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。     

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。     

低水动力自噪声的头体线型优化设计方法

本文阐述了一套低水动力自噪声的头体线型优化设计方法,即通过优化设计水下航行体的头部线型,在保证无空化航行的前提下,降低头体边界层流动对其前驻点位置的水动力自噪声干扰.这种头体线型优化设计方法,首先利用自噪声频谱的相似规律,结合已有理论分析和实验测试结果对轴对称回转体的水动力自噪声频谱进行数值预报;然后以该自噪声声压谱级为目标函数,结合工程实际中的约束条件,进行头体几何参数的多参数寻优.这种优化设计方法能以较小的计算量获得较高精度的关键频率处的自噪声声压谱级预报和相应的低噪声头体线型优化设计,从而具备广泛工程应用的可行性.本文中所列的典型算例显示,经过线型优化设计的头型具有比原型显著降低的自噪声.     

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。     

计及航行姿态变化的高速多体船阻力预报

对于高速航行的船舶,由于船体航行姿态变化明显,以该吃水下设计浮态为基准的阻力计算结果并不能准确预报其实际航行阻力.本文针对多体船高速行驶的兴波问题,采用动网格技术实现了基于动力学平衡预报船体航行时姿态变化和阻力计算,研究中就高速行驶的三体船绕流场进行了模拟计算,并和相关实验进行了比较.研究表明动网格技术应用避免了由于船体运动造成流场网格扭曲与计算发散等问题,具有良好的稳定性,该方法充分考虑了船体姿态的影响,对高速多体船的兴波阻力计算预报更为准确.     

动态PMM实验的数值模拟及线性导数获取方法

PMM(Planar Motion Mechanism)是一种可以较为全面分析水面水下航行体水动力导数的实验机构.该文基于非定常RANS方程和Realized k-ε湍流模式,并结合重叠网格技术对SUBOFF潜艇动态PMM实验中的纯首摇运动进行数值模拟,获取纯首摇运动中的水动力,并根据多工况结果进行过原点线性拟合处理,...     

模拟自由面影响的涡格方法

基于涡格法来计算自由面影响下的水下航行体或螺旋桨水动力性能。水下航行体、螺旋桨以及自由面均采用涡格来表达,航行体涡格布置在真实物面上,桨叶涡格布置在拱弧面上,自由面涡格布置在静水面上方合适的距离处。通过奇点系的诱导速度来模拟物体与自由面的相互作用,在物面(或螺旋桨拱弧面)上满足不可穿透条件及在静水面上满足线性自由面条件,建立关于涡强的线性方程组并联立求解。通过球体、水翼及螺旋桨等算例考察了该方法的收敛性和精度,并讨论了进速和沉深对螺旋桨水动力性能的影响。     

基于数值模拟的孔腔水动噪声机理及其控制研究

孔腔水动噪声是水下航行体的主要噪声源之一。该文基于计算流体动力声学(CHA)的多步骤混合方法,对方形孔腔周围涡流场及其等效声源场和声场做了精细数值模拟和分析。文章对孔腔流动噪声源进行了细致空间定位,从而把孔腔流动声源区划分成对应不同发生机理的子区域;然后分别计算了各子声源区对声辐射的贡献,从而区分真假、主次声源;最后针对主要声源的发生机理提出了腔内加隔板的降噪方案。文中的流场计算采用CFD软件FLUENT和大涡模拟(LES)方法,声源场和声场计算采用声学软件ACTRAN,相关数值模拟方法和手段用经典实验数据进行了对比验证。该文所提出的孔腔内加隔板的降噪方案,由数值模拟可知其有显著降噪效果。     

数值波浪水池中航行船舶辐射问题的数值模拟

基于CFD方法,建立了数值波浪水池,就Wigley-Ⅲ船模在不同航速下摇荡运动辐射问题进行了数值模拟,给出了一种求解航行船舶辐射运动的水动力系数的方法.计算分析了船体相关模态运动的附加质量与阻尼,与势流理论结果、DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,吻合良好.对比和研究表明,本文的方法比实验更易实现和控制,能细致描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景.     

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.     

