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。     

水下高速航行体对转螺旋桨线谱噪声预报研究

对转螺旋浆的线谱噪声构成了水下高速航行体整个辐射噪声的重要部分，对转螺旋桨的线谱噪声是由前后桨与航行体尾流场相互作用及前后桨相互干扰所引起的。线谱噪声的预报方法是利用升力面理论和声学方法相结合实现的。文中详述了线谱噪声的理论计算方法、线谱噪声的特征和数值预报。同时也预报了尾流场的变化、前后桨间距变化对噪声级的影响等。预报值和试验结果吻合良好，整个方法对行体的性能预报、噪声源识别和桨的低噪声设计均具     

国外舰船水动力噪声研究进展概述

水动力噪声是潜艇和水下航行体较大航速时的主要噪声源,在低Ma数情况下,它主要是湍流边界层脉动压力激励结构振动产生的辐射噪声.文章综述湍流边界层脉动压力的频率-波数谱模型、湍流脉动压力测量方法以及弹性结构受湍流脉动压力激励的外部区域场计算的研究进展.     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

声类比水下圆柱绕流声学特性研究

本文以三维刚性圆柱为研究对象,开展了基于大涡模拟和Lighthill声类比理论的混合数值模拟方法研究,确定了合适的声学计算模型参数。结合噪声频域特性和声学指向性,对比分析了不同雷诺数(Re=4.3×10~4、Re=1.0×10~5、Re=1.8×10~5和Re=2.5×10~5)、不同间距比(L/D=2、3、4和5)和不同排列方式(串联、并联和交错45°)下有限高单圆柱及双圆柱的水动力噪声特性,讨论了雷诺数、间距比以及排列方式对圆柱绕流水动力噪声的影响,为实现水下钝体和航行器流噪声的精确预报提供了详细的数值模拟方法指导。     

水下航行体振动与声辐射数值实验研究

基于有限元、边界元法,结合有限元计算软件ANSYS和声学软件SYSNOISE,对某水下航行体进行整体建模,对壳表面引发的声辐射噪声进行声压级预报,重点讨论激振力频率、激振点纵向位置变化对航行体艏、艉端以及中部声压的影响,结果表明应当采取有效减振降噪措施降低500 Hz范围以内的机械辐射噪声,主机位置变化对艏端点结构辐射噪声有重要影响,但并不是主机激振位置距艏端越远声压级就越小,而是有一个最佳的匹配位置。     

水下潜器首部声基阵区流噪声研究方法

水下潜器在航行过程中,主要使用声呐来探测敌方舰艇以及自身位置。主声呐一般安放在潜艇首部位置,可分为主动声呐与被动声呐。在探测目标时,噪声是2种声呐系统都必须克服的干扰因素。针对自噪声中的流噪声,首先使用LES模型对水下潜器的外流场进行仿真计算。在获得流场中的脉动压力分布后,将其导入基于Lighthill声类比理论的声学软件ACTRAN中进行声场仿真计算,实现了对水下潜器首部声基阵区流噪声的数值预报。研究了航速、共形阵的安装位置和基阵单元安装面形状对声基阵区流噪声传播的影响。结果表明:航速越大,流噪声越大;增大声呐安装面与导流罩的距离以及使用较光滑的安装面,可以减小声基阵区流噪声的大小。     

水下潜器首部声基阵区流噪声研究方法

水下潜器在航行过程中,主要使用声呐来探测敌方舰艇以及自身位置.主声呐一般安放在潜艇首部位置,可分为主动声呐与被动声呐.在探测目标时,噪声是2种声呐系统都必须克服的干扰因素.针对自噪声中的流噪声,首先使用LES模型对水下潜器的外流场进行仿真计算.在获得流场中的脉动压力分布后,将其导入基于Lighthill声类比理论的声学软件ACTRAN中进行声场仿真计算,实现了对水下潜器首部声基阵区流噪声的数值预报.研究了航速、共形阵的安装位置和基阵单元安装面形状对声基阵区流噪声传播的影响.结果表明:航速越大,流噪声越大;增大声呐安装面与导流罩的距离以及使用较光滑的安装面,可以减小声基阵区流噪声的大小.     

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。     

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。     

水下航行体表面状态细节流动特性数值分析研究

本文采用数值求解RANS方程的方法,对于水下航行体表面状态细节(小突体、孔穴)的流动特性进行了研究.计算详细地给出了航行体带小突体与表面开设孔穴后的阻力与流场,结果表明它们对于航行体水动力性能有明显的影响,在设计中应加以优化处理.     

