水面舰船声隐身性能影响作战效能的因素初探

  目的  为研究不同湍流模型在螺旋桨流噪声预报中的适用性,以DTMB 4119螺旋桨为研究对象,对非均匀进流条件下的频域噪声进行数值模拟。  方法  首先,采用RANS方法计算螺旋桨在不同进速下的水动力系数和桨叶表面压力分布,并将仿真值与试验值进行比较,验证流场模拟的准确性;然后,分别将RANS,DES和LES这3种方法得到的脉动压力作为声源,结合声学边界元预报辐射噪声。  结果  计算结果表明,线谱噪声是螺旋桨总噪声的主要贡献者;当预报一阶叶频上的噪声时,3种方法所得结果较为接近,可以采用RANS方法进行快速预报;当预报高阶叶频上的噪声时,采用LES方法预报的结果更加准确。  结论  在噪声预报时可以根据需求选择合适的湍流模拟方法。     

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CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究

根据螺旋桨的型值参数,在Fluent前处理器ICEM中建立2套不同的网格模型对螺旋桨的敞水性能进行预报,采用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均纳维—斯托克斯(RANS)方程和3种不同湍流模型对螺旋桨的敞水性能进行研究,模拟在不同进速系数下的螺旋桨的推力、转矩系数、桨叶表面压力分布以及桨后尾流场的情况等。通过与试验数据的比较表明:采用RANS方法结合不同网格及湍流模型都能准确预报螺旋桨的敞水性能,其中六面体网格模型计算结果及收敛速度更优,且结合雷诺应力模型(RSM)精确度最高,更适合螺旋桨粘性流场的数值计算。     

简化伴流中螺旋桨空泡性能数值模拟方法

为实现船后螺旋桨空泡性能的快速预报,简化伴流,采用RANS数值模拟方法,结合SST k-ω湍流模型及基于Rayleigh-Plesset方程的空泡输运模型进行螺旋桨空泡性能数值模拟。提取船后标称伴流作为简化伴流方法的入流边界条件,获得空泡形态随桨叶旋转角度的变化特征及空泡诱导脉动压力特征,与船后螺旋桨空泡预报结果及试验结果进行对比分析,均能吻合较好,采用简化伴流方法开展螺旋桨空泡性能预报,可以快速可靠地获得船后螺旋桨空泡性能,提高螺旋桨空泡性能预报效率。     

不同湍流模型在螺旋桨敞水性能预报中的应用分析

为研究不同湍流模型在螺旋桨敞水性能预报中适用性,本文采用计算流体动力学(CFD)软件,结合雷诺平均纳威斯托克斯方程(RANS),应用Realizable k-ε模型、SST k-ω模型、雷诺应力方程模型(RSM)3种不同湍流模型对粘性流场中某集装箱船螺旋桨水动力性能进行计算与分析。比较3种不同湍流模型数值模拟结果与敞水试验结果,以分析不同湍流模型数值模拟结果在不同进速系数的特点。结果表明,3种湍流模型均适用于螺旋桨水动力性能计算,仅在不同进速系数区间存在不同特点。     

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。     

带附体潜艇尾流场的数值模拟与验证

  目的  为了更好地开展潜艇的概念设计、优化水动力布局及改善螺旋桨进流质量,  方法  基于STAR-CCM+仿真软件,针对主艇体、附体（指挥室围壳、尾操纵面）的不同位置处的壁面压力和摩擦力以及尾部桨盘面处的伴流场,对SUBOFF AFF-8潜艇模型水动力特性进行数值模拟,将无量纲化处理后的计算结果（压力系数、摩擦力系数）与实验数据进行对比。结合SST k-ω湍流模型,对比RANS,URANS和DES方法求解的结果,并利用艇体附近涡量图和尾部速度等值线分析计算结果产生差异的原因。  结果  结果表明,采用RANS方法可以同时较好地解决艇体水动力和尾流场的问题,且性价比较高;采用DES方法分析流场网格尺度控制很重要。  结论  采用RANS方法并结合SST k-ω湍流模型可较好地指导潜艇的概念设计、水动力布局优化,为改善螺旋桨进流质量、降低辐射噪声等提供一种手段。     

