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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水动力噪声计算方法综述

准确量化评估水动力噪声,对研制反潜水面舰船、安静型潜艇和隐身鱼雷等高性能航行体具有重要意义。由航行体型线变化、表面曲率不连续和各种扰动引起的三维非定常外流场是航行体水动力噪声的源场。分述航行体表面湍流边界层、空腔振荡、空化和粗糙度诱发水动力噪声的机理和研究进展。在分析水动力噪声数值预报难点的基础上,综述流体动力噪声计算方法研究进展。着重比较在航行体水动力噪声工程预报方面有较好前景的3种方法:声类比法、粘声分离法和声边界条件法。     

水下航行器噪声工程预测模型的初步探讨

固定翼飞机和水下航行器在系统工作原理和结构布局上存在众多的类似性,其噪声产生和传播也存在许多共同的特征.本文在借鉴飞机噪声预测研究的基础上,结合水下航行器噪声的一些独有特征,从系统和部件两方面对水下航行器噪声的产生和传播机理进行了分析,在此基础上介绍了水下航行器噪声工程预测模型的构思,并就作者在其中已经开展的一些基础研究进行了概述和介绍,供相关的研究人员讨论和参考.     

水下航行体孔群流激噪声试验研究

孔群是目前水下航行体通流口较为青睐的开口形式,主要目的是降低开口流动激励及噪声。为了研究孔群流动激励特性及其主要参数对流激噪声的影响,借助自航模试验平台对孔群模型进行了流激噪声试验。试验模型包括无孔模型、长圆孔群模型、圆孔群模型等,试验获得了孔群流动激励特性,以及孔群形式、尺寸等对流激噪声的影响程度。试验研究表明,孔群主要导致低频段流动激励恶化,且存在低频特征线谱,圆孔群流动激励优于长圆孔群;减小孔群单孔尺寸,有利于抑制线谱及宽带流动激励。     

水下航行器线谱振动噪声研究进展

水下航行器噪声的线谱分布特征是其被探测、识别的重要信息,直接决定其在复杂海洋环境中的生存力和战斗力。本文围绕水下航行器线谱振动噪声展开回顾总结,系统梳理水下航行器线谱振动噪声的形成机理、频谱特性以及噪声传递路径;研究水下航行器振动声辐射预报方法,频域上基于SEA,FEM预报稳态声场,时域上基于波动理论分析瞬态声场;从被动控制、主动控制、其他控制等角度,分析近年来国内外线谱振动噪声控制进展;给出了噪声智能识别监测系统、基于态势感知的噪声快速预报技术、噪声动态控制技术一体化的未来发展趋势。     

水下航行器头部流噪声性能数值模拟研究

流噪声的降低对水下航行器的隐蔽性提升、主动声呐系统探测能力的提高具有重要意义。首部作为水下航行器主要构成部分,其线型设计的优劣直接关系到流噪声性能和声呐系统工作环境的好坏。基于大涡模拟(LES)的流场计算结果,采用ACTRAN这一声学软件对2种不同头部线型、不同速度、不同攻角、不同监测点处的流噪声性能进行研究。分析研究发现,水下航行器流噪声能量主要集中在低频段,随着速度的增大而增大。在速度、攻角相同的情况下,头部端面半径小、头部长度较长的模型具有较好的流噪声性能。在同一模型下,头部驻点处的流噪声比头部端面一定半径处任何点的流噪声要小。将数值模拟与水下航行器流噪声特性水洞试验研究进行对比,两者得到的结论一致。     

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。     

流激围壳结构的低频噪声数值模拟研究

围壳结构是最重要的突出结构,其噪声水平关乎水下航行器的使用效果。本文通过有限元结合边界元数值计算的方法,对多种围壳结构不同条件下的典型流激围壳辐射噪声进行理论数值仿真研究,研究结果表明,不同航速和不同结构下的流激围壳辐射噪声特性存在一定差异,为围壳结构的线型设计及实际操纵提供重要的理论依据,具有一定的工程应用价值。     

