孔穴流激噪声的计算与验证研究

流激噪声的预报问题是流体动力声学领域的重点和难点.在气动声学领域,人们对此问题进行了很多探索,而在水声学领域,该问题尚缺乏深入的研究,文章的目的在于初步建立适用于水中流激噪声预报的数值方法.通过大涡模拟(LES)方法和FW-H声学类比方法,计算了两类孔穴的流激噪声问题.分析了声压谱级,壁面压力功率谱、涡量分布等,并利用试验结果对数值预报进行了验证.研究表明,计算结果量级可靠,符合声学一般规律.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

舰船螺旋桨数值模拟中不同网格类型的比较

不同网格类型的使用对螺旋桨不同问题数值模拟的各个方面都有重要影响。在STAR-CCM+平台上,使用RANS方法 SST kω模型对第27届ITTC指定螺旋桨进行了数值模拟,并从网格生成效率、网格计算效率、预报准确性等3个方面对3种主流的非结构网格进行比较。预报准确性的比较又从宏观(螺旋桨推力和扭矩)和微观(涡结构、尾流压力场、局部流场)2个方面进行。使用3套不同粗细的网格分析了3种网格数量变化对数值结果的影响。结果表明:四面体网格具有最高的网格生成效率和网格计算效率,但细节预报最差,网格数量变化对结果影响大;修剪网格的生成效率和计算效率处在二者之间,但对流场细节的预报最好;多面体网格的生成效率和计算效率都最低,而细节的预报处在二者之间,网格数量变化对结果影响最小。     

低马赫数流动噪声的计算预测分析

梳理了低马赫数流动噪声计算预测的因素,采用不可压缩流体流动的大涡模拟与Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)积分方法耦合对某非流线体绕流发声进行了数值计算与校验,并采用Lilley方程源项对声源特征进行了分析。结果表明,计算值与实测值相吻合。     

各向异性湍流积分长度数值预报研究

文章针对目前模型试验只能获得各向同性湍流积分长度这一现状,建立了各向异性湍流积分长度数值预报方法:(1)RANS预报初始定常流场;(2)大涡模拟计算脉动速度场;(3)脉动速度相关函数计算各向同性湍流积分长度;(4)计算各向异性湍流积分长度。通过二维水翼模型试验验证了水中各向同性湍流积分长度的数值预报精度,平均误差6.81%;通过风洞螺旋桨验证了空气中各向异性湍流积分长度计算方法。对SUBOFF桨盘面处各向异性湍流积分长度的预报研究发现,各方向湍流积分长度外半径大于内半径;潜艇上部涡团扩散较下部明显,内半径湍流积分长度波峰随着角度增大而内移;Λ11、Λ12和Λ13周向分布受指挥台围壳和稳定翼马蹄涡影响,波峰出现在20°和90°左右;Λ31和Λ32的频率峰值受指挥台围壳和稳定翼马蹄涡脱落频率(约15 Hz)影响,峰值集中在30 Hz以下。该文提出的各向异性湍流积分长度预报方法,为下一步螺旋桨低频宽带噪声预报中构造新的湍流波数谱以提高预报精度提出了思路。     

高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量—流函数的离散涡(DVM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

小展弦比翼大攻角水动力数值计算方法

为提高小展弦比翼大攻角水动力预报精度,以NACA0018小展弦比翼为研究对象,对比分析基于不同湍流模型的URANS与DES方法的计算结果,探讨Re及网格离散尤其是壁面y+对升力系数预报精度的影响规律,对翼尾端分离涡的捕捉进行探讨。计算结果与试验值的对比表明:计算方法和湍流模型的选取对翼水动力预报精度影响最大且与雷诺数相关;当Re106时,URANS方法的预报精度较高,其中以RNG k-ε湍流模型的预报结果与试验值吻合最好,而DES方法的精度较低;当Re107时,采用DES方法能够得到较为可靠的预报结果;壁面y+对翼水动力预报精度有重要影响,确保y+~1的同时适当加密网格可提高计算精度;翼失速后,RANS与URANS方法计算所得升阻系数差别较大,这2种方法均不能捕捉分离涡的时历特性,DES方法能够观察到与物理现象一致的漩涡结构。     

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。     

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.     

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。     

船舶结构振动噪声时域预报方法研究

针对船舶结构振动噪声频域预报方法存在计算规模大、求解效率差和易出现"峰值遗漏"等现象的不足,本文基于波动理论,提出了船舶结构振动噪声时域预报方法,形成了船舶结构振动噪声时域预报方法流程,并辅以相应的数值验证.研究结果表明,船舶结构振动噪声时域预报方法可有效解决频域分析方法存在的计算规模大、求解效率差和易出现"峰值遗漏"等现象的不足,提高了预报效率和精度,可为船舶结构振动噪声预报评估提供方法支撑.     

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。     

艇后大侧斜螺旋桨负载噪声数值分析（英文）

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 k Hz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。