大侧斜对转桨水动力及线谱噪声特性分析

对转螺旋桨的噪声是水下航行器的强噪声源之一,低噪声螺旋桨设计可以通过适当增加螺旋桨叶片数和采用叶片侧斜等方式实现,而对其流体动力及线谱噪声特性进行分析是判定设计优劣的一项重要依据。对于水动力特性计算,基于不可压缩流体雷诺时均方程和RSM湍流模型,多旋转区域耦合问题采用滑移网格进行处理,仿真计算得到普通对转桨和大侧斜对转桨的推力、扭矩、航速及效率等相关参数信息。对于线谱噪声特性,采用时域耦合方法进行求解,声场计算模型基于广义K-WH方程,计算得到了两型螺旋桨的线谱噪声特性。通过对比分析,大侧斜对转桨的水动力特性及线谱噪声特性优于普通对转桨,达到低噪声螺旋桨设计的目的。     

水下航行器大侧斜对转桨水动力性能计算

对转桨具有效率高的特点,大侧斜桨具有噪声低的特点。因此,大侧斜对转螺旋桨通过合理设计,能够兼备两者优势于一体,其水动力性能计算是设计中的一个关键问题。本文基于不可压缩流体"雷诺时均Navier-Stokes方程+RSM湍流模型",采用多重参考系模型处理多旋转区域耦合问题,仿真计算了螺旋桨的稳态流场,得到推力、扭矩、航速及效率等相关参数信息。相对常规对转桨而言,大侧斜对转桨的水动力性能更加优越,适用于水下航行器的推进器领域。     

水下对转螺旋桨空化线谱频率预报与数值模拟

水下高速目标对转螺旋桨常工作在空化状态,其噪声线谱由前后桨相互作用及前后桨 与船舶尾流场的相互作用引起。通过Goldstein 的声相似方程,将空泡看作螺旋桨的一部分,对空 化条件下水下对转螺旋桨的线谱频率进行了理论预报。推导出了远场条件下单极子源性质的声源 所产生的声压表达式,得到了其线谱预报频率。利用Schnerr-sauer 空化模型及RNG k-着湍流模型, 并采用动网格模型对对转螺旋桨进行空化数值模拟。结果表明:预报的DTMB4381 螺旋桨空泡形 态与公开发表实验及数值模拟结果吻合度较好。利用该方法得到的对转螺旋桨空化线谱频率与理 论预报结果完全吻合。     

水下对转桨非空化线谱噪声分析与数值研究

为了研究水下对转桨非空化状态的目标特性,分析了对转桨非空化线谱噪声的产生机理,其产生机制是前后桨干涉作用和周向谐波流场作用。利用广义声类比方程,将这两种机制引起的升阻力作为噪声源,推导了水下对转桨远场声压表达式,分析了线谱预报频率以及声压的方向性,得到了强弱线谱出现的条件。研究发现：预报的线谱频率可用f=sAPF+pBPF₁+hBPF₂表示;声压辐射呈“8”形分布;干涉作用和周向流场作用的贝塞尔函数是否取峰值是强弱线谱出现的必要条件。数值计算方面,利用RNG k-ε湍流模型、滑移网格模型结合FW-H方程对对转桨进行非空化数值模拟,结果表明：在对转桨水动力性能预报方面,RNG k-ε湍流模型比Realizable k-ε湍流模型精度更好;噪声性能预报方面,该方法得到的对转桨非空化线谱频率以及声压方向性与理论结果非常吻合。     

PML边界条件在空腔噪声计算中的应用

通过数值模拟气动噪声对空腔进行外形优化,以达到降低空腔气动噪声的目的。为准确计算流场声压脉动,数值方法采用了大涡模拟(LES)技术,远场边界采用了完全匹配层边界条件(PML),空间格式采用色散相关保持格式(DRP),同时时间格式采用低耗散低色散5级Runge-Kutta(LDDRK5)格式以使得流场耗散和色散最小。通过对三种外形的空腔在来流马赫数0.41时监测点以及脉动流场的分析和判断,采用PML边界条件对内部流场的反射误差很小,可以稳定的吸收出流波动。结果表明,该计算方法可以较好的计算空腔的声压,给出气动噪声最小的最优外形,为空腔降噪优化和气动噪声的计算提供了参考。     

水下航行体两种整流艉附体的数值模拟

为降低水下航行体噪声,研究两种整流艉附体。分析水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对给定无人水下航行体(UUV)设计艉翼过渡和消涡整流片两种艉附体,运用CFD方法对应用两种艉附体的UUV流场进行数值模拟,结果显示两种艉附体对螺旋桨伴流场具有良好的改进效果。     

