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.     

平板湍流边界层流向—法向平面发卡涡的PIV实验研究

湍流边界层流动精细涡结构的分析对于水下航行体表面减阻乃至降噪机理的深入研究都具有重要意义.文章应用粒子图像测速技术(PIV),对Reθ=1 743和5 400时的平板湍流边界层的流向—法向平面流场进行了测试研究.一方面,直接对瞬时速度场精细涡结构进行提取分析,通过Galilean分解和λci准则识别出流向—法向平面中的发卡涡及发卡涡包.研究表明,发卡涡和雷诺应力的分布特征具有高度相关性;发卡涡包产生了流向动量的法向不规则分层分布特征.另一方面,文中通过对500个瞬时速度场子样进行时间平均分析,获得了不同雷诺数下平均速度以及湍流度分量的法向分布规律.此外,文中还对发卡涡的几何尺寸和漩涡强度λci进行了统计分析.研究表明,在y+＜50范围内无量纲化的漩涡强度λciδ/uт沿法向迅速衰减,且在不同雷诺数下变化曲线基本一致;在y+ ＞50后λciδ/uт衰减平缓,且低雷诺数下的值较大.     

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.     

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.     

螺旋桨脉动压力及噪声特性的数值模拟研究

采用LES方法结合FW-H声学模型计算分析了螺旋桨的近场脉动压力和远场声辐射特性.近场脉动压力分析结果表明:脉动压力频谱特性在桨盘面和桨轴方向存在差异,脉动压力幅值随着距离增大迅速衰减;若要得到螺旋桨远场辐射噪声,声压接收点的位置需至少距离螺旋桨10倍直径.远场噪声指向性分析结果发现:声压总级在桨轴纵向平面呈现椭圆形分布,轴向总声级比盘面周向大.此外,噪声频谱特性的分析结果发现,桨盘面和桨轴方向声辐射频率特性也存在差异.     

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。     

基于大涡模拟的螺旋桨毂涡结构分析与建模

为了分析螺旋桨毂涡结构和建立毂涡模型,用大涡模拟方法对敞水螺旋桨的水动力和流场进行数值计算,并通过试验模型的水动力测试和LDV流场测量进行了验证。在此基础上,通过毂涡周向平均切向速度分布特征的分析,找到了描述毂涡强度及扩散过程的控制参数,并基于Oseen涡的切向速度分布形式建立了毂涡模型。通过涡量分布及压力等值面描述了瞬态毂涡结构,发现毂涡中存在两根互相缠绕的螺旋形集中涡,且毂涡大尺度拟序结构的旋转频率明显高于螺旋桨轴频。     

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。     

螺旋桨脉动压力及噪声特性的数值模拟研究

采用LES方法结合FW-H声学模型计算分析了螺旋桨的近场脉动压力和远场声辐射特性。近场脉动压力分析结果表明:脉动压力频谱特性在桨盘面和桨轴方向存在差异,脉动压力幅值随着距离增大迅速衰减;若要得到螺旋桨远场辐射噪声,声压接收点的位置需至少距离螺旋桨10倍直径。远场噪声指向性分析结果发现:声压总级在桨轴纵向平面呈现椭圆形分布,轴向总声级比盘面周向大。此外,噪声频谱特性的分析结果发现,桨盘面和桨轴方向声辐射频率特性也存在差异。     

螺旋桨梢涡流场的DES模拟

文章应用分离涡模型（DES）对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的“Q准则”,对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。     

平板上直立圆柱三维绕流的CFD计算研究

利用计算流体动力学(CFD)方法,对粘性不可压缩流体流过平板上直立圆柱的绕流进行了三维数值模拟,采用了有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩的Navier-Stokes方程,模拟了雷诺数在200的层流绕流流动。在建立贴体的结构化精细网格之后,成功模拟了马蹄涡,与经典的理论对比具有较好的吻合性。同时得到了交接部区域的剪切力云图。计算结果表明,主/附体结构交接部区域流动机理十分复杂,在这个区域有马蹄涡的存在,是产生交接部冲蚀的根本原因。计算结果表明本文所用方法在模拟含有复杂流动机理的圆柱绕流中是可靠性的。     

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。     

Investigation on the vortex structure of propeller wake influenced by loading on the blade

The vortex structure of the wake behind a marine propeller was investigated in terms of loading variation by using particle image velocimetry. One hundred and fifty instantaneous velocity fields were ensemble averaged to study the spatial evolution of the wake and the behavior of the tip vortices in the region ranging from the trailing edge to one propeller diameter downstream. The trailing vorticity was found to be related to the radial velocity jump, and the viscous wake was affected by the boundary layers developed on the blade surfaces. A vortex identification method using the swirling strength was employed to extract the location of the tip vortex. The loading on the blade made a clear difference to the contraction angles. Slipstream contraction occurred in the very near wake region, and unstable oscillation occurred because of reduced interaction between the tip vortex and the wake sheet behind the maximum contraction point for each loading condition. The maximum tangential velocity around the tip vortex center revealed the average radius of its core, which was used for calculating the vortex strength. Additionally, variation of the average radius of tip vortices with the change of blade loading was related to vortex tube stretching in the wake region. The nearly constant vortex strength continued up to one diameter downstream for light loading and design loading conditions.     

涡判据在孔腔涡旋流动拓扑结构分析中的应用

涡作为一种经典的流动现象目前仍没有严格的数学定义,涡判据是人们识别涡的重要途径。文章对涡的各种判据及其物理意义进行了调研和总结,并将目前较为常用的Q判据和λ2判据应用于二维和三维孔腔流动中涡的识别,并对其拓扑结构进行了分析,得到了有意义的结果。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

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。     

沟槽面减阻效果影响因素及减阻机理的分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和粘性阻力,研究了沟槽尖峰形状和雷诺数对减阻效果的影响规律,初步分析了沟槽面减阻机理.指出:沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之增大;来流速度对沟槽减阻率的影响很大,对于一种尺度的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,而沟槽面在沿来流方向上的布置位置对减阻效果的影响非常小;沟槽尺度对减阻效果很剧烈;沟槽尖峰处生成的二次涡是产生减阻效果的根本原因,二次涡的强弱与沟槽减阻率的大小紧密相关.