本文關(guān)鍵詞：對(duì)轉(zhuǎn)槳無(wú)空泡線譜噪聲數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：隨著水下航行器性能的改進(jìn)與航行深度的增加,作為推進(jìn)裝置的對(duì)轉(zhuǎn)槳往往在非空泡工況下工作。研究對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的機(jī)理及其特征對(duì)于水下目標(biāo)的識(shí)別具有重要的理論意義和工程價(jià)值。本文首先對(duì)目標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)槳的非空泡噪聲進(jìn)行理論分析和數(shù)值計(jì)算,然后利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值計(jì)算的可靠性。首先,從物理特性的角度分析了對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的發(fā)聲機(jī)制,即前后槳相互干涉效應(yīng)和諧波流場(chǎng)作用。用非定常力來(lái)描述這兩種機(jī)制對(duì)槳葉的作用,將該非定常力作為對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的主要輻射噪聲源,利用廣義聲類(lèi)比方程通過(guò)數(shù)理變形的方法推導(dǎo)得出了對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲表達(dá)式。通過(guò)對(duì)線譜輻射噪聲表達(dá)式的分析得到了對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡輻射噪聲的線譜預(yù)報(bào)表達(dá)式:0 1 2f?mf?nf?sf,(m,n,s?0,?1,?2????)。定義了線譜的方向性函數(shù)并做了數(shù)值分析,分析了前六階線譜的方向性。然后,建立了對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的數(shù)值預(yù)報(bào)平臺(tái)。采用解耦的方法將對(duì)轉(zhuǎn)槳的流場(chǎng)與聲場(chǎng)的相互耦合作用分開(kāi)考慮,首先對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡狀態(tài)下的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)模擬,然后在模擬的流場(chǎng)中辨識(shí)聲源項(xiàng)用于對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的數(shù)值計(jì)算。在對(duì)轉(zhuǎn)槳定常流場(chǎng)的模擬時(shí),通過(guò)對(duì)比幾種湍流模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值,選取最優(yōu)的湍流模型(RNG k-ε)進(jìn)行定常流場(chǎng)的計(jì)算,并針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)槳的定常流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析,得到了前后槳葉表面附近的誘導(dǎo)速度分布云圖、槳葉表面壓力分布云圖和流線軌跡圖。利用RNG k-ε湍流模型與滑移網(wǎng)格(Sliding mesh)相結(jié)合對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)槳的無(wú)空泡非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,將得到的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值比較,發(fā)現(xiàn)其精度比定常流場(chǎng)的模擬值要高。在確定了非定常流場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)入“準(zhǔn)周期”后,進(jìn)行流場(chǎng)中聲源項(xiàng)的辨識(shí),待辨識(shí)到足夠精度的聲源項(xiàng)后計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)槳在800Hz-10k Hz頻段的總聲壓級(jí)和三分之一倍頻程聲壓級(jí)。第三,在空泡水筒中對(duì)目標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。得到了800Hz-10k Hz頻段的校正到自由場(chǎng)的總聲壓級(jí)和三分之一倍頻程聲壓級(jí)。比較發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算總聲壓級(jí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的誤差在4%以內(nèi)。數(shù)值計(jì)算的三分之一倍頻程聲壓級(jí)曲線變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的三分之一倍頻程曲線變化趨勢(shì)基本一致。分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的三分之一倍頻程聲壓曲線在5k Hz左右的異�，F(xiàn)象是由水筒自身的特性造成的。用DEMON處理方法分析了在低頻段的實(shí)驗(yàn)值,得到了調(diào)制線譜,發(fā)現(xiàn)線譜頻率符合理論預(yù)報(bào)公式,而且與數(shù)值計(jì)算的聲壓級(jí)線譜頻率相吻合。由此驗(yàn)證了理論預(yù)報(bào)公式的準(zhǔn)確性和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的可靠性。最后,用建立的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)計(jì)算了一個(gè)典型工況下的對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡噪聲和單槳非空泡噪聲,并做了定性和定量的分析。通過(guò)比較對(duì)轉(zhuǎn)槳前后槳葉非定常脈動(dòng)壓力分布云圖和經(jīng)過(guò)聲場(chǎng)計(jì)算后的槳葉表面脈動(dòng)聲壓云圖,發(fā)現(xiàn)二者在槳葉表面的分布區(qū)域基本相同,說(shuō)明對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的主要聲源項(xiàng)是槳葉表面的非定常脈動(dòng)壓力,這也驗(yàn)證了理論假設(shè)的正確性。