非均匀伴流下无空泡螺旋桨涡流噪声的数值研究

应用分离涡方法(DES)对螺旋桨的涡流场进行了模拟。提出了一种在桨叶附近生成高质量边界层网格的结构化网格划分方法。利用Q准则和自定义函数对桨叶泄涡及其频率特性进行了研究。以桨叶表面脉动压力为声源,通过求解FW-H方程对螺旋桨噪声进行了预报。频谱分析表明螺旋桨低频离散线谱噪声、低频宽带噪声以及高频涡流噪声都得到了较好的预报,特别对涡流噪声的频谱特性进行了分析。数值计算结果表明:以单桨叶表面压力脉动为声源,涡流噪声为单调音,频率即为桨叶泄涡频率,声压级比宽带噪声高出约15 dB;以整个螺旋桨表面压力脉动为声源,涡流噪声在泄涡频率附近有着多条线谱,各线谱的频率间隔相等,声压级比宽带噪声高出约10 dB。     

基于无限元方法预报非均匀流中螺旋桨的流噪声

为了系统地研究非均匀流场中螺旋桨流噪声的特点,采用CFD与声学无限元方法结合的方式,对螺旋桨的频域噪声进行数值预报。通过采用大涡模拟方法对非均匀流场中的螺旋桨水动力性能进行计算,然后运用ACTRAN软件的声学无限元方法,对螺旋桨的无空泡噪声进行数值模拟,并对特征点进行频域分析。流场计算结果显示:非定常计算得到的螺旋桨水动力系数与试验值吻合良好,LES模拟得到的流场初值是可信的;通过分析噪声分布云图及特征点频谱曲线得出:非均匀流场中螺旋桨的辐射噪声主要集中在低频段,且该频段的噪声主要由偶极子组成,同时噪声衰减速度随频率增大而减小,螺旋桨轴向声压级高于径向两侧,验证了计算结果的可靠性,为螺旋桨的水下噪声预报提供了一种新的方法。     

均匀流中螺旋桨无空泡噪声数值预报方法验证分析

为了分析敞水螺旋桨噪声性能,以某一螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法对其敞水水动力性能进行计算,所得结果与试验值误差较小;然后运用基于无限元方法的声学软件Actran对螺旋桨的无空泡噪声进行数值模拟,并对特征点频谱曲线、螺旋桨声压云图、声指向性与衰减特性进行分析,得到单极子噪声特性-径向声压级高于轴向声压级,并且随着距桨中心距离的增大,声压级衰减速度减小,径向与轴向声压级差距缩小;验证数值预报方法的有效性,为船桨一体噪声数值模拟提供参考。     

均匀流中螺旋桨无空泡噪声数值预报方法验证分析

为了分析敞水螺旋桨噪声性能,以某一螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法对其敞水水动力性能进行计算,所得结果与试验值误差较小;然后运用基于无限元方法的声学软件Actran对螺旋桨的无空泡噪声进行数值模拟,并对特征点频谱曲线、螺旋桨声压云图、声指向性与衰减特性进行分析,得到单极子噪声特性-径向声压级高于轴向声压级,并且随着距桨中心距离的增大,声压级衰减速度减小,径向与轴向声压级差距缩小;验证数值预报方法的有效性,为船桨一体噪声数值模拟提供参考.     

船舶螺旋桨—艉部流场互作用噪声的研究

由螺旋桨引起的互作用噪声构成了船舶中高速航行时整个辐射噪声的重要部分。由螺旋桨叶片和船舶艉部非均匀流场相互作用引起了低频离散谱噪声。由螺旋桨叶片和艉部湍流场相互作用产生了螺旋桨低频宽带噪声。利用升力面理论和声学方法得到的离散谱噪声的预报公式,对螺旋桨不同直径、侧斜、纵倾对离散谱噪声的影响作了数值计算,并得到了工程上有实用意义的结果。在分析螺旋桨低频宽带噪声成因的基础上得到了理论分析方法,并作了数值计算。整个方法不仅对船舶螺旋桨噪声预报提供了十分重要的工具,而且对螺旋桨的噪声控制也有重要的实用价值。     

不同舵角的舵翼结构涡量及流噪声特性分析

以梯形舵翼结构为研究对象,采用CFD大涡模拟及Lighthill声类比理论对不同舵角下舵翼结构的流场和声场进行数值预报,分析其涡量特性及流噪声特性。结果表明:来流速度相同时,随着舵角的增大,涡系越来越复杂,涡量及流噪声也随之增大;涡系主要集中在稳定翼的导边、舵翼的尾缘及舵与稳定翼之间;舵翼结构流噪声的声压级频谱频带较宽,无明显的主频率出现;低频时声压级幅值较大,并且随着频率升高而持续下降;舵翼尾缘及稳定翼导边前缘的声场强度比翼型两侧的声场强度大,这也和流场涡量分析结果一致,进而说明了涡流是产生流噪声的根本原因。     

