基于模态分析法的水下高速航行体流激振动声辐射特性研究

为了评估水下高速航行体的低频水动力噪声特性,该文基于模态分析法,将航行体简化为镶嵌在无限长刚性圆柱障板的圆柱壳模型,以流动激励力湍流脉动压力波数-频率谱作为输入,建立水下航行体流激结构振动声辐射计算方法,并通过回转体实验进行验证。研究结果表明：3～9 m/s流速范围内,80 Hz以上总声级偏差小于2 dB,计算结果与试验结果基本一致。该研究工作为水下航行体低频水动力噪声评估提供了一种理论方法。     

水下航行体水动力辐射噪声预报方法研究

为评估水下航行体水动力辐射噪声性能,将航行体湿表面划分为若干子单元,运用功率谱的概念和模态平均法,计算子单元受湍流脉动压力激励振动声辐射,根据声能迭加原理建立航行体水动力辐射噪声的计算方法。数值计算表明,水下航行体水动力辐射噪声的预报与国外方法提供结果基本一致。6 m/s以上航速声压谱级最大偏差小于3 dB,所建立的方法可用于水下航行体水动力辐射噪声的预报和评估。     

水下航行体艏部低噪声线型的声学设计方法

本文按照Lauchle提出的过渡区湍流猝发的单极子声辐射理论，在确定航行体线型和计算势流分布的基础上，通过计算边界层厚度和转捩点位置、确定湍流斑猝发的统计特性，再由适当近似计算过渡区的声辐射，从而建立水下航行体艏部低噪声线型的声学设计方法。数值计算表明优化的艏部线型与国外资料中的艏部优化线型十分接近，艏部声纳部位自噪声的计算结果与模型试验结果相比，在3kHz以上频段偏差小于3dB。     

水下航行体表面水动力激励力预测模型

水动力激励力由航行体壁面湍流脉动压力引起,是航行体水动力噪声预报的输入力源。该文利用回转体模型表面脉动压力风洞测试结果,参考流动激励力与边界层参数的经典关系,给出水下结构流激壁面湍流脉动压力归一化数学模型,经平板及回转体模型水洞实验考核,20 Hz以上频段,预测结果与实验结果有很好的一致性,偏差小于3 dB,为水下航行体水动力噪声定量评估提供激励力输入参数。     

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力预示方法研究

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力准确预示是航行体轴向速度设计的重要依据。该文基于对尾空泡形态发展演变的基本规律的认识,结合空泡独立膨胀原理和Rayleigh-Plesset方程,建立了尾空泡非定常发展数学模型,形成了尾空泡形态和压力的理论预示方法,并通过与试验数据的比对,验证了方法的合理性和可用性。此外,还研究了航行体出筒速度、阻力系数、尾空泡初始压力和燃气指数等影响要素对尾空泡压力和形态的影响。     

水下航行体尾喷燃气与通气超空泡相互作用的研究

基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型,耦合自然空化模型,采用有限体积法,建立了气、汽、液多相通气空泡流和燃气射流的数值模拟方法,模拟了超空泡航行体尾部燃气射流与通气空泡的相互作用,研究了通气量和燃烧室总压对它的影响.计算结果表明:燃气射流对于通气空泡流具有引射作用,使得空泡尺度特别是其后部明显收缩,空泡变短,"颈缩"位置前移,航行体阻力系数变大,导致泄气截面面积减小,并影响泡内的压力分布.     

水下高速航行体艏部水动力自噪声预报方法及低噪声线型设计

针对水下高速航行体水动力自噪声特征,采用过渡区声辐射理论,建立了航行体艏部水动力自噪声预报方法。经模型试验考核偏差小于3dB,故该方法可以用于可用于航行体艏部水动力自噪声预报及低噪声线型设计。理论研究表明,航行体艏部水动力自噪声与边界层层流向湍流过渡转捩点位置有关,转捩点越往后,水动力自噪声越低。在此基础上,针对通用鱼雷外形,给出雷头低噪声设计拟合曲线。进一步分析发现,鱼雷艏部水动力自噪声随着平头端面直径的增大而增加,端面直径增加一倍,水动力自噪声增加约5dB,因此可以采用小的端面直径,来降低鱼雷艏部水动力自噪声。     

水下运动体体效应内波理论分析研究

基于势流理论对分层流中运动物体产生的内波进行了分析,其中采用线性自由面条件,通过傅里叶变换法,建立了体效应内波的预报模型,并对跃变分层中水下卵形体的内波进行了计算和分析。计算结果与文献理论结果吻合良好,表明了本研究建立的体效应内波预报模型的正确性。     

大涡模拟在水下航行体周围黏性流场计算中的初步应用

在空间过滤得到的不可压缩流动的大涡模拟控制方程基础上,利用基于三阶迎风偏置格式的混合差分及二阶中心差分离散控制方程的对流项及耗散项,离散得到的线性方程组通过无矩阵计算的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel）分步迭代方法求解.利用大涡模拟（Large Eddy Simulation-LES）方法对水下航行体周围的黏性流场及水动力进行了定常数值模拟,计算得到的速度、压力分布及阻力值与试验吻合较好.     

