对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究

发布时间：2017-10-22 11:07

  本文关键词：对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究

  更多相关文章： 广义声类比理论 对转桨 无空泡线谱预报 水动力性能曲线 FW-H 空泡水筒 DEMON

【摘要】：随着水下航行器性能的改进与航行深度的增加,作为推进装置的对转桨往往在非空泡工况下工作。研究对转桨非空泡线谱噪声的机理及其特征对于水下目标的识别具有重要的理论意义和工程价值。本文首先对目标对转桨的非空泡噪声进行理论分析和数值计算,然后利用实验测量验证了理论分析和数值计算的可靠性。首先,从物理特性的角度分析了对转桨非空泡线谱噪声的发声机制,即前后桨相互干涉效应和谐波流场作用。用非定常力来描述这两种机制对桨叶的作用,将该非定常力作为对转桨非空泡线谱噪声的主要辐射噪声源,利用广义声类比方程通过数理变形的方法推导得出了对转桨非空泡线谱噪声表达式。通过对线谱辐射噪声表达式的分析得到了对转桨非空泡辐射噪声的线谱预报表达式:0 1 2f?mf?nf?sf,(m,n,s?0,?1,?2????)。定义了线谱的方向性函数并做了数值分析,分析了前六阶线谱的方向性。然后,建立了对转桨非空泡线谱噪声的数值预报平台。采用解耦的方法将对转桨的流场与声场的相互耦合作用分开考虑,首先对对转桨非空泡状态下的非定常流场进行了精细模拟,然后在模拟的流场中辨识声源项用于对转桨非空泡线谱噪声的数值计算。在对转桨定常流场的模拟时,通过对比几种湍流模型的计算值与实验值,选取最优的湍流模型(RNG k-ε)进行定常流场的计算,并针对对转桨的定常流场特性进行了分析,得到了前后桨叶表面附近的诱导速度分布云图、桨叶表面压力分布云图和流线轨迹图。利用RNG k-ε湍流模型与滑移网格(Sliding mesh)相结合对对转桨的无空泡非定常流场进行了数值模拟,将得到的推力系数和转矩系数与实验值比较,发现其精度比定常流场的模拟值要高。在确定了非定常流场的计算进入“准周期”后,进行流场中声源项的辨识,待辨识到足够精度的声源项后计算对转桨在800Hz-10k Hz频段的总声压级和三分之一倍频程声压级。第三,在空泡水筒中对目标对转桨非空泡噪声进行了实验研究。得到了800Hz-10k Hz频段的校正到自由场的总声压级和三分之一倍频程声压级。比较发现数值计算总声压级与实验测量的误差在4%以内。数值计算的三分之一倍频程声压级曲线变化趋势与实验测量的三分之一倍频程曲线变化趋势基本一致。分析发现实验测量的三分之一倍频程声压曲线在5k Hz左右的异常现象是由水筒自身的特性造成的。用DEMON处理方法分析了在低频段的实验值,得到了调制线谱,发现线谱频率符合理论预报公式,而且与数值计算的声压级线谱频率相吻合。由此验证了理论预报公式的准确性和数值计算平台的可靠性。最后,用建立的数值计算平台计算了一个典型工况下的对转桨非空泡噪声和单桨非空泡噪声,并做了定性和定量的分析。通过比较对转桨前后桨叶非定常脉动压力分布云图和经过声场计算后的桨叶表面脉动声压云图,发现二者在桨叶表面的分布区域基本相同,说明对转桨非空泡线谱噪声的主要声源项是桨叶表面的非定常脉动压力,这也验证了理论假设的正确性。在桨叶计算区域布置测量阵,得到了其声压级在径向和轴向方向的变化趋势:轴向方向,声压级随着距离的增加逐渐减小;径向方向,声压级随着距离的增加先增加后减小而后缓慢减小。在轴向平面内沿着周向布置测量阵,得到了对转桨声压级方向性,呈“8”字形分布,与理论分析相吻合。通过对低频段的线谱分析,发现计算得到的线谱频率符合理论预报公式。分析了数值计算声压级与时间的相关性,发现在其他参数不变的情形下,计算声压级随着时间的变化成正态分布,即与时间是无关的,验证了数值计算平台的稳健性。最后计算了单桨的非空泡噪声,通过比较发现,单桨的线谱比对转桨的线谱要少得多,最强线谱是一阶叶频。
【关键词】：广义声类比理论 对转桨 无空泡线谱预报 水动力性能曲线 FW-H 空泡水筒 DEMON
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 论文研究背景与意义13-14
• 1.2 螺旋桨性能的理论方法研究进展14-15
• 1.3 螺旋桨水动力性能的研究进展15-16
• 1.3.1 单桨螺旋桨水动力性能的研究进展15
• 1.3.2 对转桨水动力性能的研究进展15-16
• 1.4 螺旋桨的噪声理论研究进展16-17
• 1.4.1 单桨螺旋桨的噪声理论研究进展16-17
• 1.4.2 对转桨的噪声理论研究进展17
• 1.5 螺旋桨噪声实验研究进展17-18
• 1.5.1 单桨螺旋桨噪声实验研究进展17-18
• 1.5.2 对转桨噪声实验研究进展18
• 1.6 计算流体力学研究进展18
• 1.7 本论文的研究工作18-21
• 第二章 对转桨流致声学基本理论21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 声学基本方程21-23
• 2.2.1 流动介质声学基本方程21-22
• 2.2.2 古典声学基本方程22-23
• 2.3 声类比方程23-24
• 2.3.1 莱汀希尔声类比理论23
• 2.3.2 Lighthill-Curler方程23-24
• 2.3.3 Ffowcs Williams-Hawking方程24
• 2.4 流体动力声源以及其辐射特性24-26
• 2.4.1 单极子25
• 2.4.2 偶极子25
• 2.4.3 四极子25-26
• 2.5 描述流动噪声场的基本量26-27
