的双层板振动功率流分析

[目的]耦合双层板结构是船体中的常见结构,研究其结构振动及其功率流特性具有重要意义。[方法]基于薄板理论,采用波动法建立有限尺寸双层板的振动模型,在结构耦合及激励处离散,由连续条件将各离散板的运动方程组装。运用上述方法,验证波动法解析解与有限元法数值解的准确性。在此基础上,分析激励力角度、连接件角度及其厚度对振动功率流的影响。[结果]研究结果表明:弯曲振动功率流和面内振动功率流均随着频率的增加而增大,而面内振动功率流在低频段远小于弯曲振动功率流,随着频率的增加,二者逐渐靠近;弯曲振动功率流在全频段随着激励力角度的增加而增大,面内振动功率流在高频段随之减小;随着连接件的倾角和厚度的增大,都会使接收板的振动功率流降低。[结论]研究结果对于双层板结构的设计及应用具有一定的参考价值。     

随机面激励的非规则声腔自噪声计算方法研究

舰船声呐罩以及舱室、车厢等常见的非规则声腔受湍流边界层脉动压力随机面激励产生的水(气)动力噪声,已经或将成为声呐自噪声和舱室噪声的主要成因。文中以一个非规则形状的三维声腔为例,考虑声腔结构振动与内外声场的耦合,采用虚拟膜技术和集成模态法以及功率谱密度概念,建立了声腔受湍流边界层脉动压力随机面激励的自噪声计算模型和方法。数值计算分析表明:虚拟膜技术和集成模态法可用于舰船声呐罩以及列车和汽车车厢等非规则声腔自噪声计算的声学建模,预报声腔内部水动力噪声或气动力噪声的低中频分量,具有数值方法能够模拟复杂形状声腔和解析方法相应的声振耦合方程维数少的优点。     

周期加肋夹芯透声窗的声呐自噪声特性研究

以舰船声呐罩透声窗的低噪声设计为背景,针对周期加肋夹芯平板和平行腔体组成的简化声呐罩模型,采用Fourier变换方法和功率谱密度函数,建立加肋夹芯透声窗受平稳随机湍流脉动压力激励产生的声呐部位水动力自噪声的计算方法,数值计算肋骨几何尺寸和间距等参数对声呐自噪声的影响.研究结果表明加肋透声窗在湍流脉动压力激励下产生的声呐自噪声,取决于声呐罩的空间滤波特性.肋骨引起的波数迁移,使透声窗与湍流脉动压力的传输峰值分量发生空间吻合共振,明显增大声呐自噪声.加肋夹芯透声窗的弹性波传播截止效应,部分抵消肋骨产生的空间调制效应,可降低声呐自噪声5 dB～10 dB.     

水中有限长圆柱壳体辐射声场特性

理论研究有源点激励时水中有限长圆柱壳体辐射声场特性。根据圆柱壳体耦合振动理论,推导有源点激励时水中有限长圆柱壳体振动速度与辐射声压计算式,计算并分析有源点激励时水中有限长圆柱壳体振动速度分布特征、声辐射近场和远场特性。研究结果表明:随着结构阻尼增大,圆柱壳体振动能量与声辐射能量向激励点处集中,且频率越高,这种集中效应越显著。在声辐射近场,声压衰减较快,其分布规律与壳体振动分布规律相近;在声辐射远场,声压衰减规律近似为球面波衰减,声压分布具有一定指向性,且激励力作用方向为声辐射主要方向。     

倒角半径对方柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对具有不同倒角半径方柱涡激振动开展了数值研究。方柱涡激振动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k??湍流模型对低质量比弹性支撑的方柱涡激振动进行了模拟。研究发现:方柱涡激振动最大振幅曲线随着折合速度的增大先增大后减小,与圆柱涡激运动初始激励分支和下端分支相类似,但没有发现幅值跳跃现象。流向振幅最大值出现在20%倒角且折合速度5.0时,大小为0.28D,而横向振幅在30%倒角工况中折合速度为6.0时达到最大值0.47D。方柱涡激振动没有发生类似圆柱一样的频率锁定现象,但其振幅呈现明显的"差拍"规律,差拍区间随倒角半径大小而异,最后对不同倒角半径下方柱运动轨迹进行了讨论分析。     

激励位置对加肋圆柱壳振声特性影响研究

水下结构内部设备从不同位置作用于壳体结构,会对结构的振声特性产生影响,研究激励位置对结构振声特性的影响规律,有助于内部设备的优化布置。为此,基于有限长加肋圆柱壳结构的近似解析解,导出点激励和线激励在不同位置、不同角度的振动和辐射噪声的近似解析解,研究激励位置对其的影响规律。结果表明:激励力向圆柱壳的边界靠近时,结构的辐射声功率和均方速度都会显著降低;对称力作用在适当的角度时可以有效的降低结构的均方速度;与点激励相比,线激励可以明显降低圆柱壳结构辐射声功率和均方法向速度,作用范围越长,减振降噪的效果越好。研究结果可为水下结构内部设备的布置和安装提供一定的指导意义。     

基于大涡模拟的槽道微气泡减阻数值模拟

以大涡模拟和mixture两相流模型计算微气泡对湍流边界层的影响,以达到减小湍流边界层阻力的目的.数值模拟中,在同一水流速度和不同气泡喷射速度下,阻力随着气泡的喷射速度的增加而得到很大的减小,但当气泡量达到饱和时,减阻效果下降.数值模拟结果表明,在湍流边界层中注入微气泡是一种有效的减阻方式.     

