三维刚性壁面空腔流动机制与水动噪声研究

摘要

三维刚性壁面空腔结构作为水下航行器表面的一种常见结构,其产生的水动噪声及辐射噪声近年来广受关注。从海洋探测角度来讲,水下航行器空腔水动噪声不仅影响其上搭载的声学设备的探测精度,而且提高了其自身的噪声,大大降低了水下航行器的安全性。从海洋环境角度来讲,水下航行器空腔水动噪声造成了海洋的噪声污染,给海洋生物带来一定的危害。
　　然而,水通常作为一种高度不可压缩的流体介质,马赫数较小,声转换率较低,声场与结构之间耦合作用较强,给空腔水动噪声的预测带来很大困难。因此,空腔水动噪声的研究非常必要,也为水下航行器的设计提供了理论指导。
　　本文采用大涡数值模拟(LES)-Lighthill等效声源混合法对三维刚性壁面空腔水动噪声进行研究,并采用水洞试验对该方法的可行性和可靠性进行验证。基于该方法,对空腔非定常流动机制及水动噪声特性进行了详细的阐述,对不同结构参数空腔水动噪声特性进行了深入的分析,对不确定环境参数空腔水动噪声特性进行了具体的研究,从而为水下航行器空腔水动噪声的预测提供了理论依据,也为水下航行器低噪声结构设计提供了理论参考。本文的主要研究成果与创新点为:
　　1.借鉴计算气动声学理论与研究方法,将大涡数值模拟(LES)-Lighthill等效声源法从二维空腔水动噪声的计算推广到三维刚性壁面空腔水动噪声的研究中,丰富了空腔水动噪声的分析与计算手段。通过水洞试验,分别从流场及声场角度,验证了LES-Lighthill等效声源法预测三维刚性壁面空腔水动噪声的可行性与可靠性。
　　2.基于 LES-Lighthill等效声源法,针对典型方形空腔结构,分别从涡的结构与分布、脉动压力与时间相关性、脉动压力与频率相关性等角度分析了三维空腔非定常流动机制。从声源强度、近场声压强度、远场辐射噪声以及近场远场传播指向性等方面,分析了三维空腔水动噪声及辐射机理。
　　3.从时间角度,通过对空腔水动噪声与流动时间的关系考察,发现空腔水动噪声随流动时间的变化服从正态分布。从空间角度,通过对三维空腔流场结构及声场特性的分析,阐明了空腔水动噪声与涡流运动的相关性,建立了三维刚性壁面空腔的涡声关系。
　　4.基于空腔水动噪声机理及涡声关系的理论分析,探讨了不同结构尺寸和形状的空腔引起的水动噪声特点,为水下航行器的低阻、低噪结构设计提供了强有力的理论依据。
　　5.研究了环境参数(水流速度、声速、密度)对水动噪声的影响,采用最小二乘法建立了单一环境参数与空腔水动噪声的理论模型。针对各环境参数对空腔水动噪声的耦合作用及非线性特征,建立了环境参数与空腔水动噪声声功率的BP神经网络模型。这些模型为水下航行器在设计阶段快速预测空腔水动噪声提供了可行、可靠的方法。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 水下航行器噪声的研究对象

1.3 流体动力声学的发展概述

1.4 计算气动声学的发展概况

1.5 空腔结构流动噪声的研究概况

1.6 本文主要研究内容

第二章 空腔流体动力声学基本理论

2.1 引言

2.2 不可压缩湍流运动的基本性质

2.3 流体动力声源分类及其特性

2.4 流体动力声学的基本方程

2.5 流动噪声的度量

2.6 本章小结

第三章 空腔水动噪声数值模拟方法的确立与验证

3.1 引言

3.2 计算气动声学基本方法

3.3 空腔声源区非定常流动数值模拟方法

3.4 空腔声场数值模拟方法

3.5空腔流动机制及水动噪声数值模拟平台的构建

3.6 空腔流动机制及水动噪声值模拟方法的试验验证

3.7 本章小结

第四章 空腔非定常流动机制及水动噪声特性

4.1 引言

4.2 空腔数值计算模型的建立

4.3 空腔非定常流动机制及水动力特性分析

4.4 空腔水动噪声及辐射机理分析

4.5 空腔水动噪声与涡流运动相关性分析

4.6空腔水动噪声与流动时间相关性

4.7 本章小结

第五章 空腔结构参数对水动噪声的影响

5.1 引言

5.2 空腔尺寸参数对水动噪声的影响

5.3 空腔形状结构对空腔水动噪声的影响

5.4 本章小结

第六章 基于环境参数的空腔水动噪声预测模型

6.1 引言

6.2 流速对水动噪声的影响

6.3 声速对水动噪声的影响

6.4 海水密度对水动噪声的影响

6.5 基于BP神经网络空腔水动噪声预测

6.6 本章小结

第七章 全文总结

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