船舶螺旋桨低频噪声研究

螺旋桨低频噪声构成了船舶中高速航行时整个辐射噪声中的重要分量。螺旋桨的低频离散谱噪声是由船尾伴流场和叶片的相互作用引起的，而低频宽带噪声是由船尾粘性湍流场和叶片的相互作用产徨的。利用升力面理论和声学方法得到的离散谱噪声的预报公式，对螺旋桨直径、侧斜变化对离散谱噪 声的影响作了数值计算，并得到了工程上有实用意义的结果。在分析螺旋桨低频宽带器材怕成因的基础上得到了理论计算方法，并作为数值计算。整个方法     

基于动态重叠网格的滑行艇耐波性计算

滑行艇航行时其重力主要靠水动力升力支撑，因其具有阻力小且速度快等优点，目前在娱乐、救援及军事等多种场景中被广泛应用。滑行艇在航行过程中处在滑行状态，纵摇和升沉运动幅值较常规排水型船舶较高，尤其在波浪中航行时会出现周期性出水和入水跳跃的现象。该文使用自主开发动态重叠网格技术模块，结合开源CFD库OpenFOAM对Generic Prismatic Planing Hull (GPPH)深V型滑行艇进行了耐波性数值模拟，发现：数值计算结果与模型试验结果对比吻合较好，使用动态重叠网格技术能在不影响网格质量的前提下较好地捕捉滑行艇大幅纵摇和升沉运动；艇体周期性出水和入水会在船底部产生周期性的大幅值砰击压力，该文数值计算也可给出合理的压力预报结果。     

基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算

此文基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了波浪的生成和传播,并对规则波浪中航行船舶的水动力进行了计算研究.文中讨论了适合船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下数值波浪水池中波浪生成和传播及消波等,模拟计算了多个航速项浪与斜浪航行的约束Wigley-Ⅲ船模的水动力以及项浪中航行船舶的波浪增阻.计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据及势流理论的结果吻合良好.对比和研究表明,本文的方法能细致描述船舶周围的流场,且比实验更易实现和控制,在船舶的水动力性能分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

水下潜器航行水动力导数CFD计算

良好的操纵性能,对于水下潜器顺利高效地执行任务至关重要。因此,在新型水下机器人的初步设计阶段,就应该对其操纵性能给与评估。精确计算水下机器人的水动力导数,是准确评价其操纵性能的关键。目前,计算水动力导数最流行的方法是船模实验法,但需要复杂的实验设备,且成本高并费大量时间,而采用数值模拟方法计算水动力导数就能克服上述缺点。本文基于开源CFD工具包Open FOAM开发的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU[1],采用SST-DES方法,对万米水下潜器(ARV)在不同漂角和攻角工况下,进行了数值斜航实验模拟。通过数值计算得到了作用在ARV上的水动力和力矩,回归得到相应的水动力导数值。为进一步根据潜艇六自由度运动方程,进行运动仿真模拟提供了基础。结果表明,对ARV进行数值模拟能够高效快速地计算ARV的水动力导数,进而对ARV的操纵性能进行预报,指导水下机器人的设计。     

动网格技术在非稳态空化流计算中的应用

该文基于对钝锥头航行体的空化流动的实验观测,利用商业软件FLUENT[1]考核了分块网格模型对降低动网格方法误差影响、提高空化流计算精度的可行性和有效性。通过与实验的对比表明,采用分块网格模型能够使基于动网格方法的非稳态空化流计算很好的捕捉到空泡生长,回射,翻卷,脱落,溃灭这一过程,并获得较为准确的航行体的运动轨迹和所受的水动力。进而分析了流场涡结构与空泡演化的机理。     

基于时域格林函数的有航速船舶与波浪相互作用的数值模拟

基于深水时域格林函数的数值处理方法及开发的计算程序,采用三维时域数值模拟方法,在线性势流理论框架内对深海波浪中航行船舶的辐射问题和绕射问题进行了求解,研究探讨了航行船舶与波浪相互作用问题.研究中对不同航行速度的Wigley型船水动力系数和波浪力进行了数值计算,通过与试验及文献计算结果的比较,验证了三维时域数值计算程序的有效性.     

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。     

三体船在斜浪规则波中运动响应预报方法研究

对于三体船在波浪中的水动力预报,航速效应和主体与片体间水动力干扰效应是水动力载荷合理预报的关键之处,需合理考虑.二维半势流理论可较为准确反映上述效应,已在三体船顶浪中垂向运动响应理论预报上获得了较为满意的结果.在此基础上,该文探讨了该方法在三体船斜浪中运动特别是横摇预报上的应用.为较准确获得三体船横摇运动时粘性阻尼贡献,采用三体船模静水中自由横摇衰减试验获得了自由横摇运动衰减曲线,并经能量法处理获得了船舶横摇阻尼系数.然后,结合二维半理论,获得了三体船运动数值解.数值解与斜浪规则波中运动响应模型试验结果符合较好,反映本文所采用的数值方法可较好地预测三体船斜浪中水动力载荷和运动,可用于三体船在波浪中耐波性评估.