开孔围壳流激振动特性的试验与数值计算研究

对围壳模型进行试验与数值模拟,分析开孔对围壳流激振动特性的影响。首先进行无动力自由上浮试验,在试验中测得了一系列的振动加速度线谱,然后建立与试验相同的数值计算模型,采用大涡模拟法对围壳附近的流场进行了精细的模拟,并将流场的压力作为载荷,运用FEM/BEM结合的方法计算了围壳的流激振动。仿真结果表明,该方法可以清晰的模拟流激围壳振动现象,围壳开孔后会引起流场周期性振荡,从而激励结构振动,产生振动加速度线谱,数值方法计算的振动线谱频率和试验结果接近,平均误差为1.41%。流激开孔围壳振动集中在开孔的导边与随边,尤其是孔腔随边,对这些区域采取控制措施是下一步研究目标。     

开孔围壳流激振动特性的试验与数值计算研究

对围壳模型进行试验与数值模拟,分析开孔对围壳流激振动特性的影响.首先进行无动力自由上浮试验,在试验中测得了一系列的振动加速度线谱,然后建立与试验相同的数值计算模型,采用大涡模拟法对围壳附近的流场进行了精细的模拟,并将流场的压力作为载荷,运用FEM/BEM结合的方法计算了围壳的流激振动.仿真结果表明,该方法可以清晰的模拟流激围壳振动现象,围壳开孔后会引起流场周期性振荡,从而激励结构振动,产生振动加速度线谱,数值方法计算的振动线谱频率和试验结果接近,平均误差为1.41%.流激开孔围壳振动集中在开孔的导边与随边,尤其是孔腔随边,对这些区域采取控制措施是下一步研究目标.     

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。     

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。     

流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

[目的]为了研究流激开孔和空腔结构耦合振动噪声,[方法]采用模型试验方法,通过改变孔腔开口大小、来流速度和腔体厚度等,分析其对剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响。[结果]研究表明:空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中情况,剪切振荡频率和剪切振荡量级均与来流速度呈正比;未发生开孔和空腔耦合共振时,腔体壁面刚度仅略微影响剪切振荡量级,而不影响剪切振荡模态频率;在特定的开口和流速下,剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合,产生剧烈的谐频共振以及极大的自噪声与辐射噪声。[结论]研究结果可为潜艇舷外开孔和附近结构设计,以及孔腔结构噪声控制提供有益的探索和技术支撑。     

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.     

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。     

水中航行体绕流数值计算研究

水动力设计是水中航行体设计的重要组成部分.文章采用数值算法分别对水中航行体全湿和带空泡两种不同状态水下绕流问题进行了计算研究,并与风洞及水洞试验结果进行了对比.计算结果与试验值吻合较好,验证了数值算法的准确性.同时得到了水下绕流的某些运动规律,研究结果对工程设计起到了一定的帮助作用.     

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。     

船底月池流激振荡特性研究

本文研究了船底月池内流体固有振荡特性,给出了船底月池内流体固有振荡频率计算公式。同时开展了船底月池流激振荡试验研究,测量得到了月池口流体剪切层自持振荡的Strouhal数,根据试验结果分析得出了波浪激励下月池内流体的运动特性。在此基础上预报了实船月池的流激振荡特性。研究成果为实船月池的设计提供了理论和试验基础。     

浅水高速船舶引起的波浪和压力场研究

基于浅水兴波理论,在线性条件下对高速薄船引起的兴波和水底压力变化进行了计算.研制了表面波和水底压力联合测量系统,对船模引起的波浪和压力场进行了测量和分析.通过计算和实验结果的比较,明确了理论模型的适用范围.     

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。     

水底地形变化对摇板造波的影响

In the present paper,the effect of a small bottom undulation of the sea bed in the form of periodic bed form on the surface waves generated due to a rolling oscillation of a vertical barrier either partially immersed or completely submerged in water of non uniform finite depth is investigated.A simplified perturbation technique involving a non dimensional parameter characterizing the smallness of the bottom deformation is applied to reduce the given boundary value problem to two independent boundary value problems upto first order.The first boundary value problem corresponds to the problem of water wave generation due to rolling oscillation of a vertical barrier either partially immersed or completely submerged in water of uniform finite depth.This is a well known problem whose solution is available in the literature.From the second boundary value problem,the first order correction to the wave amplitude at infinity is evaluated in terms of the shape function characterizing the bottom undulation,by employing Green’s integral theorem.For a patch of sinusoidal ripples at the sea bottom,the first order correction to the wave amplitude at infinity for both the configuration of the barrier is then evaluated numerically and illustrated graphically for various values of the wave number.It is observed that resonant interaction of the wave generated,with the sinusoidal bottom undulation occurs when the ratio of twice the wavelength of the sinusoidal ripple to the wave length of waves generated,approaches unity.Also it is found that the resonance increases as the length of the barrier increases.     