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.     

水下双层圆柱壳全频段声振特性研究

为研究水下双层圆柱壳结构全频段声振特性,基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3种不同的计算模型,进行了不同辐射介质中辐射声功率及外壳振速的计算,并进一步研究了内外壳及肋板厚度、约束条件、激励位置及层间流体对双层圆柱壳声辐射特性的影响;基于FE-BEM混合法研究了圆柱壳结构的声散射特性;研究了肋板在结构振动能量传递中的作用,提出了2种阻尼肋板的减振降噪方案并进行相关仿真分析.结果表明:重流体能够抑制结构的振动,但由于重流体声阻抗较大,结构的辐射声功率变大;结构声散射曲线在某些频率处出现峰值,且峰值频率与结构自身的固有特性有关;阻尼肋板能得到较好的减振降噪效果,工程上建议使用金属聚氨酯阻尼肋板.     

微气泡层减阻的边界层模型计算

以流体中光滑平板为例,建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型,采用平板层流理论,对给定的气泡喷射参数和流体特性参数计算了微气泡层状态下平板的摩擦阻力,结果显示微气泡层对平板有明显减阻效果;最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布.     

基于Theodorsen方法的螺旋桨空泡数值计算研究

探讨一种预测桨叶剖面任意点处是否会出现空泡的方法。首先,针对所给桨叶剖面,采用Theodorsen方法计算出绕叶剖面周线的速度分布和压力分布,用湍流边界层Head方法进行压力分布修正;然后将所得各点降压系数与空泡数进行比较,从而预测叶剖面各点是否会出现空泡;最后,通过对HSP桨旋转一周过程中桨叶r/R=0.7处剖面压力系数的计算,对该处是否会出现空泡作出判断,结果显示计算值与实验值符合性较好。     

柔性隔振系统功率流传递特性研究

由于基础和隔振器存在着动力耦合,经典隔振理论的局限性日益突出,从而出现了将基础简化为欧拉梁、柔性板、圆柱壳等。本文将基础简化为两端固支弹性梁,运用四端参数法推导了单层柔性隔振系统传递功率流,并运用电力类比法对推导结果进行了验证。通过数值仿真,分析了偏心激励对功率流传递特性的影响,并将功率流与振级落差频谱曲线进行了比较。结果表明：偏心激励会激发系统的高阶模态,基础的刚性会影响振级落差对功率流的估计。     

Effect of microbubbles on the structure of turbulence in a turbulent boundary layer

The time-averaged velocity and turbulence intensity distributions were measured by a laser Doppler velocimeter in a turbulent boundary layer filled with microbubbles. The void fraction distribution was also measured using a fiber-optic probe. The velocity decreased in the region below 100 wall units with an increase in bubble density. This led to a decrease in the velocity gradient at the wall, which was consistent with a decrease in shearing stress on the wall. The turbulence intensity in the buffer layer increased at a low microbubble density, and then began to decrease with an increasing microbubble density. Based on the present measurements, the mechanism of turbulence reduction by microbubbles is discussed and a model is proposed. Received for publication on Dec. 3, 1999; accepted on April 18, 2000     

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...     

基于Flow-3D的新型半圆形构件水动力特性研究

生态丁坝是基于水工学和生态学的新型整治建筑物，不仅起到调控河道水位、维护边坡稳定的作用，还促进了生态修复。采用Flow-3D流体力学软件分析了新型半圆形构件的流速、紊动能等关键水动力要素。结果表明，基于Flow-3D数值模拟得到的水流流速拟合结果良好，采用该软件研究航道整治工程中复杂构件的水动力特性是可行的；新型半圆形构件内的横隔板将腔体分为上下两块区域，上方水流流速、紊动能明显大于下层，且下层流速、紊动能基本不受外界流速影响；构件上下层具有不同的生态效应，其水动力特性分别适宜于鱼类和底栖生物的生存。     

Hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads

A hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads is presented. An analytical model based on Wagner theory is used for calculations of transient slamming load on the ship plate. A thin isotropic plate theory is considered for determining the vibration of a rectangular plate excited by an external slamming force. The forced vibration of the plate is calculated by the modal expansion method. Analytical results of the transient response of a rectangular plate induced by slamming loads are compared with numerical calculations from finite element method. The theoretical slamming pressure based on Wagner model is applied on the finite element model of a plate. Good agreement is obtained between the analytical and numerical results for the structural deflection of a rectangular plate due to slamming pressure. The effects of plate dimension and wave profile on the structural vibration are discussed as well. The results show that a low impact velocity and a small wetted radial length of wave yield negligible effects of hydroelasticity.