舰船柔性舵流噪声产生机理研究

摘要

流噪声是舰船噪声的主要来源之一，随着机械噪声和螺旋桨噪声得到有效控制，流噪声问题日益突出。本文以二维舵体绕流问题为研究对象，研究了刚性舵、柔性舵绕流的非定常流动现象，对流噪声的产生机理进行了分析。考虑了流体-舵体之间的相互作用，分析了舵体的柔性变形对流动中声源的影响。研究了舵体绕流噪声在空间的传播特性、噪声的频谱特性，并进一步分析了舵体变形对远场噪声的影响。
　　首先，利用大涡模拟方法对NACA0018翼型的非定常绕流场进行了仿真。在不同的攻角下，大涡模拟方法较准确地捕捉到了壁面附近的流场结构，结果与文献吻合较好；基于获得的非定常流场信息，利用 FW-H方程对远场的监测点处的噪声进行了计算，在监测点的噪声频谱特性中捕捉到了试验中的特征频率。通过结果与已有试验结果的对比，验证了本文所采用的绕流噪声算法的可靠性。
　　其次，利用大涡模拟方法对不同攻角和来流速度下的刚性舵非定常绕流场进行了仿真。壁面压力脉动的主要频率集中在2000Hz以下的频段，随着攻角的增大，主要脉动压力的频率减小，脉动幅值逐渐增大；压力脉动的主要频率和脉动幅值均随着流速的增大而增大。
　　接着，建立了舵体-流体耦合模型，基于弱耦合流固耦合算法和大涡模拟方法对不同工况下的柔性舵非定常绕流场进行了仿真。柔性舵在两侧压差的作用下发生偏转，受涡脱落的影响，舵体尾缘不停地作小幅振荡；0°攻角是一个特殊的工况，涡脱落是一个严格的周期性过程，此时涡脱落频率与壁面的压力脉动频率一致；舵体的柔性变形有效地控制了流动分离，减小了湍流区域和尾流的紊乱，柔性舵对湍流流动的抑制作用攻角越大越明显，使得压力脉动的幅值大大降低。
　　最后，基于刚性舵、柔性舵的非定常流场仿真结果，利用考虑具有任意运动固体边界的流动噪声问题的FW-H方程对刚性舵绕流和柔性舵绕流的远场噪声辐射进行了计算，获得了刚性舵、柔性舵绕流的壁面偶极子源分布、远场噪声辐射特性，并进行了对比分析。转捩区的壁面偶极子源最强，其次是湍流区，层流区的壁面偶极子源最弱，相对刚性舵，舵体的柔性变形显著减弱了壁面偶极子强度；舵体绕流噪声在空间上的传播表现为偶极子的特征，总声压级在弦线方向上最小；壁面偶极子源强度、辐射噪声水平均随着攻角的增大、来流速度的提高而增大；远场噪声的频谱特性与壁面的压力脉动频谱特性相似。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2舵体绕流流噪声相关理论的发展

1.3国内外发展现状的分析

1.4本文的主要研究内容

第2章 湍流模型与流噪声理论

2.1引言

2.2湍流模型理论

2.3声类比理论

2.4流噪声计算方法验证

2.5本章小结

第3章 刚性舵体绕流流动特性

3.1引言

3.2仿真模型及参数设置

3.3不同攻角下的流动特性

3.4不同来流速度下的流动特性

3.5本章小结

第4章 柔性舵体绕流流动特性

4.1引言

4.2流固耦合计算方法

4.3不同攻角下的流动特性

4.4不同来流速度下的流动特性

4.5本章小结

第5章 刚性舵与柔性舵流噪声仿真与分析

5.1引言

5.2流噪声计算参数设置

5.3不同攻角下的流噪声特性

5.4不同来流速度下的流噪声特性

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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