The effect of finite depth on 2D and 3D cavitating hydrofoils

The iterative numerical method that has been developed for cavitating hydrofoils and surface piercing bodies moving inside a numerical towing tank is modified and extended to the case of fully submerged, both two- and three-dimensional cavitating hydrofoils in water of finite depth, and the effects of subcritical speed, critical speed and supercritical speed are investigated in detail. The iterative numerical method based on Green’s theorem allows separating the cavitating hydrofoil problem, the free surface problem and finite bottom problem both in two and three dimensions. The cavitating hydrofoil surface, the free surface and the surface of finite bottom are modeled with constant strength dipole and constant strength source panels. While the kinematic boundary condition is applied on the hydrofoil surface, a dynamic condition is applied with a cavity closure condition on the cavity surface. The source strengths on the free surface are expressed in terms of perturbation potential by applying the linearized free surface conditions. No radiation condition is enforced for downstream and transverse boundaries. The source strengths on the bottom surface are zero because of vanishing normal velocity. The method is applied to 2D and 3D cavitating hydrofoils, and the effect of finite bottom on lift and drag coefficients, cavity number and wave elevation is investigated.     

非线性立波作用下砂质海床动力响应及液化研究

利用傅立叶级数近似法求解非线性立波作用下海床表面波压力,基于波浪作用下海床动力响应的二维准静态模型以及液化判定标准,模拟非线性立波作用下海床动力响应以及液化深度。线性与非线性立波计算结果比较表明:当相对水深较大时,非线性立波波峰处波压力出现双峰,波谷处的波压力明显大于线性立波波谷处波压力;海床中孔隙水压力在波峰时也表现出双峰型特性,且波谷时的海床压力增大;在相同波浪条件下,非线性立波作用下海床更易液化,且液化深度大于线性立波作用下液化深度。     

An analytical investigation for oscillations in a harbor of a parabolic bottom

Based on the linear shallow water approximation, longitudinal and transverse oscillations in a rectangular harbor with a parabolic bottom are analyzed. The longitudinal ones are combinations of the Legendre functions of the first and second kinds and the transverse ones are expressed with modified Bessel equations. Analytic results for longitudinal oscillations show that the augmentation of rapidity of variation of the water depth shifts the resonant wave frequencies to larger values and slightly changes the positions of the nodes for the resonant modes. For the transverse oscillations trapped within the harbor which are typically standing edge waves, the dispersion relationship is derived and the spatial structures of the first four modes are presented. The solutions illustrate that all the trapped modes are affected by the varying water depth parameters, especially for the higher modes whose profiles extend farther and the distribution of the energy of transverse oscillations is influenced by the rapidity of variation of the bottom within the harbor.     

有自由液面的陷落式圆腔流噪声实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析法和对比实验法研究了有自由液面的陷落式圆腔的流噪声,实验流速为0.4m/s~2.0m/s,间隔0.2m/s。实验发现当流速为0.4m/s~0.6m/s时,腔内液体有明显的振荡现象,其表现形式为液体沿腔内深度方向的大幅上下运动,称为“活塞(Piston)”现象。当流速大于等于0.8m/s时,腔内无振荡现象出现。通过对背景噪声和腔流噪声的本征模态函数作对比分析,得到了腔内流噪声的特性。     

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。     

嵌入粘弹性包覆层的吸声覆盖层低频性能研究

在单层牯弹性圆柱管吸声覆盖层的基础上,发展了嵌入低剪切波波速包覆层即双层粘弹性圆柱管的吸声结构的理论模型.推导了轴对称波特征方程的低频近似解,并根据牛顿迭代法进一步计算精确解,为吸声覆盖层的低频性能快速预报提供基础.数值分析表明包覆层嵌入比例的增加、或者包覆材料剪切波速的减小能有效地改善低频吸声性能.