在槳葉計(jì)算區(qū)域布置測(cè)量陣,得到了其聲壓級(jí)在徑向和軸向方向的變化趨勢(shì):軸向方向,聲壓級(jí)隨著距離的增加逐漸減小;徑向方向,聲壓級(jí)隨著距離的增加先增加后減小而后緩慢減小。在軸向平面內(nèi)沿著周向布置測(cè)量陣,得到了對(duì)轉(zhuǎn)槳聲壓級(jí)方向性,呈“8”字形分布,與理論分析相吻合。通過(guò)對(duì)低頻段的線譜分析,發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的線譜頻率符合理論預(yù)報(bào)公式。分析了數(shù)值計(jì)算聲壓級(jí)與時(shí)間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情形下,計(jì)算聲壓級(jí)隨著時(shí)間的變化成正態(tài)分布,即與時(shí)間是無(wú)關(guān)的,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的穩(wěn)健性。最后計(jì)算了單槳的非空泡噪聲,通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),單槳的線譜比對(duì)轉(zhuǎn)槳的線譜要少得多,最強(qiáng)線譜是一階葉頻。
【關(guān)鍵詞】：廣義聲類(lèi)比理論 對(duì)轉(zhuǎn)槳 無(wú)空泡線譜預(yù)報(bào) 水動(dòng)力性能曲線 FW-H 空泡水筒 DEMON
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：U664.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-21
• 1.1 論文研究背景與意義13-14
• 1.2 螺旋槳性能的理論方法研究進(jìn)展14-15
• 1.3 螺旋槳水動(dòng)力性能的研究進(jìn)展15-16
• 1.3.1 單槳螺旋槳水動(dòng)力性能的研究進(jìn)展15
• 1.3.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳水動(dòng)力性能的研究進(jìn)展15-16
• 1.4 螺旋槳的噪聲理論研究進(jìn)展16-17
• 1.4.1 單槳螺旋槳的噪聲理論研究進(jìn)展16-17
• 1.4.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳的噪聲理論研究進(jìn)展17
• 1.5 螺旋槳噪聲實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展17-18
• 1.5.1 單槳螺旋槳噪聲實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展17-18
• 1.5.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展18
• 1.6 計(jì)算流體力學(xué)研究進(jìn)展18
• 1.7 本論文的研究工作18-21
• 第二章 對(duì)轉(zhuǎn)槳流致聲學(xué)基本理論21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 聲學(xué)基本方程21-23
• 2.2.1 流動(dòng)介質(zhì)聲學(xué)基本方程21-22
• 2.2.2 古典聲學(xué)基本方程22-23
• 2.3 聲類(lèi)比方程23-24
• 2.3.1 萊汀希爾聲類(lèi)比理論23
• 2.3.2 Lighthill-Curler方程23-24
• 2.3.3 Ffowcs Williams-Hawking方程24
• 2.4 流體動(dòng)力聲源以及其輻射特性24-26
• 2.4.1 單極子25
• 2.4.2 偶極子25
• 2.4.3 四極子25-26
• 2.5 描述流動(dòng)噪聲場(chǎng)的基本量26-27
• 2.5.1 聲壓級(jí)26
• 2.5.2 聲功率以及聲強(qiáng)26-27
• 2.5.3 噪聲頻譜級(jí)27
• 2.6 本章小結(jié)27-29
• 第三章 對(duì)轉(zhuǎn)槳無(wú)空泡線譜噪聲預(yù)報(bào)理論29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 基本理論29-31
• 3.2.1 廣義格林函數(shù)公式29-30
• 3.2.2 考慮運(yùn)動(dòng)介質(zhì)對(duì)流體發(fā)聲的影響：廣義Lighthill方程30-31
• 3.3 基于螺旋面理論的槳葉噪聲輻射理論31-33
• 3.4 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化線譜輻射噪聲理論33-41
• 3.4.1 前后槳相互干涉引起的槳葉輻射噪聲34-38
• 3.4.2 前后槳在諧波流場(chǎng)作用下所引起的槳葉輻射噪聲38-39
• 3.4.3 參數(shù)說(shuō)明39-41
• 3.4.4 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化輻射噪聲41
• 3.5 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化線譜噪聲表達(dá)式的分析41-42
• 3.6 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲輻射規(guī)律42-44
• 3.6.1 頻率規(guī)律43
• 3.6.2 輻射噪聲方向性43-44
• 3.7 本章小結(jié)44-47
• 第四章 對(duì)轉(zhuǎn)槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 計(jì)算流體力學(xué)基本理論47-49
• 4.2.1 控制方程47-48
• 4.2.2 湍流模型48-49
• 4.2.3 多重參考系模型和滑移網(wǎng)格模型49
• 4.2.4 離散方法以及離散格式49
• 4.3 幾何模型的建立49-51
• 4.4 網(wǎng)格劃分51-52
• 4.5 邊界條件設(shè)置、離散格式和迭代算法52-53
• 4.6 湍流參數(shù)的近似計(jì)算域調(diào)整53
• 4.7 計(jì)算域旋轉(zhuǎn)模型的確定53
• 4.8 對(duì)轉(zhuǎn)槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)與分析53-56