螺旋桨低频宽带噪声影响参数研究与流—声多目标优化设计

文章以谱方法为理论基础,以条带法为数值求解方法,针对Sears力响应函数引入厚度修正,建立了螺旋桨低频宽带噪声理论预报方法.通过对比10叶模型螺旋桨水筒试验数据,验证了厚度修正的效果,厚度修正后总声级误差由2 dB减少至1.1 dB.文中利用厚度修正后的预报方法,从三个层次六个方面对影响螺旋桨低频宽带噪声的参数进行研究,并实现了流-声多目标优化设计:(1)单个螺旋桨影响参数灵敏度分析:①外半径型值对总声级影响较大,而内半径几乎没有影响.②利用Sobol灵敏度分析法对两个不同叶数螺旋桨的流场参数和螺旋桨参数进行研究发现:不同桨叶下各参数影响因子几乎一致,来流速度对于螺旋桨低频宽带总声级有最大贡献,约为30％的正效应,其次是湍流度约为22％的正效应,而湍流积分长度仅占7％的负效应.(2)单个螺旋桨流—声多目标优化设计研究:以NSGA-Ⅱ为优化算法,结合非定常面元法和低频宽带噪声预报方法,实现流-声多目标优化设计.(3)多个螺旋桨相对关系稳健性分析:对不同螺旋桨低频宽带噪声相对关系稳健性进行研究,分析湍流积分长度和湍流度变化的影响.该文的研究成果为下一步将低频宽带噪声纳入螺旋桨设计考核指标奠定了理论基础.     

基于大涡模拟的轮缘侧推器和常规侧推器非空泡噪声对比分析

提出了基于大涡模拟（LES）方法与FW-H声学模型相结合的侧推器噪声仿真方法，通过导管桨敞水性能试验值与仿真值的对比，以及侧推器流场基频和各次谐波计算值与仿真值的对比，验证了基于LES方法的侧推器流噪声仿真方法的准确性。在此基础上，研究了轮缘侧推器和常规侧推器在非均匀来流时的流场分布，获取了侧推器桨叶等水力部件的声压时域和频域。结果表明：侧推器产生的流噪声主要为低频噪声，轮缘侧推器横向和径向总声压级分别比常规侧推器小3 dB和10 dB左右；侧推器噪声分布主要呈现偶极子特性，桨叶横向总声压级高于径向。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

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。     

艇后大侧斜螺旋桨负载噪声数值分析

为研究艇后非均匀流场中大侧斜螺旋桨无空泡负载噪声的分布规律,文章采用“CFD+BEM”法,以SUBOFF潜艇后某大侧斜桨为研究对象,首先稳态计算均匀进流下螺旋桨敞水特性,模拟系数值与实验误差在3%以内,验证了CFD数值计算的可信性。然后采用大涡（LES）模拟,对“艇+桨”进行三维非定常数值模拟,计算得到桨表面声偶极子数据后,通过距离加权平均法映射到声网格节点上,将噪声源直接分布在桨叶表面上进行积分来预报螺旋桨的低频线谱噪声。采用边界元法基于扇声源理论通过FW-H声类比方程分别在1 kHz以内对桨盘面、轴向纵剖面及10倍桨半径球场的噪声进行频域求解。研究表明：桨盘面和轴向纵剖面上声指向均呈8字形,但受螺旋桨自身旋转及大侧斜的存在,指向性不唯一;球场声场显示,轴向声辐射面较大,声辐射强,径向辐射面小且辐射较弱;特征点的计算结果显示,高阶叶频声压级明显比一阶叶频低,这与物理现象相符,将特征点处结果与已发表文献进行对比,吻合性良好,并对存在的差异作出了合理的物理解释。该文为螺旋桨噪声预报介绍了一种可行的新方法。     

螺旋桨旋涡发放数值模拟

基于LS-DYNA软件和任意拉格朗日—欧拉(ALE)方法,建立螺旋桨与流体相互作用的有限元模型,数值计算螺旋桨固定桨叶在前方来流下的流体动力特性和结构力学性能,分析总结桨叶后方旋涡运动和桨叶内部应力变化的规律。结果表明,螺旋桨桨叶的不规则形状导致了桨叶后方旋涡的相互作用,桨叶单元所在位置的厚度以及该位置与约束位置的距离决定了单元应力的大小。数值模拟得出的结论对研究螺旋桨"唱音"现象有一定的参考价值。     

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.     

