含液面的多边界约束下潜浮圆柱壳声振模型研究及性能分析

发布时间：2020-09-22 20:53

　　圆柱壳-流场耦合系统声振问题的研究多考虑流场是无限域,而在实际的工程问题中,往往包含自由液面这类经典的声学边界,而且该边界对耦合系统的声振性能存在一定的影响。目前国内外关于这类问题的研究主要还是采用有限元和边界元等数值解法,且缺乏对含自由液面声边界约束的圆柱壳-流场耦合声振性能的理论分析与机理研究,尤其是其中流场与圆柱壳部分耦合问题以及组合边界下圆柱壳声固耦合问题更是缺乏合适的理论研究方法。针对这些问题,本文提出了一套关于这类声振问题的解析或半解析求解方法,并分别基于半无限域和限制域、潜态和浮态、外流场和内流场等工况,开展了圆柱壳声振问题的理论研究。首先,本文建立了圆柱壳-流场部分耦合问题的二维声振模型(圆柱壳轴线与水面平行),并提出了一种崭新的理论求解方法,其核心思想就是将声压函数和壳体位移函数分别建立在两套不同的坐标系下,然后再利用Galerkin法处理结构与声场部分声固耦合的界面上的速度连续条件。最终结果对比表明该方法精度很高且具有很广的适用范围,也为后文浮态以及码头系泊状态等相关问题的求解提供了关键技术与理论依据。然后,本文建立了组合边界下圆柱壳的二维声振模型,其中组合声边界包含自由液面以及与其垂直的刚性壁面。通过采用虚源法并引入三个虚源来消去边界约束,再利用Graf加法定理将三个虚源坐标系迁移到实源坐标系下即可对控制方程进行理论求解。与有限元软件Comsol仿真计算结果对比验证了方法的准确性,也为后文更为复杂的边界组合形式奠定了理论求解的基础。接下来对有限浸没深度下(潜态)有限长圆柱壳开展了振动及远场声辐射研究。为了在保证计算精度的同时提高计算效率,本文采用了两套物理模型且分两步进行求解。第一步先采用声障板模型计算圆柱壳振动响应;第二步再采用声障柱模型并结合稳相法计算远场辐射声压。与有限元方法及边界元方法计算结果对比验证了本文方法的准确性,并且本文方法计算效率远高于有限元和边界元等数值方法。此外,本文还分析了自由液面对固有频率、模态振型、远场声压指向性及波动性的影响规律,探讨了自由液面带来的互散射效应,并给出了计算倾斜圆柱壳远场声辐射的近似方法。进而,本文通过采用两套物理模型的求解思路,再结合部分耦合问题的关键求解技术进一步研究了浮态下有限长圆柱壳振动与远场声辐射特性。与有限元方法及边界元方法计算结果对比验证了本文方法的准确性。在此基础之上,本文进一步开展了部分充液以及内、外均与流场部分耦合工况下的自振特性研究。最后,本文结合组合边界的处理方法以及部分耦合问题的关键求解技术研究了码头系泊状态下有限长圆柱壳声振特性。此外,本文还分析了码头系泊工况下圆柱壳内部充液对自振特性的影响,以及不同类型海底吸声边界对自振特性的影响。论文由浅入深、由易到难地给出了多类工况下流场与圆柱壳耦合声振问题的理论求解方法,突破了圆柱壳-流场部分耦合以及多边界组合约束两大技术难点,并且系统地开展了不同工况下圆柱壳声振性能研究,丰富了圆柱壳-流场耦合声振问题的理论体系,未来有望实现基于声边界约束下圆柱壳声振数据的大潜深环境快速声学预报。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.44
【部分图文】：

坐标图,物理模型,自由液面,壳体

华中科技大学博士学位论文度为 ρs，部分浸没于密度为 ρf，声速为 cf的流体中，壳2.1 所示，以壳体圆心 O 为坐标原点的极坐标系(r, φ)为到，以 y 轴与自由液面的交点 Q 为原点的极坐标系(围为 0 到，定义 Q 点的 y 轴坐标值的相反数为特征深/Rs，当自由液面在壳体圆心上方时，H 取值为正（位于上任一点的夹角定义为。当自由液面在壳体圆心上取值为负值（ 2 ）。径向激励力幅值为 F0，激

充液,坐标图,物理模型,超越方程

华中科技大学博士学位论文数矩阵的行列式值。 Vp Tp 中均含有角频率，实际上矩阵的行列式值的超越方程，难以直接解出。因此本文采用搜根的方根步长，逐步增大输入的角频率，当行列式值等于零频率即为系统的固有角频率。由此可以将超越方程的再根据 f ，可以得到各阶固有频率。况柱壳模型（如图所示）与部分浸没工况是相近的，致，模型最大的区别在于部分浸没问题是外流场而部时 H 定义为充液特征高度。

有限元模型,权函数,浸没深度,取位

图 2.4 部分浸没有限元模型表 2.1 不同浸没深度下首阶固有频率对比 (Hz)H/Rs本文结果之一(取位移权函数求解)本文结果之二(取声压权函数求解)FEM(Comsol)-0.8 15.06 15.07 15.16-0.7 14.33 14.51 14.45-0.6 13.24 13.31 13.33-0.5 12.65 12.67 12.72-0.4 12.36 12.36 12.43-0.3 12.24 12.24 12.31-0.2 12.19 12.19 12.26-0.1 11.44 11.45 11.51

【参考文献】