自主水下航行器回收过程中螺旋桨推力特性分析

在自主水下航行器 (AUV) 水下回收过程中,螺旋桨的推力特性对AUV的稳定性控制及安全性能等影响非常明显。主要基于计算流体力学方法,采用多块混合网格技术结合RNG k-ε湍流模型,对AUV在不同回收工况下的螺旋桨推力特性展开数值模拟。建立AUV及螺旋桨的三维几何模型;基于多块混合网格方法对计算域进行空间离散,同时采用动网格技术实现螺旋桨与回收管的相对运动及自身旋转运动;利用有限体积法展开数值计算。基于计算数据与试验数据的对比及数值无关性测试,表明所使用的多块混合网格方法能够对AUV回收过程螺旋桨推力特性进行准确计算,为AUV水下回收过程的控制及安全性能评估能够提供理论参考。     

水下航行器流噪声特性分析

运用大涡模拟(LES)湍流模型及Lighthill声类比理论求解了水下航行器湍流边界层的声场.通过分析发现,水下航行器转捩区比发展区具有更大的声功率密度,且转捩区峰值处在高频区,发展区峰值处在低频区.同时探讨了速度对水下航行器频谱的影响,在速度增加的情况下,水下航行器具有更高的声压值,且在频谱上引起了其迁移频率的后移.     

导弹水下运动及出水过程的三维流场仿真

为研究水下发射时的弹道和水动力特性,利用计算流体动力学理论和动网格技术,对水下航行体水下及出水过程进行全三维、六自由度多相非定常数值模拟,结合动网格技术解决了耦合VOF模型模拟气水交界面、航行体运动及计算域的变形等非定常、非线性计算问题.计算得到了航行体的运动学和动力学时域特性.研究了航行体空间流场结构及水动力特性,结果表明,艇速使航行体肩部的旋涡呈非对称性并引起了弹道的空间偏转,航行体的水下运动和出水过程中流体力矩的作用会使偏转角放大.     

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法（LBM）的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明：与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。     

含运动弹头的手枪膛口射流噪声场特性

采用数值计算与试验研究相结合方法,分析某9 mm手枪膛口射流噪声场特性。基于计算流体力学与计算气动声学两步法,结合动网格技术,对含有运动弹头的手枪膛口燃气流场进行数值计算,即先采用大涡模拟方法计算膛口流场,得到声源积分面上的流体信息,再通过求解Ffowcs Williams和Hawkings声波动方程得到声源信息以及各个声监测点的声压信号,最终得到瞬态声场。为验证数值模型的可行性,将手枪试验结果与数值计算结果进行对比分析。结果表明：数值模型考虑弹头运动可以使计算结果更具准确性;数值计算所得各测点值与试验结果之间的误差均小于5%,证明了数值模型的正确性与可用性;研究结果对装有消声器的膛口噪声预测及膛口消声器的设计具有较好的参考价值。     

水声干扰子弹威力分析

为了研究壳体厚度和材料对水声干扰子弹威力的影响,在Cole水下爆炸冲击波经验公式的基础上,利用AUTODYN仿真程序对水声干扰子弹水下爆炸进行模拟,分析了子弹壳体厚度和材料对水下爆炸声压级的影响,仿真结果表明,水下爆炸声压级随着壳体厚度的增加先升高后降低;壳体材料的屈服应力越大,水下爆炸声压级越高。仿真结果为工程应用提供理论参考。     

一种评估自由场隔声测试中边缘衍射影响的数值分析模型

水声工程中，改善和提高自由场材料声学测试精度和可靠程度对水下航行器的声隐身设计具有非常重要的工程应用价值和现实意义。本文基于边界元和有限元方法对自由场材料隔声测试中存在的边缘衍射影响进行了数值评估模型研究，理论评估模型、分析条件和分析步骤均以实际测试为基础，并以水下钢板法向隔声测试为例计算分析了边缘衍射对轴向接收和偏轴向接收的影响程度和特点。研究表明，边缘衍射对自由场隔声测试的影响与样板几何尺寸和测试频率波长相对大小以及样板、声源和接收场点的空间几何配置等因素关系密切；与轴向接收相比，小角度偏轴向接收对抑制半波长与样板几何尺寸相当或远大于样板几何尺寸频段的边缘衍射影响较为有效，抑制效果与偏轴向距离及其相关轴向距离的选取有关。研究结果表明，该模型对更好地开展自由场材料隔声测试具有指导意义。     

光纤水听器浅析

光纤水听器按传感原理分为强度型、干涉型和光纤光栅型等.强度型光纤水听器,根据光纤微弯损致使光功率变化.干涉型光纤水听器基于光学干涉,通过水中声波对光纤的压力而改变的光纤纤芯折射率或长度所引起的光纤中传播光束光程变化,通过检测其相位得到水声信息.光纤光栅型光纤水听器基于原理,其传感光栅周围的应力随水中声压变化.     