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

通气超空泡航行体后体纵摆运动的数值模拟

利用Fluent 6.3对带圆盘空化器的高速水下航行体的通气超空泡流动进行了三维、非定常的数值模拟,通过在FLUENT软件中加入UDF自定义函数的方式求解非惯性系下的N-S方程,分析了通气超空泡航行体水下纵摆运动过程中的超空泡流流动特征和力学特性。结果表明,三维轴对称超空泡水下航行体的压力场具有如下特点:(1)泡内压力低于外界同样水深处水流压力,(2)泡内压力与泡外压力连续变化,(3)泡内压力分布不均匀,泡内气体在压力差驱动下形成沿周向的二次流动;该二次流动是形成超空泡尾部涡管状泄气结构的重要因素。文中将仿真计算结果与空泡水洞试验进行了对比,验证了数值计算的有效性。     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

基于实测频响函数水下航行器附加质量识别方法研究

附加质量对水下航行器的结构设计有着重要的影响。针对水下航行器在流体中由于流固耦合所产生的附加质量问题,在用高等流体力学对附加质量进行描述的基础上,提出了根据实测频响函数来识别水下航行器附加质量的方法。该方法不但可以计算总的附加质量,而且可以计算其分布情况。仿真算例证明了该方法的正确性和可行性,结果表明该方法有效且有很高的精度,满足工程应用的需要。     

水质监测数据时间序列的时域和频域分析

以2010年某河流5个自动监测水质断面主要污染指标高锰酸盐指数和氨氮、总磷、总氮日均浓度为研究对象,将时域和频域分析方法综合应用在水质自动监测数据的时间序列分析中,利用小波变换的多尺度、时频相结合的特点,并结合断面月均浓度变化规律,揭示出该河流多个监测断面主要污染物具有10 d左右的周期行为。     

考虑横向流影响的水下齐射载荷特性研究

该文围绕多细长体水下垂直齐射载荷特性,采用VOF多相流模型、k-ε湍流模型和分层嵌套动网格等仿真技术,结合自定义函数(User-Defined Function,UDF)编程模拟的不同水深环境,并考虑艇速、筒口结构形式、筒盖和均压气体等对水下齐射过程流场状态的影响,建立了考虑横向流影响的水下齐射三维非定常多相流场仿真模...     

锥柱航行体肩空泡界面效应对头锥面受力的影响研究

航行体水下高速运动时会发生空化现象,形成空泡附着在航行体表面。该文通过数值计算的方法,分析了空泡界面对头锥面附近流场压力的影响。计算结果表明:界面效应使得流场压力和头锥面表面压力升高,头锥面轴向力增大;不同攻角下,空泡形态发生倾斜,界面效应对迎、背流面的影响不同,头锥段法向受力减小;头部半锥角越大,空泡越长且厚,空泡界面效应对流场压力影响也增大。     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

旋转振荡圆柱绕流中的频率耦合现象研究

通过分离解法数值求解原始变量的不可压二维N－S方程，对在均匀来流中旋转振荡圆柱问题进行了数值模拟，利用快速傅里叶变换（FFT）方法进行频谱分析，得到了在低雷诺数下圆柱自然涡脱落频率同外部迫强迫振荡频率之间的耦合作用。进而说明了在不同频率耦合区域流场涡形成、发展和脱落的规律。     

InSAR形变大数据在沿江城市中的研究与应用

沿江城市普遍存在填湖、填江造陆,季节性形变,江水侵蚀沿岸等现实情况。以长江洞庭湖段岳阳市岳阳楼区为研究区域,基于COSMO-SkyMed卫星星座,应用时序合成孔径雷达干涉测量技术(MT-InSAR)对研究区进行形变监测。结果表明：江水由宽江道进入窄江道,窄江道承受的切应力明显增大,分别由26～47 N/m²增大到50～53 N/m²;沿江(城陵矶港)季节性形变与降雨相关性较低,非沿江季节形变与降雨相关性较高,非沿江地区形变活跃期具有周年变化的特点,沿江形变活跃期约在230～360 d期间;对沿江和非沿江形变信号进行谱分析,两者形变信号在频域上具有明显差异,此种差异具有作为洪水灾害指示信号的潜力。     

基于频谱分析的间谐波闪变效应计算

在分析IEC闪变仪测量原理的基础上,提出一种基于频谱分析的电压闪变计算方法,先利用快速傅里叶变换（FFT）进行频谱分析,得到各频率分量的参数,然后利用这些参数计算电压闪变。新算法不仅能计算调制波和间谐波引起的总瞬时闪变视感度,还能计算出每个间谐波或间谐波对引起的瞬时闪变视感度占总瞬时闪变视感度的比例,即对闪变的贡献。它表明调制波是间谐波的特例,并且,当输入电压中含有间谐波对时,间谐波对引起的瞬时闪变视感度中的共同作用部分与基波和间谐波的初相角有关,而在以往的研究中一般未考虑相角的影响,或将相角默认为0°。仿真算例将频谱法和IEC算法进行了对比分析,验证了频谱法的有效性和准确性。