噪声潜艇流噪声和流固耦合作用激噪声数值模拟

摘要：潜艇的水动力噪声是由潜艇周围湍流边界层内的扰动、壁面上的脉动压力以及流体与固体的耦合作用导致的结构振动共同引起的。其中，湍流边界层内的速度扰动和壁面脉动压力分别相当于四极子声源和偶极子声源，二者共同构成了流噪声；流体与固体的耦合作用会进一步产生流激噪声，导致噪声数值增大。水动力噪声严重威胁了潜艇的隐蔽性，由此探讨水动力噪声的产生与特性具有重要作用。流噪声的探讨以Lighthill提出声学类比论述开始，传统的声学类比论述由于采取了紧致声源的检测定，虽然在求解远场声学信息时可以得到准确解，但在近场的求解中会产生较大误差。边界元法作为求解声场的另一种手段，由于在论述推导中通过对“奇点”的特殊处理，使得其可以准确求解声场中所有位置处的声学信息。本论文以SUBOFF潜艇为探讨对象，首先，利用大涡模拟求解潜艇的绕流场，将得到的流场解与试验值进行比较，验证了流场计算的准确性。采取传统的声学类比论述FW-H方程和边界元法，分别计算了潜艇沿X、Y、Z三个方向上一系列特点点处的流噪声，并对两种解法得到的解进行了比较和浅析。结果表明，两种策略在远场的解十分接近，但在近场，FW-H方程得到的解偏大。其次，本论文探讨了流固耦合作用下潜艇产生的流激噪声，该噪声为流噪声与流激作用下潜艇结构振动噪声的叠加。将流场计算得到的脉动压力作为外载荷施加于潜艇结构，求出潜艇结构的振动位移，通过声学波动Helmholtz方程即可求出由于流激振动产生的振动噪声。所得的结果显示，同一频率激噪声的数值大于流噪声。在近场区域，二者数值上的差距较大，随着壁面距离的增加，流激噪声衰减的速度大于流噪声，二者的差距不断减小，最终几乎保持不变最后，本论文探讨了不同流场速度和潜艇壁厚下，声场中各特点点处流激噪声的变化规律。结果表明，流场速度的增加会使流激噪声增加，不同流场速度下同一特点点处流激噪声的声压频率曲线在相近的频率下取得极值。潜艇壁厚的增加会使流激噪声减小，不同潜艇壁厚下同一特点点处流激噪声声压频率曲线取极值的频率不同。关键词：潜艇论文流噪声论文Lighthill声学类比论述论文边界元法论文流固耦合论文流激噪声论文

摘要3-5

ABSTRACT5-9

第一章 绪论9-19

1.1 潜艇流噪声与流激噪声的探讨作用9-10

1.2 国内外流噪声与流激噪声的探讨近况10-17

1.2.1 潜艇绕流场的数值模拟10-12

1.2.2 流噪声的探讨进展12-14

1.2.3 流激噪声的探讨进展14-16

1.2.4 基于边界元的声学计算16-17

1.3 本论文的主要工作内容17-19

第二章 大涡模拟计算潜艇周围的流场与流噪声19-39

2.1 大涡模拟论述与制约方程19-24

2.1.1 滤波函数19-21

2.1.2 亚格子尺度模型21-24

2.2 声学类比论述24-28

2.2.1 Lighthill 声学类比论述24-26

2.2.2 Curle 方程26-27

2.2.3 FW-H 方程27-28

2.3 计算模型与边界条件28-30

2.4 计算结果与浅析30-37

2.4.1 潜艇绕流场的计算结果与浅析30-34

2.4.2 潜艇流噪声的计算结果与浅析34-37

2.5 本章小结37-39

第三章 基于边界元法的流噪声计算39-57

3.1 边界元法求解流噪声的计算论述39-41

3.2 边界元法计算流噪声的结果与浅析41-56

3.2.1 流噪声沿 X 方向的变化规律49-52

3.2.2 流噪声沿 Y 方向的变化规律52-54

3.2.3 流噪声沿 Z 方向的变化规律54-56

3.3 本章小结56-57

第四章 流激噪声的计算结果57-89

4.1 流激噪声的计算论述57-60

4.2 潜艇结构的模态浅析60-65

4.3 流激噪声的计算结果与浅析65-88

4.3.1 流激噪声在 X 方向的变化规律81-84

4.3.2 流激噪声在 Y 方向的变化规律84-86

4.3.3 流激噪声在 Z 方向的变化规律86-88

4.4 本章小结88-89

第五章 不同工况激噪声的比较探讨89-104

5.1 引言89-90

5.2 来流速度对流激噪声的影响90-96

5.3 潜艇结构厚度对流激噪声的影响96-103

5.4 本章小结103-104

第六章 结论与展望104-106