• 4.8.1 對(duì)轉(zhuǎn)槳定常水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)53-55
• 4.8.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳非定常水動(dòng)力性能分析55-56
• 4.8.3 滑移模型（SM）與多重參考系模型（MRF）對(duì)計(jì)算的影響56
• 4.9 對(duì)轉(zhuǎn)槳表面壓力、湍流度、速度以及尾流分布56-62
• 4.9.1 對(duì)轉(zhuǎn)槳表面壓力分布56-58
• 4.9.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳表面湍流度分布58-59
• 4.9.3 對(duì)轉(zhuǎn)槳槳盤(pán)面速度分布59-61
• 4.9.4 對(duì)轉(zhuǎn)槳尾流分布61-62
• 4.10 單槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)與分析62-63
• 4.10.1 單槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)62
• 4.10.2 單槳槳葉表面壓力、速度分布62-63
• 4.10.3 單槳尾部流線分布63
• 4.11 對(duì)轉(zhuǎn)槳與單槳水動(dòng)力性能的比較63-64
• 4.12 本章小結(jié)64-65
• 第五章 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比65-84
• 5.1 引言65
• 5.2 螺旋槳流動(dòng)聲場(chǎng)數(shù)值模擬方法65-67
• 5.3 對(duì)轉(zhuǎn)槳與單槳流動(dòng)噪聲數(shù)值模擬方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證67-77
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>67-68
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容68-70
• 5.3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較70-75
• 5.3.4 實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析75-76
• 5.3.5 數(shù)值計(jì)算聲壓級(jí)的誤差分析76-77
• 5.4 低頻線譜實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)報(bào)公式的對(duì)比分析77-82
• 5.4.1 DEMON方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的可行性77
• 5.4.2 DEMON譜分析理論77-78
• 5.4.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的DEMON分析78-80
• 5.4.4 數(shù)值計(jì)算處理結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析80-81
• 5.4.5 理論預(yù)報(bào)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析81-82
• 5.5 本章小節(jié)82-84
• 第六章 對(duì)轉(zhuǎn)槳無(wú)空泡輻射噪聲特性84-108
• 6.1 引言84
• 6.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置84
• 6.3 對(duì)轉(zhuǎn)槳非定常流動(dòng)機(jī)制84-86
• 6.4 前后槳葉面脈動(dòng)壓力與時(shí)間相關(guān)性分析86-88
• 6.5 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲特性分析88-103
• 6.5.1 脈動(dòng)聲壓在槳葉面的分布云圖88-89
• 6.5.2 典型測(cè)點(diǎn)的聲壓曲線以及頻譜曲線89-94
• 6.5.3 聲壓級(jí)變化趨勢(shì)94-96
• 6.5.4 軸向平面的方向性96-97
• 6.5.5 低頻離散譜特性97-101
• 6.5.6 噪聲與時(shí)間的相關(guān)特性101-103
• 6.6 單槳的噪聲頻譜特征103-105
• 6.6.1 典型測(cè)點(diǎn)的布置103-104
• 6.6.2 測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜104-105
• 6.6.3 典型測(cè)點(diǎn)的聲功率譜105
• 6.7 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲特征與單槳非空泡線譜噪聲的比較105-106
• 6.8 本章小結(jié)106-108
• 第七章 總結(jié)與展望108-114
• 7.1 全文研究總結(jié)108-110
• 7.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)110-111
• 7.3 不足之處111
• 7.4 未來(lái)工作的展望111-114
• 致謝114-116
• 參考文獻(xiàn)116-122
• 附錄122-124
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文124

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

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2 楊晨俊,錢(qián)正芳,馬騁;吊艙對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2003年08期

3 朱錫清,吳武生;水下高速航行體對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳線譜噪聲預(yù)報(bào)研究[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);1998年02期

4 張永坤;熊鷹;趙小龍;;螺旋槳無(wú)空泡噪聲預(yù)報(bào)[J];噪聲與振動(dòng)控制;2008年01期

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本文編號(hào)：1078069