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。     

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。     

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。     

流致噪声机理及预报方法研究综述

流激舵系统引起的振动对水下航行体隐蔽性产生较大影响。为深入研究其振动特性,根据舵系统的结构组成进行简化,建立系统二元线性颤振数学模型,确定低速颤振的产生条件,并获得低速颤振的主要影响因素和作用规律。此外,在重力式水洞中开展舵模型流激振动试验,重点研究了支撑刚度、扭转刚度、质心和刚心位置等参数变化对舵模型流激振动的影响。结果表明：在流体载荷激励下,舵系统结构设计对流激振动特性有较大影响,通过对升沉运动与扭转运动频率之比、结构质量与附加质量之比、刚心、质心与弦中心的相对位置等参数进行匹配设计,能够有效抑制舵系统流激振动。     

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.     

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Lighthill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。

     

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.     

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.     

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。     

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。     

螺旋桨低频流噪声模拟方法研究

针对DTMB P4119螺旋桨在进速比为0.833时的流噪声进行研究,探讨螺旋桨低频流噪声数值模拟方法。首先采用大涡模拟方法模拟螺旋桨的非稳态流场,然后求解K-FWH方程预测低频流噪声。将计算得到的推力系数和扭矩系数与实验值比较,验证流场模拟的正确性。从流场仿真结果可以看出,螺旋桨表面存在连续的涡脱落现象。声场计算的结果表明:离散噪声远大于宽带噪声;宽带噪声主要由螺旋桨表面的涡脱落引起,宽带噪声引起螺旋桨近场总声压级的周向波动;在同一半径处总声压级沿轴向逐渐减小,在同一平面内总声压级沿径向先增加后减小。     

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.     

基于声类比的仿生圆柱壳流噪声特性研究

本文基于鲨鱼皮表面的齿状结构对圆柱壳表面进行改形设计,设计了3种典型仿生圆柱壳结构.采用大涡模拟(LES)结合Lighthill声类比方法对仿生圆柱壳的流噪声进行求解,并讨论了仿生圆柱壳流动噪声的特性和机理,最后对圆柱表面的齿状结构进行了优化.结果表明,仿生圆柱可以降低脉动压力的幅值,同时能够改善尾流流场,减少圆柱尾流涡量,从而起到降噪作用.3种仿生圆柱中,V型仿生圆柱的降噪作用最佳,且Ⅴ型圆柱的s/h的临界值在2.5左右,s/h＞2.5时,V型仿生圆柱不再具有降噪作用.     

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。     

刚性壁面三维陷落腔涡流噪声机理研究

陷落腔结构作为船舶表面的一种常见结构,其产生的噪声近年来广受关注。文章在马赫数为0.0048条件下,采用LES-Lghthill等效声源法对刚性壁面三维陷落腔的流场及声场进行仿真,形象地再现了陷落腔内部涡旋运动变化规律,分析了陷落腔涡流流动机制、脉动压力特性以及辐射噪声特征。通过对脉动压力功率谱及声功率频谱的对比分析发现,声功率谱的前三阶频率与陷落腔流体动力振荡频率吻合,这表明刚性壁面的三维陷落腔涡流噪声由流体动力振荡引起,由脉动压力构成的偶极子源对涡流噪声的贡献最大。研究成果为控制船舶涡流噪声提供了理论依据。