湍流喷注噪声定律的发展

  目的  为研究水下射流噪声特性,  方法  应用Lighthill声类比计算轴对称直喷管的自由射流声场特性,借助FLUENT仿真软件并采用大涡模拟法计算该直喷管的水下射流流场,最后基于混响法进行实验验证。  结果  结果表明：稳态射流流场的核心区长度与流速无关,核心区长度约为喷管直径的8倍;射流噪声辐射功率与流速的8次幂成正比;不同流速下的射流噪声功率谱在低频段的差异较大,在高频段的差异则显著减小,且辐射噪声能量主要集中在低频段,但流速增加后射流噪声的主要贡献将向高频段移动。  结论  在射流噪声计算仿真方面,将大涡模拟法和Lighthill声类比相结合是一种有效的分析手段。     

基于湍流脉动压力的波数——频率谱预报流噪声

[目的]根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数—频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数—频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。[方法]以NACA0012翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数—频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数—频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。[结果]结果发现:小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数—频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。[结论]所得结果表明开展波数—频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。     

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。     

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.     

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。     

喷水推进器水下辐射噪声边界元计算方法

[目的]为减少边界条件设置的不确定性对喷水推进器水下辐射噪声计算的影响,[方法]以某喷水推进器为研究对象,提出基于边界元法一步计算来预报喷水推进器的水下辐射噪声。首先,基于计算流体力学的分离涡模拟(DES)方法计算喷水推进器的瞬态流场,并以声类比积分方程为基础,采用Virtual Lab声学计算软件将喷水推进器过流壁面的非定常脉动压力映射和傅里叶变换(FFT)转化为对应的频域噪声源。然后,以喷泵固体壁面的流体脉动声源为辐射源,采用边界元一步计算方法预报声波经流道向船底水下辐射的远场噪声。[结果]结果发现,采用边界元一步计算方法能更真实反映研究对象的客观属性。[结论]研究表明,该方法可更准确地预报喷水推进器水下辐射噪声。     

喷水推进器水下辐射噪声边界元计算方法北大核心CSCD

[目的]为减少边界条件设置的不确定性对喷水推进器水下辐射噪声计算的影响,[方法]以某喷水推进器为研究对象,提出基于边界元法一步计算来预报喷水推进器的水下辐射噪声。首先,基于计算流体力学的分离涡模拟(DES)方法计算喷水推进器的瞬态流场,并以声类比积分方程为基础,采用Virtual Lab声学计算软件将喷水推进器过流壁面的非定常脉动压力映射和傅里叶变换(FFT)转化为对应的频域噪声源。然后,以喷泵固体壁面的流体脉动声源为辐射源,采用边界元一步计算方法预报声波经流道向船底水下辐射的远场噪声。[结果]结果发现,采用边界元一步计算方法能更真实反映研究对象的客观属性。[结论]研究表明,该方法可更准确地预报喷水推进器水下辐射噪声。     

不同航速下SUBOFF流噪声频谱相似律研究

研究流噪声与航速关系可以有效地解决高航速水下航行器流噪声预报的难题。基于Lighthill声类比理论,研究缩尺比为1∶24的SUBOFF模型在特定航速范围内的声源特性,得到了流噪声频域结果与航速关系,给出了不同航速下基于斯特劳哈尔数和航速关系的流噪声频谱换算方法。研究结果表明,随着航速的提高,SUBOFF声指向性形状基本不变,低频范围内声辐射具有偶极子特性,辐射声功率的大小与航速的6次方成正比。在同一流场模型下,基于偶极子换算关系下的高航速原型预报值和大涡模拟计算值总声功率级和总声源级误差分别为1.2 dB和2.3 dB。     

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.     

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。     

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。     

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。

     

水动力噪声计算方法综述

  目的  根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数-频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数-频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。  方法  以NACA 0012翼型为例,采用大涡模拟（LES）方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数-频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数-频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数-频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。  结果  结果发现：小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数-频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。  结论  所得结果表明开展波数-频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。     

水下吹除排污过程气体射流噪声数值模拟

[目的]研究水下航行体污水吹除产生的辐射噪声的规律特性和影响因素。[方法]基于大涡模拟(LES)与FW-H方程计算方法,对航行体贮容器排污过程进行流场分析和辐射噪声定量计算。[结果]数值模拟与实验结果均表明,辐射噪声主要受吹除压力和背压压差的影响,压差越大,辐射噪声越大,且其基本不受吹除背压影响。贮容器内水排空后,水下直接喷射排气会产生辐射噪声的"拐点",排气噪声显著上升;频谱图呈现低频特性,频率主要分布在1 500 Hz以内,且有明显峰值。[结论]为控制舰船水下吹除排污过程的辐射噪声量级,应尽量控制排气压差,并防止高压气体直接喷射至海中。     

离心风机流场大涡模拟与管中噪声数值预报

[目的]为开展离心风机振动噪声预报,[方法]首先,对离心风机整个流域进行结构化网格划分,采用大涡模拟(LES)获得叶轮表面随时间变化的脉动力,以旋转偶极子辐射为模型,采用声学有限元方法计算管道中的辐射声;然后,以蜗壳部分的壁面偶极子为辐射源,计算壁面脉动压力辐射声;最后,将数值计算结果与试验结果进行对比分析。[结果]结果表明,蜗壳壁面脉动压力辐射声在低频段高于叶轮辐射声,而在高频段低于叶轮辐射声;数值计算结果与实验结果具有一致性。[结论]所提叶轮辐射声及蜗壳壁面脉动压力辐射声的预报方法可满足工程应用需求。     

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。     

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。     

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。     

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.