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。     

水下航行体水动力噪声预报方法及其试验验证

该文采用结构离散法,建立水下航行体水动力辐射噪声预报方法。模型试验表明,3-9 m/s水速范围内,计算结果与实验结果有较好的一致性,偏差小于3 dB。该文方法计算量不大,可以用来进行水下航行体中高频水动力辐射噪声快速预报。     

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。     

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。     

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。     

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     

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.     

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,...     

2015年度周培源水动力学奖叁等奖获得者 王本龙简况

<正>王本龙在水动力学研究领域如下方面开展了具有特色的研究工作:在水下航行体尾迹磁异常特征和海啸诱导磁异常领域获得重要研究进展。着重从理论方面论述水下航行体波浪尾迹诱导磁异常的物理机制,阐述通过波浪尾迹进行探测的可行性。提出了模拟海啸诱导地磁场异常变化的计算模型,相关工作发表     

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。     

水下桩腿长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响分析

风电安装船是带支腿浮式结构,而水下桩腿长度对船体在波浪中的动力响应会产生较大的影响。究其原因就是水下支腿的存在导致结构所受水动力不同于普通无支腿船体。为了研究水下桩腿长度对水动力系数大小的影响,该文利用三维势流理论对桩腿收放过程中不同阶段的水动力系数进行了数值计算,给出了不同工况下带支腿浮式结构在波浪中运动的6个自由度水动力系数与波浪频率的关系。研究结果表明:桩腿水下长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响较为明显,除垂荡运动外,附加质量随桩腿在水下的长度的增加而增大;当波浪频率处于低频或高频时,桩腿的水下长度对附加阻尼的影响较小,而当波浪频率处于中频时,附加阻尼系数随运动状态的不同表现出不同的规律。此外,还分析了桩腿对带支腿浮式结构湿固有频率的影响,结果反映出桩腿在水下的长短对结构的湿固有频率有明显的调制作用。     

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.     

航行体有攻角出水全过程数值模拟

水下航行体高速出水时,空泡溃灭会产生较大的弯矩载荷,是其结构强度的主要设计依据.本文基于计算流体方法与结构动力学方法的单向耦合,建立了航行体有攻角出水全过程数值模拟方法,并针对抽象的典型工况进行了较大规模的并行计算,最终得到了航行体关键截面的全时程载荷响应.进一步通过分析航行体空泡形状和表面压力的演化特征,解释了航行体出水载荷的直接形成原因.     

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.     

深水明渠附着水下空间体的水动力特性与体型优化

大型长距离输水明渠边坡衬砌破坏后,受供水保证率制约通常只能不停水修复,而现有施工技术在深水渠道中难以使用,寻找快速环保地进行明渠不停水修复已成为亟待解决的重大技术难题。突破传统施工围堰概念,提出使用"水下无底拱穹结构"作为大型明渠不停水修复的施工平台。以南水北调中线干渠某渠段为例,采用数值模拟与物理模型验证相结合的方法,开展了空间体的水动力特性及体型优化研究。首先基于水下空间体的构造与选定的约束条件,利用Rhion和Flow 3D软件搭建了研究渠段的三维水动力学模型;分别对设计的三种体型水下空间体进行了水动力数模计算,分析了渠道流态与流场、断面流速分布、回流强度、壅水及阻力损失等水力要素的特征,计算了空间体的绕流阻力,对比总结了三种体型空间体的水动力学特征。结果表明,半椭圆形水下空间体绕流阻力较小,对渠道过流能力影响最小,可考虑作为水下空间体的应用选型。本文的研究为渠道内快速开展不停水维修提供了新思路与技术参考。     

水下循迹航行器水动力学性能数值研究

为了研究低速水下循迹监测航行器的水动力学性能数值计算问题,采用FLUENT软件和SST剪切应力输运模型,通过雷诺时均N-S方程分析流速一定的情况下,取不同攻角、不同水平舵角作为来流条件,研究未安装推进器以及安装推进器且其安装位置不同时,航行器的升力系数、俯仰力矩系数、表面压力分布和流场速度的变化规律。结果表明:在未安装推进器以及推进器的安装位置不同时,随着攻角的变化,升力系数呈线性变化,俯仰力矩系数呈非线性变化;随着水平舵角的变化,升力系数和俯仰力矩系数呈线性变化。当推进器安装在航行器头部时,对航行器流场压力和流场速度变化影响最大;当安装在航行器尾部时,对二者影响最小。对于低速航行器,应尽量将推进器安装在中间靠后位置,以提高航行器的水动力性能。升力系数的试验结果与数值仿真结果之间最大相差7. 51%,阻力系数的试验结果与数值仿真结果最大相差5. 84%,均吻合较好。研究结果可以为低速水下循迹航行器的优化设计和发展提供理论参考。     

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.