湍流边界层激励下平板辐射噪声数值计算方法

[目的]湍流边界层(TBL)激励下的结构辐射噪声(也称"流激噪声")是水下航行体的重要噪声源,因此,对流激噪声数值计算方法的研究具有重要意义。[方法]基于LMS Virtual Lab数值计算软件,以Corcos湍流脉动压力频率波数模型作为输入,采用主成分分析(PCA)法和振动—声传递向量(VATV)法计算湍流边界层激励下平板结构的流激噪声,并对两种方法的正确性进行验证,比较分析两种方法的计算时间及得到的声压自功率谱密度(ASD)曲线。[结果]结果表明,这两种方法均可有效计算湍流边界层激励下的结构流激噪声,且计算结果基本一致;和PCA法相比,VATV法所占用的计算资源更少,能快速预报结构的流激噪声;相较于VATV法,PCA法还可以得到结构振动响应结果。[结论]该研究结果对水下结构流激噪声快速预报具有一定的参考价值。     

湍流边界层激励下平板辐射噪声数值计算方法北大核心CSCD

[目的]湍流边界层(TBL)激励下的结构辐射噪声(也称"流激噪声")是水下航行体的重要噪声源,因此,对流激噪声数值计算方法的研究具有重要意义。[方法]基于LMS Virtual Lab数值计算软件,以Corcos湍流脉动压力频率波数模型作为输入,采用主成分分析(PCA)法和振动—声传递向量(VATV)法计算湍流边界层激励下平板结构的流激噪声,并对两种方法的正确性进行验证,比较分析两种方法的计算时间及得到的声压自功率谱密度(ASD)曲线。[结果]结果表明,这两种方法均可有效计算湍流边界层激励下的结构流激噪声,且计算结果基本一致;和PCA法相比,VATV法所占用的计算资源更少,能快速预报结构的流激噪声;相较于VATV法,PCA法还可以得到结构振动响应结果。[结论]该研究结果对水下结构流激噪声快速预报具有一定的参考价值。     

基于FINE/Marine的螺旋桨水动力性能研究

以标准DTMB 4119桨为研究对象,基于黏性流计算软件Fine/Marine,采用RANS方法预报螺旋桨敞水性能,对不同进速系数下的推力系数和扭矩系数进行模拟计算。计算过程中分别采用旋转坐标系及滑移网格2种方法,其中,在采用滑移网格计算时,分别考虑湍流模型、非线性迭代步数及迭代时间步长对计算结果的影响。经过与试验结果进行对比分析及各方法间的比较,总结了各方法的特征与优劣,并验证了2种方法在螺旋桨敞水性能预报中的可靠性与有效性。该预报思路和方法可为后续螺旋桨水动力性能研究提供借鉴和参考。     

不同工况下潜艇艇体-桨整体声辐射特性分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究潜艇大侧斜螺旋桨在不同工况下的艇体-桨整体声辐射特性。[方法]以SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟(LES)和声学有限元方法(FEM),以及使用Fluent流体计算软件和LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件进行联合仿真计算。[结果]结果表明:在潜艇存在进速的工况下,其艏部、指挥室围壳、艉部方向舵和螺旋桨区域的速度压力分布变化最大,整体系统的噪声传播方向以艇体周向某一方向的声压级(SPL)最高,艉部方向舵次之;在潜艇不存在进速的工况下,整体系统的噪声与螺旋桨的旋转作用有关,且在440 Hz频率处存在峰值,超过其他工况下的声压级。[结论]潜艇的艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域是压力脉动的重点区域,与潜艇的进速密切相关;艇体-桨整体螺旋桨噪声在低频段也主要由上述3个区域产生,在中高频段螺旋桨区域开始对艇体-桨整体噪声产生作用,总的声压级随着频率的增加而逐渐升高。     

