基于格子Boltzmann方法水下流—固—声耦合问题的数值建模方法研究

发布时间：2020-04-29 22:05

【摘要】：在许多海洋工程应用中,流固耦合效应对水下声产生和传播有重要影响,譬如潜艇螺旋桨流噪声、艇身消声覆盖层声散射、海底沉积物声散射等。特别是在新型水下声隐身和声探测技术应用的背景下,如何认识流体、固体及声场的耦合机理显得更为重要,同时也对相关数值建模方法提出了更高的要求。考虑到问题本身的复杂性,传统数值方法在处理该类问题时存在一定限制,相比而言,格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)由于具有高效处理动边界且数值弥散和耗散低的特点,在水下声场计算中有巨大潜力。鉴于此,本文以潜艇相关的声散射和流噪声问题为应用背景,利用LBM这一先进工具,开展针对水下流—固—声耦合问题的数值建模方法研究,主要研究工作如下:1.针对存在动边界的流固耦合问题,提出一种基于力修正的浸没边界—格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM)。该方法对流场采用LBM求解,对于流体和固体的z1合采用浸没边界方法(immersed boundary method,IBM)处理。通过引入一个力修正系数,使本文模型相比于基于传统的直接力法可更精确地满足边界无滑移条件。与此同时,本文方法为显式格式,相比于隐式浸没边界法可节约大量计算量,因此该方法兼得了隐式方法精确度高和显式方法计算量低的优点。在数值试验中,计算了从简单的静止边界,到更为复杂的运动边界和变形边界的流固耦合问题,并通过与传统浸没边界方法对比验证了本文方法的精确性和计算效率。2.针对存在大变形固体的流固耦合问题,提出一种IB-LBM和光滑点插值法(smoothed point interpolation method,S-PIM)的耦合模型。由于采用梯度光滑技术,S-PIM相比于传统有限元法可以更精确地处理存在大变形的固体。同时,提出基于时间平均技术的耦合模式,显著提高了方法的鲁棒性。在数值实验中,计算了稳态和非稳态的大变形流固耦合问题,并通过与传统浸没边界方法及有限元法的对比,验证了本文方法有更好的精确度,稳定性和计算效率。3.基于本文IB-LBM,开展以流固耦合为背景的声散射计算模型研究。该计算模型采用直接模拟方法对流场求解,声场作为流场信息的一部分获得。相比于传统方法,本文模型能够刻画流体固体的耦合效应对散射声场的影响。针对静止曲边界,运动曲边界声散射问题,将本文方法与传统IB-LBM对比,验证本文方法具更高的精确度和计算效率。在此基础上,计算了弹性体声散射问题,讨论固体弹性对散射声场的影响。与此同时,通过本文方法准确地捕捉到运动颗粒的多普勒效应,进一步验证模型对以流固耦合为背景的声散射问题有效性。4.基于本文IB-LBM,开展以流固耦合为背景的流噪声计算模型研究。该计算模型对近场声场进行直接模拟,有效地刻画了流体和固体的耦合效应,同时通过基于GPU的并行计算模式,显著提高了流体计算效率(相比于串行CPU计算模式,加速比达100倍以上);最后,通过基于KFWH方程的声比拟方法,实现对远场声压的预报。基于上述模型,本文针对旋转椭圆柱声辐射和点声源传播问题进行数值模拟,初步验证直接模拟和混合模拟的有效性。在此基础上,计算了三维弹性旋转体流噪声辐射问题,讨论了固体弹性对声压频谱,指向性和远场衰减的影响,进一步验证了本文模型对以流固耦合为背景的流噪声辐射问题的有效性。
【图文】：

几何形状,消声瓦,潜艇,工作原理图

⑻逦（ｂ）逡逑图１．１邋（ａ）德国２１２Ａ潜艇复合材料螺旋桨Ｍ邋；邋（ｂ）复合材料螺旋桨变形Ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１逦（ａ）邋Ｇｅｒｍａｎｙ邋２１２Ａ邋ｓｕｂｍａｒｉｎｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；邋（ｂ）邋Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ逡逑ｍａｒｉｎｅ邋ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ逡逑入射７３逡逑⑷逦（ｂ）逡逑图１．２邋（ａ）潜艇表面敷设的消声瓦［６］；邋（ｂ）消声瓦的工作原理图［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２逦（ａ）邋Ａｃｏｕｓｔｉｃ邋ｔｉｌｅ邋ｐｌａｃｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｂｍａｒｉｎｅ；邋（ｂ）邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ逡逑ａｎｅｃｈｏｉｃ邋ｔｉｌｅ逡逑１．２国内外研究现状逡逑本文关注的是水下流一固一声耦合问题，对复杂的流固耦合效应的高效处理，是声逡逑场精确计算的前提，同时还需要考虑水下特殊的微可压环境。本文中流固耦合的复杂性逡逑主要体现在，固体具有复杂几何形状、运动状态、并会产生形变，因此要求数值方法能逡逑够高效捕捉流固边界，并且能够描述固体的变形。与此同时，７］Ｃ下环境里声传播介质具逡逑有微可压的特点，声压在量级上远小于流场压力，二者的幅值一般相差两个数量级以上，逡逑因此要求流体计算方法具有精度高和低弥散、低耗散特点否则难以捕捉微小的压力扰逡逑动。最后，由于涉及三维流场和揣流计算，需要方法能够应对大规模网格数量带来的计逡逑算量问题。在实际工程中，人们往往关心的是远场声场，因此除了对声源产生区域的计逡逑算之外

螺旋桨图,螺旋桨,复合材料,潜艇

⑷逦（ｂ）逡逑图１．２邋（ａ）潜艇表面敷设的消声瓦［６］；邋（ｂ）消声瓦的工作原理图［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２逦（ａ）邋Ａｃｏｕｓｔｉｃ邋ｔｉｌｅ邋ｐｌａｃｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｂｍａｒｉｎｅ；邋（ｂ）邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ逡逑ａｎｅｃｈｏｉｃ邋ｔｉｌｅ逡逑１．２国内外研究现状逡逑本文关注的是水下流一固一声耦合问题，对复杂的流固耦合效应的高效处理，是声逡逑场精确计算的前提，同时还需要考虑水下特殊的微可压环境。本文中流固耦合的复杂性逡逑主要体现在，固体具有复杂几何形状、运动状态、并会产生形变，因此要求数值方法能逡逑够高效捕捉流固边界，并且能够描述固体的变形。与此同时，，７］Ｃ下环境里声传播介质具逡逑有微可压的特点，声压在量级上远小于流场压力，二者的幅值一般相差两个数量级以上，逡逑因此要求流体计算方法具有精度高和低弥散、低耗散特点否则难以捕捉微小的压力扰逡逑动。最后，由于涉及三维流场和揣流计算，需要方法能够应对大规模网格数量带来的计逡逑算量问题。在实际工程中，人们往往关心的是远场声场，因此除了对声源产生区域的计逡逑算之外
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75

【参考文献】