螺旋桨无空泡噪声的数值预报研究

摘要

螺旋桨水下辐射噪声在舰船噪声声源中占据很重要的分量。螺旋桨在水下旋转，与周围流体相互作用，产生脉动力，从而向外辐射噪声。开展螺旋桨噪声的研究，对螺旋桨设计和潜艇隐身性能均具有重要意义。在螺旋桨无空泡噪声的预报中，关键是如何准确的计算出螺旋桨与周围流体相互作用产生的脉动力。本文采用数值模拟的方法对均匀流场中螺旋桨的水动力性能和无空泡噪声进行了研究与分析。
　　将流体动力学相关理论和声类比方程相结合，预报DTMBP4119桨的水动力性能和噪声，主要完成的工作如下:
　　螺旋桨的水动力性能的数值计算，在定常流场的模拟中，采用多重参考系模型，分别应用三种湍流模型计算了螺旋桨在四种工况下的推力和转矩，将数值结果与试验值比较得出，采用Reliablek-ε模型计算的结果更接近试验值。非定常流场的模拟，以Reliablek-ε模型定常计算的结果为初始场，采用滑移网格技术，单机并行计算了螺旋桨的水动力性能，将计算结果与试验值进行对比，得出采用滑移网格技术计算的结果最接近试验值。对螺旋桨表面压力分布、速度分布、尾流场的分布进行分析。
　　螺旋桨无空泡噪声的数值预报，无空泡噪声主要是由旋转噪声和涡流噪声所构成。旋转噪声尤为明显，由螺旋桨周期性旋转与流体相互作用产生的脉动力导致的，也被称为低频离散谱噪声，噪声的贡献主要集中在前五阶叶频内。首先以Reliablek-ε模型进行稳态计算，达到稳定后，进行瞬态计算直到动稳定后，通过FW-H声类比方程分别对0-10KHz的噪声和低频离散谱噪声进行了数值计算和分析。通过对0-10KHz无空泡噪声的数值分析得出:螺旋桨的无空泡噪声随着进速的增大而增大;同等进速条件下，螺旋桨的无空泡噪声随着远离桨轴中心距离的增大而减小。通过对低频离散谱噪声的数值分析得出:桨轴中心平面内沿径向总声压级在0.71R处最大，随着径向距离的增大，周向波动基本为定值;在轴向任一平面内，总声压级沿径向先增大后减小;随着轴向距离的增加，在同一平面内总声压级沿径向变化趋势平缓，且峰值出现的位置逐渐偏离桨轴中心;距离将轴中心越近，总声压级越大，桨轴中心平面的总声压级的幅值最大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 螺旋桨理论方法的研究进展

1．2．1 升力线理论

1．2．2 升力面理论

1．2．3 面元法理论

1．3 CFD发展现状

1．4 螺旋桨水动力性能的研究进展

1．4．1 定常流场中螺旋桨水动力性能的研究进展

1．4．2 非定常流场中螺旋桨水动力性能的研究进展

1．5 螺旋桨噪声的研究进展

1．6 论文研究工作

2 计算流体力学的基本原理

2．1 引言

2．2 流体流动的分类

2．2．1 理想流体与粘性流体

2．2．2 层流和湍流

2．2．3 可压缩流体和不可压缩流体

2．2．4 定常流动和非定常流动

2．3 控制方程

2．3．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．3 初始条件和边界条件

2．3．1 初始条件

2．3．2 边界条件

2．4 控制方程的离散化

2．4．1 离散方法

2．4．2 离散格式

2．5 基于流场计算的SIMPLE算法

2．5．1 速度修正方程

2．5．2 压力修正方程

2．6 湍流模型的选择

2．6．1 RANS方程

2．6．2 标准κ-ε模型

2．6．3 重整化κ-ε模型

2．6．4 可实现κ-ε模型

2．7 本章小结

3 流体声学理论

3．1 引言

3．2 流场中的声源

3．3 声学模型

3．3．1 Lighthill声类比理论

3．3．2 Lighthill-Curler方程

3．3．3 Ffowcs Williams-Hawkings方程

3．4 小结

4 螺旋桨水动力性能的预报

4．1 引言

4．2 建立几何模型

4．3 网格划分

4．4 边界条件设置

4．5 螺旋桨计算域中的旋转模型

4．6 定常流场中螺旋桨的水动力性能预报与分析

4．7 非定常流场中螺旋桨的水动力性能预报与分析

4．8 旋转模型对螺旋桨水动力性能的影响

4．9 螺旋桨表面压力、速度、尾流的分布

4．9．1 螺旋桨表面压力的分布情况

4．9．2 螺旋桨表面速度的分布情况

4．9．3 螺旋桨尾部流线分布

4．10 小结

5 螺旋桨无空泡噪声的数值预报

5．1 引言

5．2 计算模型的选取与参数设置

5．3 螺旋桨无空泡噪声的预报

5．3．1 声压级频谱特性

5．3．2 噪声的衰减特性

5．4 螺旋桨低频离散谱噪声

5．4．1 桨轴中心平面螺旋桨声压级频谱分析

5．4．2 桨轴中心平面在不同半径处总声压级指向性的分析

5．4．3 不同轴向面内的总声压级的分析

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

附录Ⅰ 声压级频谱图

1．1 J=0．7时声压级频谱曲线图

1．2 J=0．9时声压级频谱曲线图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