水下爆炸对双壳体结构破坏的数值研究

针对水下爆炸试验困难的问题，利用有限元方法对双层板壳结构在水下接触爆炸作用下的破坏进行数值仿真模拟，得出了爆炸载荷情况下双层板壳结构的破口形状，位移、应力和压力随时间变化曲线等数值模拟结果，对比了相同爆炸载荷下不同板壳结构的响应，为提高舰船和潜艇整体防护能力以及鱼雷战斗部的设计提供了参考依据。     

面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器

针对水下声学滑翔机样机研制对小尺寸、耐压复合同振式矢量水听器的迫切需求,设计面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器。根据矢量水听器工作原理,对其声压通道和矢量通道进行声学设计;仿真分析压电陶瓷元件和薄壁铝合金壳体耐压特性,完成矢量水听器整体结构设计与制作;进行矢量水听器耐压能力及电声参数测试,将该水听器集成应用于水下声学滑翔机。在南海某海域开展海上试验,采集100~3 000 Hz范围内水下声场信息,给出不同频点噪声级随时间的变化曲线,且得到了水面航船经过时不同频点的噪声级变化。结果表明,矢量水听器在1 200 m深处可靠工作,设计的矢量水听器满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。     

水下弹性角反射器声散射特性

计算水下弹性角反射器声散射问题,需要考虑声波多次散射以及结构和水的流固耦合作用。针对现有水下弹性角反射器声散射特性分析方法的不足,利用结构有限元耦合流体间接边界元法对水下弹性角反射器的远场散射声场进行仿真计算。分析了入射波频率为5.0～20.0 kHz范围内,平板材料、厚度、入射角度及角反射器类型等因素对目标强度的影响及其散射机理。结果表明：水下弹性角反射器的散射声场具有很强的频率特性,且随材料、平板厚度和入射波频率的变化而改变;多次散射波对角反射器的反向散射声场具有重要贡献,仿真数据和实测数据基本一致。进一步提出了角反射器结构设计和优化方法,为水下无源声反射器的论证与设计提供了理论参考依据。     

仿鱼体柔性变形运动流噪声特性研究

鱼类游动具有低噪声、高效率等特点,鱼体摆动可抽象并表征为壁面的柔性变形运动。柔性变形将诱导产生复杂的涡系流场结构,其流噪声的形成机理及特性在很大程度上有别于常规问题。以美国国家航空咨询委员会开发的NACA0012翼型为研究对象,考虑流噪声计算的需求,建立可模拟柔性变形的数值模型。基于声类比理论获得其流噪声特性,揭示柔性变形对流噪声的影响机制,获得流噪声辐射场指向性。结果表明：柔性变形运动诱发的复杂涡系流场演变是流噪声的主要来源;不同方位下流噪声总声压级随距离的增加均呈衰减趋势;在柔性变形壁面正上方和正下方,辐射噪声达到极值,噪声指向与偶极子声源的辐射场特性最为相似。     

基于高阶谱的声压梯度声源定向

声压梯度法用于声源的定向是一种新方法.该法对声源定向既存在系统误差(确定性误差),又存在随机误差.本文研究了在高斯随机干扰噪声下,非高斯信号声源的基于高阶谱的随机误差消除方法,应用高阶谱对高斯噪声的不敏感性,由此可以消除高斯噪声的影响.仿真结果验证了该方法的有效性.     

尾缘控制措施对开式空腔噪声抑制效果研究

利用基于Menter SST k-ω湍流模型的改进延迟分离涡模拟方法,对开式空腔气动声学特性进行了数值模拟研究,在腔体尾缘采用后壁开孔板加耗能腔的方法进行流动控制。分别研究了在亚声速和超声速来流条件下,所选取的控制措施对气动噪声的抑制效果;利用数值纹影方法等流场分析技术对开式空腔气动噪声的控制机理进行了分析。研究结果表明：亚声速来流条件下,耗能腔尺寸的选择对噪声抑制效果存在较大影响,若耗能腔尺寸过小,不但无法有效抑制腔体内气动噪声反而会使噪声水平大幅升高,最高升幅达12 dB;耗能腔尺寸增加后,腔体内噪声得到抑制,噪声降低幅度随着耗能腔尺寸的增加而增大。超声速来流条件下,所选用的控制措施可以有效地抑制腔体内气动噪声水平,开式空腔内自持振荡循环被终止,各阶模态频率的纯音噪声消失,噪声最高降幅达到23 dB.