• 2.5.1 声压级26
• 2.5.2 声功率以及声强26-27
• 2.5.3 噪声频谱级27
• 2.6 本章小结27-29
• 第三章 对转桨无空泡线谱噪声预报理论29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 基本理论29-31
• 3.2.1 广义格林函数公式29-30
• 3.2.2 考虑运动介质对流体发声的影响：广义Lighthill方程30-31
• 3.3 基于螺旋面理论的桨叶噪声辐射理论31-33
• 3.4 对转桨非空化线谱辐射噪声理论33-41
• 3.4.1 前后桨相互干涉引起的桨叶辐射噪声34-38
• 3.4.2 前后桨在谐波流场作用下所引起的桨叶辐射噪声38-39
• 3.4.3 参数说明39-41
• 3.4.4 对转桨非空化辐射噪声41
• 3.5 对转桨非空化线谱噪声表达式的分析41-42
• 3.6 对转桨非空化噪声辐射规律42-44
• 3.6.1 频率规律43
• 3.6.2 辐射噪声方向性43-44
• 3.7 本章小结44-47
• 第四章 对转桨水动力性能预报47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 计算流体力学基本理论47-49
• 4.2.1 控制方程47-48
• 4.2.2 湍流模型48-49
• 4.2.3 多重参考系模型和滑移网格模型49
• 4.2.4 离散方法以及离散格式49
• 4.3 几何模型的建立49-51
• 4.4 网格划分51-52
• 4.5 边界条件设置、离散格式和迭代算法52-53
• 4.6 湍流参数的近似计算域调整53
• 4.7 计算域旋转模型的确定53
• 4.8 对转桨水动力性能预报与分析53-56
• 4.8.1 对转桨定常水动力性能预报53-55
• 4.8.2 对转桨非定常水动力性能分析55-56
• 4.8.3 滑移模型（SM）与多重参考系模型（MRF）对计算的影响56
• 4.9 对转桨表面压力、湍流度、速度以及尾流分布56-62
• 4.9.1 对转桨表面压力分布56-58
• 4.9.2 对转桨表面湍流度分布58-59
• 4.9.3 对转桨桨盘面速度分布59-61
• 4.9.4 对转桨尾流分布61-62
• 4.10 单桨水动力性能预报与分析62-63
• 4.10.1 单桨水动力性能预报62
• 4.10.2 单桨桨叶表面压力、速度分布62-63
• 4.10.3 单桨尾部流线分布63
• 4.11 对转桨与单桨水动力性能的比较63-64
• 4.12 本章小结64-65
• 第五章 对转桨非空泡线谱噪声数值预报与实验对比65-84
• 5.1 引言65
• 5.2 螺旋桨流动声场数值模拟方法65-67
• 5.3 对转桨与单桨流动噪声数值模拟方法的实验验证67-77
• 5.3.1 实验模型67-68
• 5.3.2 实验方案以及实验内容68-70
• 5.3.3 数值计算结果与实验结果的比较70-75
• 5.3.4 实验值与数值计算结果的对比分析75-76
• 5.3.5 数值计算声压级的误差分析76-77
• 5.4 低频线谱实验值与理论预报公式的对比分析77-82
• 5.4.1 DEMON方法对实验数据进行谱分析的可行性77
• 5.4.2 DEMON谱分析理论77-78
• 5.4.3 对实验数据的DEMON分析78-80
• 5.4.4 数值计算处理结果与实验结果分析80-81
• 5.4.5 理论预报公式与实验结果和数值计算结果的对比分析81-82
• 5.5 本章小节82-84
• 第六章 对转桨无空泡辐射噪声特性84-108
• 6.1 引言84
• 6.2 计算参数的设置84
• 6.3 对转桨非定常流动机制84-86
• 6.4 前后桨叶面脉动压力与时间相关性分析86-88
• 6.5 对转桨非空泡线谱噪声特性分析88-103
• 6.5.1 脉动声压在桨叶面的分布云图88-89
• 6.5.2 典型测点的声压曲线以及频谱曲线89-94
• 6.5.3 声压级变化趋势94-96
• 6.5.4 轴向平面的方向性96-97
• 6.5.5 低频离散谱特性97-101
• 6.5.6 噪声与时间的相关特性101-103
• 6.6 单桨的噪声频谱特征103-105
• 6.6.1 典型测点的布置103-104
• 6.6.2 测点声压频谱104-105
• 6.6.3 典型测点的声功率谱105
• 6.7 对转桨非空泡线谱噪声特征与单桨非空泡线谱噪声的比较105-106
• 6.8 本章小结106-108
• 第七章 总结与展望108-114
• 7.1 全文研究总结108-110
• 7.2 本文的创新点110-111
• 7.3 不足之处111
• 7.4 未来工作的展望111-114
• 致谢114-116
• 参考文献116-122
• 附录122-124
• 攻读学位期间发表的论文124

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 苏玉民,黄胜;用面元法预报船舶螺旋桨的水动力性能[J];哈尔滨工程大学学报;2001年02期

2 杨晨俊,钱正芳,马骋;吊舱对螺旋桨水动力性能的影响[J];上海交通大学学报;2003年08期

3 朱锡清,吴武生;水下高速航行体对转螺旋桨线谱噪声预报研究[J];声学学报;1998年02期

4 张永坤;熊鹰;赵小龙;;螺旋桨无空泡噪声预报[J];噪声与振动控制;2008年01期

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本文编号：1078069