舰艇水动力噪声的数值分析与拖曳模测试技术研究

摘要

现代军用舰船声隐身性能的好坏已成为其十分重要的一项指标，而利用各方面的手段有效的预报、降低舰船的水下噪声亦已成为目前海军装备研究的一个重点与难点。水动力噪声是舰船水下噪声中除结构振动噪声、螺旋桨噪声以外的重要噪声成分，它关系到舰艇的自噪声，同时也关系到舰艇的辐射噪声。本文主要研究了舰船水动力噪声的机理性问题，重点讨论了相关模型的涡激噪声，并利用Fluent噪声模块，分别研究了某水下、水面舰船的水动力噪声问题，同时探讨了一种新型的水动力噪声模型测试技术--拖曳模噪声测试技术。 1.利用典型的二维粘性涡核的衰减规律—奥辛涡模型计算自由空间中点涡粘性衰减过程中的涡演化，在此基础上应用匹配渐近展开法计算其声辐射并进行相应的频谱分析。自由空间中点涡粘性衰减过程中的辐射声场声压仅在扩散初期较为明显，随着时间的推移而快速衰减；其频段分布较窄，主要处于低频段，频谱分布曲线峰值十分明显；点涡粘性扩散外声场的声压及其频谱分布情况与粘性系数有一定的关联，随着粘性系数增加，声压峰值发生时间后移，其量值有增加的趋势，且振动主频段向频率增加方向移动，振动频率范围略有增大。 2.机翼为工程结构物中的常见附体，其尾涡的演化及其声辐射具有一定的特征。以椭圆翼与三角翼为研究对象，利用匹配渐近展开法，估算其尾涡粘性衰减过程的外声场，并对其进行频谱分析。计算表明翼尾涡面演化过程伴随着声辐射，椭圆翼尾涡面演化过程的声辐射频谱分布与三角翼尾涡面演化声辐射的相类似，均有两个较明显的频段峰值，所不同的是频率位置会有所漂移，即翼型不同，峰值频率位置会有所漂移。 3.采用SST κ-ω国两方程湍流模型求解了潜艇三维非定常粘性流场，基于Lighthill声类比理论，对艇体绕流场的噪声进行了数值计算，并对流噪声的近、远场特性进行了数值分析，探讨了噪声与来流攻角、来流速度、模型尺度、雷诺数之间的关系及围壳位置对声辐射的影响。研究表明潜艇绕流场的声辐射大小与流场中的涡量大小相关，涡量越大，声辐射也越大。当存在攻角、有围壳后移等因素，或使流场中最大涡量有所增大时，相应的流场声辐射也有所增大。 4.采用VOF方法和SSTκ-ω两方程湍流模型求解了水面舰船三维非定常粘性流场，基于Lighthill声类比理论，对船体绕流场的噪声进行了数值计算，并对流噪声的近、远场特性进行了数值分析，探讨了自由面、流向角及来流速度之间的关系。计算表明：船艉的声辐射要大于船艏，而船舯即横向的声辐射又显著大于船艏艉即纵向的声辐射，水面舰船绕流场的声辐射大小与流场中的涡量大小相关，涡量越大，声辐射也越大。当船体有合适的外形或对附体进行合适的安装，并有效地改善流场特性，使流场中涡量有所减小时，相应的流场声辐射也有所减小。 5.提出了一种新型的水动力噪声模型测试方法——拖曳模噪声测试技术。利用拖曳模在背景噪声较低的试验环境中进行潜艇水动力噪声测试研究是一种有效的试验研究手段，该方法利用时频分析法将测试所得具有时间通过特性的时域信号映射至时间-频率域，从而凸现信号的频率成分在时间上的变化规律，籍此识别出水动力噪声并对其加以研究。利用拖曳模测试噪声有其突出特点，包括流场模拟真实可靠、测试方案灵活、可有效地识别各噪声源、便于研究低频噪声等，是对传统水动力噪声测试方法的一个有益的补充。本论文利用这套试验方法研究了某水面舰船模型的水动力噪声特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.2声学基本理论

1.2.1概念及基本量

1.2.2波动方程

1.3声理论的发展

1.3.1 Lighthill方程

1.3.2涡声理论

1.4舰船CFD发展

1.5舰船水动力噪声研究

1.6本文工作及主要创新点

1.6.1本文工作

1.6.2本文创新点

第二章 涡声近似计算的方法概述

2.1 Green函数法

2.1.1频域格林函数与时域格林函数

2.1.2水动力噪声的格林函数法

2.2匹配渐进展开法

2.2.1自由空间中

2.2.2带固体边界空间

2.3小结

第三章 匹配渐近展开法的应用

3.1自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

3.1.1引言

3.1.2奥辛涡模型

3.1.3自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

3.1.4小结

3.2椭圆翼尾涡面演化及其声场特性

3.2.1引言

3.2.2流动的物理描述

3.2.3 B-R方程

3.2.4面涡的卷起和集中涡的形成

3.2.5椭圆翼尾涡面演化

3.2.6椭圆翼尾涡面演化的声辐射

3.3三角翼尾涡面演化及其声场特性

3.3.1三角翼尾涡面演化

3.3.2椭圆翼尾涡面演化的声辐射

3.4小结

第四章 潜艇流噪声基本声场特性

4.1引言

4.2 FLUENT 6.1噪声模块

4.3流场求解的数学模型

4.4流场及声场的计算

4.4.1网格生成

4.4.2流场及声场计算

4.5基本声场特性

4.5.1近场声特性

4.5.2远场声特性

4.6基于数值分析的有关参数对潜艇流噪声的影响

4.6.1攻角的影响

4.6.2来流速度、模型尺度及Re数的影响

4.6.3流噪声相似律

4.7围壳后移对潜艇流噪声的影响

4.7.1围壳后移对艇艏驻点噪声的影响

4.7.2围壳后移对远场声特性的影响

4.7.3围壳后移对近场声特性的影响

4.8小结

第五章 水面舰船流噪声基本声场特性

5.1引言

5.2流场求解的数学模型

5.3流场及声场计算

5.3.1网格生成

5.3.2流场及声场计算

5.4基本声场特性

5.4.1近场声特性

5.4.2远场声特性

5.5基于数值分析的有关参数对水面舰船流噪声的影响

5.5.1自由面的影响

5.5.2流向角的影响

5.5.3傅汝德数的影响

5.6附体对水面舰船流噪声的影响

5.7小结

第六章 水动力噪声测量的拖曳模试验技术研究

6.1引言

6.2时频信号分析法

6.3利用拖曳模测试噪声的几点说明

6.3.1拖曳模辐射噪声的主要成分

6.3.2背景噪声

6.4利用拖曳模测试水动力噪声的试验方法

6.4.1利用拖曳模测试水动力噪声的试验方法

6.4.2拖曳模噪声测试的特性

6.5某水面舰船水动力噪声的拖曳模测试

6.5.1流噪声与背景噪声的比对

6.5.2试验数据分析

6.5.3总结

6.6小结

第七章 总结与展望

7.1结论

7.2研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