高雷诺数下圆柱绕流噪声数值模拟方法研究

摘要

水下航行器的天线和升降平台等凸出附体在运动中产生圆柱绕流噪声，并在高速下成为影响水下航行器隐蔽性的重要因素。如何采用数值模拟方法精确预报圆柱绕流水动力噪声，对准确评估水下航行器噪声并开展优化设计有重要的意义。然而，由于雷诺数较高、流态复杂等特点，导致水下圆柱绕流噪声计算困难，研究结果缺乏。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，探讨了流场和声场模型参数对计算结果的影响，评估了水下结构水动力噪声的计算精度，为水下航行器的流噪声精准预报提供技术手段。
　　首先参考低马赫数下的双圆柱绕流气动噪声试验，对三维双圆柱非定常流场进行大涡模拟，采用基于有限元/无限元的Lighthill声类比理论求解流噪声。给出了流场稳定性的分析方法和合理的声学模型参数，得到了低马赫数下圆柱绕流噪声的数值模拟方法。通过与试验结果对比，验证了该混合流噪声数值模拟方法的可靠性。
　　在此基础上，计算水下有限高圆柱绕流流场和噪声特性，进行详细的流场和声场数值模拟方法研究。对比试验结果，在考察 Y+值、展向网格尺度ΔZ/D值、CFL数、SGS模型及Smagoringsky系数对流场计算结果的影响后，得到了准确的流场模型参数和可信的瞬态流场结果。通过FFT和网格插值得到声源信息，探讨声学网格、无限元基面和滤波函数对圆柱绕流噪声的影响，得到了合适的声场计算模型。通过不同模型参数的讨论，建立了高雷诺数下圆柱绕流水动力噪声的数值模拟方法。
　　最后，采用该混合数值模拟方法计算并分析了雷诺数、间距比以及排列方式对水下单圆柱及双圆柱绕流噪声特性的影响。研究表明，雷诺数对声场分布影响显著，本文计算案例中雷诺数与声压总级呈非线性正相关，减小雷诺数能有效降低圆柱绕流水动力噪声；Re=4.3×104、Re=1.0×105和Re=1.8×105下单圆柱绕流水动力噪声的声学指向性相近；Re=2.5×105下声学指向性与偶极子声源相似，垂直于来流方向上的辐射噪声最大。随着本文计算案例中间距比的增加，双圆柱绕流水动力噪声先增大后减小，存在临界间距比（L/D=3）使得噪声最大。在串联、并联以及交错45°排列方式下，双圆柱绕流水动力噪声在来流方向上较大，具有明显的声学指向性；三者相比，串联方式下的噪声最大。本文工作将为水下流噪声研究提供详细的数值模拟方法指导。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2流体动力声学研究现状

1.3圆柱绕流噪声研究现状

1.4课题的主要研究内容

2 数值求解理论

2.1流场求解理论

2.2声场求解理论

2.3相关评价变量定义

2.4流噪声预报方法

3 圆柱绕流气动噪声数值模拟方法研究

3.1双圆柱计算模型

3.2模型网格的划分

3.3流场的稳定性分析

3.4声场计算模型

3.5数值模拟方法验证

3.6本章小结

4 圆柱绕流水动力数值模拟方法研究

4.1单圆柱计算模型

4.2模型网格的划分

4.3流场计算模型分析

4.4流场特性分析

4.5本章小结

5 圆柱绕流水动力噪声数值模拟方法研究

5.1声场计算模型分析

5.2噪声特性分析

5.3本章小结

6 全文总结及展望

6.1全文总结

6.2本文创新点

6.3未来展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录