流激围壳结构的低频噪声数值模拟研究

围壳结构是最重要的突出结构,其噪声水平关乎水下航行器的使用效果。本文通过有限元结合边界元数值计算的方法,对多种围壳结构不同条件下的典型流激围壳辐射噪声进行理论数值仿真研究,研究结果表明,不同航速和不同结构下的流激围壳辐射噪声特性存在一定差异,为围壳结构的线型设计及实际操纵提供重要的理论依据,具有一定的工程应用价值。     

小型水下航行器舷侧阵流噪声抑制原理和仿真分析

在小型水下航行器上加装舷侧阵,可有效增大基阵孔径,提高探测能力.流噪声是小型水下航行器舷侧阵的主要背景噪声之一,其激励源为阵表面的湍流边界层起伏压力.抑制流噪声是提高小型水下航行器舷侧阵声接收性能的重要途径.本文通过小型水下航行器舷侧阵的波数域响应函数建模给出了流噪声计算方法.仿真分析结果表明,采用面元水听器和表面覆盖粘弹性层相结合,可滤除湍流边界层起伏压力的高波数成份,从而有效抑制小型水下航行器舷侧阵的流噪声.     

水舱表面开孔特征参数流噪声特性分析

水下航行体因表面开孔产生的流噪声是总体噪声的重要部分,对其隐蔽性造成负面影响,而其噪声特性影响因素较多,开孔长宽比是其中一个典型参数。在现有阻力试验模型的基础上建立模型,采用 RANS结合DES方法获得流场数据,并运用FW-H方程获得其声场信息。分析艇体开孔水舱内的流动现象,表明模型噪声的特征频率符合一般空腔规律,且与开孔长度有关;在长宽比为0.25时,其流噪声水平最低。最后结合简化模型作进一步验证。     

基于混合网格的水下航行器系统航行特性研究

水下航行器系统是包含主体、推进系统和其余附体的整体结构,其航行特性研究是水下航行器系统设计的重要内容.为研究水下航行器系统的航行性能和航行时的表面压力特征和流场特性,基于CFD方法,使用重叠网格和滑移网格相结合的混合网格技术对某自主研发水下航行器系统模型进行直接模拟.结果表明:水下航行器系统在不同大小的推力作用下,会表现出不同的航行性能,通过推力-速度曲线可以插值得到不同推力下的航行点;水下航行器在来流速度不同时其所受表面压力大小不同,但分布规律相似,且具有相同的流场分布特性.     

水舱表面开孔特征参数流噪声特性分析

水下航行体因表面开孔产生的流噪声是总体噪声的重要部分,对其隐蔽性造成负面影响,而其噪声特性影响因素较多,开孔长宽比是其中一个典型参数。在现有阻力试验模型的基础上建立模型,采用RANS结合DES方法获得流场数据,并运用FW-H方程获得其声场信息。分析艇体开孔水舱内的流动现象,表明模型噪声的特征频率符合一般空腔规律,且与开孔长度有关;在长宽比为0.25时,其流噪声水平最低。最后结合简化模型作进一步验证。     

涡流发生器引起的流动阻力特性研究

为了研究涡流发生器引起的流动阻力特性与噪声抑制效果的联系,采用流场与声场数值计算,结合有限元与无限元方法,基于船艏声呐导流罩模型对流动特性与流激噪声特性进行分析,在此基础上利用涡流发生器对流激噪声进行控制,并研究流动阻力与流激噪声的关系。计算结果表明,导流罩模型后方存在逆压梯度,导致边界层流动分离并产生大尺度涡,激励模型产生流激噪声;通过涡流发生器对边界层流动进行控制,可以抑制流激噪声;涡流发生器会导致模型受到更大的压差阻力,但是涡流发生器对边界层的控制作用不仅可以抑制流激噪声,还能减小模型的流动阻力,一定程度上减小涡流发生器结构本身带来的增阻影响。研究结果对涡流发生器的减阻研究有一定的指导意义。     

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。     

水下航行器辅机电机振动分析及控制对策

控制水下航行器辅机产生的机械噪声一直是水下航行器减振降噪研究的热点。从能量传递方面来看,这类噪声均来源于作为驱动源的电机振动。本文从电机理论的角度讨论水下航行器辅机电机的振动原因,重点分析产生电磁振动的径向电磁力,论述水下航行器辅机用3种常用电机径向电磁力的产生特点。结合水下航行器设计使用特点,介绍辅机电机振动控制的3个对策。