基于滑移网格技术计算螺旋桨水动力性能研究

基于RANS方程的CFD软件数值模拟螺旋桨定常和非定常的水动力性能.定常计算采用多重参考系MRF模型,分别采用标准k-ε的湍流模型,RNG k-ε湍流模型和Reliable k-ε湍流模型模拟在不同进速系数时的推力系数和转矩系数.将模拟的数值结果与试验值相比较,计算结果表明,采用Reliable k-ε湍流模型计算出的推力系数与转矩系数与试验值基本吻合,并以该结果为初始场,通过滑移网格技术,采用单机并行计算螺旋桨非定常水动力性能.相较于定常计算结果更加接近试验值,说明滑移网格技术具有更高的精准度,更加适用于计算螺旋桨的水动力性能.     

螺旋桨低频流噪声模拟方法研究

针对DTMB P4119螺旋桨在进速比为0.833时的流噪声进行研究,探讨螺旋桨低频流噪声数值模拟方法。首先采用大涡模拟方法模拟螺旋桨的非稳态流场,然后求解K-FWH方程预测低频流噪声。将计算得到的推力系数和扭矩系数与实验值比较,验证流场模拟的正确性。从流场仿真结果可以看出,螺旋桨表面存在连续的涡脱落现象。声场计算的结果表明:离散噪声远大于宽带噪声;宽带噪声主要由螺旋桨表面的涡脱落引起,宽带噪声引起螺旋桨近场总声压级的周向波动;在同一半径处总声压级沿轴向逐渐减小,在同一平面内总声压级沿径向先增加后减小。     

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.     

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。     

SWATH船螺旋桨脉动压力引起的辐射噪声计算分析

[目的]研究小水线面双体船(SWATH船)螺旋桨脉动压力激励艉部引起的辐射噪声。[方法]由于通常的载荷施加方式与实际情况差别较大,2个螺旋桨之间相互影响,因此建立某SWATH船全船声固耦合计算模型,采用船模试验结果对脉动压力引起的辐射噪声进行计算,定量分析不同载荷施加方式和2个螺旋桨激励力之间相位差的影响。[结果]结果表明:不同载荷施加方式对辐射噪声的影响非常显著,相对于实际的载荷分布,采用集中力或均布力等常规方式得到的计算结果偏大,其中施加集中力时计算结果最大。双桨激励力之间的相位差对辐射噪声也有明显影响,双桨同相时辐射噪声最大,并随着相位差增大而逐渐减小,双桨反相时噪声最小。[结结论]所做研究可为SWATH船螺旋桨脉动压力引起的辐射噪声预报和控制提供参考。     

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。

     

基于大涡模拟的大型水面舰船复杂风场数值模拟

基于大涡模拟LES和雷诺时均N-S方程RANS对不同风舷角下的大型水面舰船风场进行数值模拟，并采用Isherwood经验公式对其风载荷进行计算。将数值模拟结果与经验公式进行对比，验证LES和RANS二者对大型水面舰船风载荷预报的适用性。同时，对比分析基于LES法与RANS法模拟得到的不同风舷角下大型水面舰船的风场特性。研究结果表明：采用数值模拟法能获得合理的数值预报结果，而Isherwood法在部分风舷角下的适应性较差；采用LES法和RANS法得到的表面风压、流线和速度场差异不大，而涡结构差异较大；LES法能较好地捕捉到大尺度漩涡破碎生成小尺度漩涡，而RANS法仅能捕捉到少量长条结构的大尺度漩涡和涡鼓包。     

CFD敞水螺旋桨性能计算分析

根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型。基于计算流体动力学(CFD)理论和CFD商业软件进行研究,采用分区混合网格方案和动网格技术及旋转坐标(MRF)方法,结合RANS方程和RNG湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟,得到该螺旋桨的推力及其转矩。经与试验结果比较分析,证实该方法能实现对螺旋桨的敞水粘性流场模拟,预报其敞水性能。