船舶三维声弹性计算法研究

船舶本身和水介质声弹之间的耦合会产生振动,成为影响船舶航行的水下辐射噪声之一。通过研究船舶三维声弹性可以有效的预报船舶在海洋环境中的噪声,能够加快声隐身问题的研究。本文利用近似Green函数,在Pekeris声波导模型的基础上计算有限水深中的船舶三维声弹性,在计算过程中简化了Green函数,加快了计算效率和提高了收敛性。     

水下航行体回转水动力数值计算研究

准确预报水动力对水下航行体的安全操纵设计而言至关重要。基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用相对运动理论及运动叠加原理,并对控制方程中向心力源项空间离散误差进行修正,预报水下航行体做单平面回转运动的受力及力矩。在Re=11.7×106条件下,力和力矩预报精度的偏差在12%以内,表明所采用的数值预报方法有效、可行,具有较好的工程实用价值。     

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.     

十字形和X形艉舵航行体的水动力特性对比

[目的]对于水下航行体的艉布局而言,相较十字形艉布局,X形艉布局具有不超宽、降低舵卡严重后果等优点。由于X形艉布局及其操纵较为特殊,其水动力特性与十字形不同。以SUBOFF为原型,通过数值计算对比十字形和X形艉布局航行体的操纵性水动力特性。[方法]首先,对比十字形艉布局线性水动力的数值计算与模型试验数据,确定数值计算的网格参数;其次,对全动舵面积相同的X形艉布局航行体线性水动力进行预报,并与十字形艉布局进行对比;最后,采用体积力模拟螺旋桨抽吸,对比研究两方案操纵性水动力特性的差异。[结果]结果表明:在相同全动舵面积下,相较十字形艉,X形艉布局航行体水平面静不稳定系数略小,垂直面静不稳定系数略大;受相邻两舵干扰影响,X形航行体垂直面、水平面舵力特性具有较为明显的不对称性,舵导数减小约27%;抽吸显著改变了十字形和X形艉布局航行体的水动力,舵导数增大约15%～18%。[结论]研究成果可为水下航行体操纵性设计提供一定的借鉴。     

国外水面舰艇声隐身设计及控制技术概况

介绍了国外水面舰艇声隐身的设计过程、水下噪声的预报方法及其适用范围，以及针对舰艇螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声实施水下噪声控制的主要方法，归纳了世界主要海军国家部分水面舰艇所采用的减振降噪措施，以及几种科学考察船的水下噪声数据。     

围壳对水下航行体水动力系数的影响特性研究

作为水下航行体的重要附体之一,围壳对其操纵性水动力系数存在重要影响。为此基于相对参考坐标系方法,开展旋臂水池数值仿真研究。通过与模型试验数据对比,建立了线性旋转速度系数的数值计算方法。在此基础上研究有无围壳状态、围壳在水下航行体上的轴向位置工况下水下航行体的水动力系数和流场特性,得到了围壳对水下航行体流场和水动力系数的影响。     

艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报

[目的]螺旋桨噪声和水动力噪声是潜艇噪声控制的重点和难点,因此有必要开展艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声预报研究。[方法]以SUBOFF潜艇和DTMB 4383桨为计算对象,结合大涡模拟湍流模型和无限元方法,分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。采用ACTRAN声学计算软件对艇桨一体的水动力噪声性能进行数值预报。[结果]计算结果表明:螺旋桨激振力的各个分量具有相同的脉动频率,脉动峰值以一阶叶频处为主,同时水平力脉动和垂直力脉动大于推力脉动;潜艇艏部、指挥台、艉翼及螺旋桨叶梢部位均存在局部高压区,这是水动力噪声的主要贡献点;艇桨一体的水动力噪声主要集中在低频段,随着频率的增加,其蝶形分布更加明显;与无桨全附体潜艇相比,带桨潜艇特征点的声压值急剧增加,对其辐射声场的影响较大。[结论]研究成果可为艇桨一体的螺旋桨设计提供参考建议。     

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.     

仿生水动力学研究进展综述

海洋鱼类经过数百万年的自然进化,获得了非凡的水动力性能,人类迄今为止研发的任何水下航行体尚难以超越。仿生已成为提高水下航行体水动力性能的重要技术途径。本文对仿生水动力学的研究进展进行了梳理,重点评述了仿生水动力学理论研究、仿生推进/操纵和仿生减阻三个方面的国内外研究现状和发展趋势,并对仿生水动力学研究亟需突破的瓶颈问题和技术路线给出了若干建议。