泵喷推进器导管对噪声传播特性的影响

对泵喷推进器导管内外声场采用有限元方法进行了建模及计算,无限远场采用无限元技术进行建模,在考虑声振耦合的条件下,在频率域内从测量点频谱、特征频率声场及噪声指向性等方面分析了特定噪声源下导管对噪声的传播影响。研究表明,导管对低频噪声无明显影响,对较高频噪声能改变其声场指向性及降低其声压级。本文研究成果对进一步进行导管声学设计具有重要指导意义。     

螺旋桨空泡和噪声特性试验研究

本文通过螺旋桨空泡噪声模型试验,研究螺旋桨空泡和噪声特征,以及螺旋桨不同阶段空泡和噪声的关系,探究螺旋桨噪声产生及控制机理.建立了螺旋桨空泡和噪声同步测试方法,针对2400 TEU集装箱船螺旋桨开展模型试验.从螺旋桨模型试验结果分析得出:片空泡脱落形成梢涡空泡产生的噪声量级最高,且具有宽带特性,梢涡空泡噪声量级次之;模型状态下片空泡脱落形成梢涡空泡,以及独立的梢涡空泡引起的空泡噪声均在1000 Hz附近存在明显峰值,对应实桨的峰值频率为50-60 Hz.     

船用柴油机排气冷却消声器流体与消声特性

为了降低船用柴油机排气噪声,并对废气进行冷却以降低红外辐射,实现红外隐身目的,要求在排气系统中安装排气冷却消声器。利用数值算法研究排气冷却消声器的气体流动特性、冷却效果、声学性能。首先利用有限体积法计算并分析了排气冷却消声器在冷却与不冷却时的空气动力性能,得到其阻力损失特性、冷却效果和温度场信息。在流体计算的基础上得到消声器温度场,然后采用声学有限元法计算并分析了排气冷却消声器在室温与高温冷却下的声学特性,将排气冷却消声器的左端共振腔体积减小,改变其共振频率从而改变消声器在低频时的声学性能。     

以舱段模型代替整艇模型进行噪声估算的可行性探讨

采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量附加阻尼算法,对SUBOFF潜艇模型的一个舱段在考虑不同声反射边界条件下的水下辐射噪声进行了数值计算,并讨论了以舱段模型代替整艇模型进行噪声估算的可行性。分析结果表明,不同声反射边界条件下辐射噪声的指向性比较一致,但不同边界条件下辐射噪声的最大声压级误差较大,声反射边界条件对舱段模型辐射噪声的影响不可以简单忽略,为对不同潜艇结构进行噪声估算提供了参考。     

螺旋桨扰动速度场数值预报

本文给出了螺旋桨周围流场的预报方法及其数值计算结果。本方法以具有涡分布和源汇分布的升力面来构造螺旋桨对流场的状动。升力面取奖叶拱弧面。根据桨叶表面流动不穿透条件解出升力面奇点后，然后再求它们对流场的扰动。敞水螺旋桨的脉动速度计算结果与试验结果吻合良好。     

基于Lighthill声类比理论的螺旋桨噪声性能研究

论文基于Lighthill声类比理论和傅立叶变换结合声学软件Actran开展螺旋桨噪声性能的分析研究。以E779A螺旋桨模型为对象,进行了螺旋桨噪声性能的数值模拟,分析了不同位置处声压谱和声功率谱的特性、噪声随距离变化的衰减特性、不同进速系数下的声压级云图等;最后,分析了非均匀进流、螺旋桨空化、进速系数等对螺旋桨噪声的影响。本文主要的研究工作是对螺旋桨噪声性能的预报研究,对今后船舶工程螺旋桨的设计研究有着重要的指导意义。     

消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较

潜艇桨盘面伴流是潜艇螺旋桨的进流,其周向均匀性与螺旋桨的振动与噪声直接相关。文章在阐明潜艇主附体结合部马蹄涡对潜艇伴流影响和消涡整流片的作用原理的基础上,针对SUBOFF模型的几何特点,设计了一套消涡整流片,运用分离涡方法计算了消涡整流片对桨盘面速度分量周向不均匀性的抑制作用,并与辅翼的整流作用进行了比较,结果表明,消涡整流片效果相对较好,可使周向不均匀性下降50%～80%,且整流片的整流效果具有较好的稳定性。