發(fā)布時間：2017-10-22 11:07

  本文關(guān)鍵詞：對轉(zhuǎn)槳無空泡線譜噪聲數(shù)值模擬與實驗研究

  更多相關(guān)文章： 廣義聲類比理論 對轉(zhuǎn)槳 無空泡線譜預報 水動力性能曲線 FW-H 空泡水筒 DEMON

【摘要】：隨著水下航行器性能的改進與航行深度的增加,作為推進裝置的對轉(zhuǎn)槳往往在非空泡工況下工作。研究對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的機理及其特征對于水下目標的識別具有重要的理論意義和工程價值。本文首先對目標對轉(zhuǎn)槳的非空泡噪聲進行理論分析和數(shù)值計算,然后利用實驗測量驗證了理論分析和數(shù)值計算的可靠性。首先,從物理特性的角度分析了對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的發(fā)聲機制,即前后槳相互干涉效應和諧波流場作用。用非定常力來描述這兩種機制對槳葉的作用,將該非定常力作為對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的主要輻射噪聲源,利用廣義聲類比方程通過數(shù)理變形的方法推導得出了對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲表達式。通過對線譜輻射噪聲表達式的分析得到了對轉(zhuǎn)槳非空泡輻射噪聲的線譜預報表達式: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,建立了對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的數(shù)值預報平臺。采用解耦的方法將對轉(zhuǎn)槳的流場與聲場的相互耦合作用分開考慮,首先對對轉(zhuǎn)槳非空泡狀態(tài)下的非定常流場進行了精細模擬,然后在模擬的流場中辨識聲源項用于對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的數(shù)值計算。在對轉(zhuǎn)槳定常流場的模擬時,通過對比幾種湍流模型的計算值與實驗值,選取最優(yōu)的湍流模型(RNG k-ε)進行定常流場的計算,并針對對轉(zhuǎn)槳的定常流場特性進行了分析,得到了前后槳葉表面附近的誘導速度分布云圖、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)合對對轉(zhuǎn)槳的無空泡非定常流場進行了數(shù)值模擬,將得到的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)與實驗值比較,發(fā)現(xiàn)其精度比定常流場的模擬值要高。在確定了非定常流場的計算進入“準周期”后,進行流場中聲源項的辨識,待辨識到足夠精度的聲源項后計算對轉(zhuǎn)槳在800Hz-10k Hz頻段的總聲壓級和三分之一倍頻程聲壓級。第三,在空泡水筒中對目標對轉(zhuǎn)槳非空泡噪聲進行了實驗研究。得到了800Hz-10k Hz頻段的校正到自由場的總聲壓級和三分之一倍頻程聲壓級。比較發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算總聲壓級與實驗測量的誤差在4%以內(nèi)。數(shù)值計算的三分之一倍頻程聲壓級曲線變化趨勢與實驗測量的三分之一倍頻程曲線變化趨勢基本一致。分析發(fā)現(xiàn)實驗測量的三分之一倍頻程聲壓曲線在5k Hz左右的異常現(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驗值,得到了調(diào)制線譜,發(fā)現(xiàn)線譜頻率符合理論預報公式,而且與數(shù)值計算的聲壓級線譜頻率相吻合。由此驗證了理論預報公式的準確性和數(shù)值計算平臺的可靠性。最后,用建立的數(shù)值計算平臺計算了一個典型工況下的對轉(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。通過比較對轉(zhuǎn)槳前后槳葉非定常脈動壓力分布云圖和經(jīng)過聲場計算后的槳葉表面脈動聲壓云圖,發(fā)現(xiàn)二者在槳葉表面的分布區(qū)域基本相同,說明對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲的主要聲源項是槳葉表面的非定常脈動壓力,這也驗證了理論假設(shè)的正確性。在槳葉計算區(qū)域布置測量陣,得到了其聲壓級在徑向和軸向方向的變化趨勢:軸向方向,聲壓級隨著距離的增加逐漸減小;徑向方向,聲壓級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)沿著周向布置測量陣,得到了對轉(zhuǎn)槳聲壓級方向性,呈“8”字形分布,與理論分析相吻合。通過對低頻段的線譜分析,發(fā)現(xiàn)計算得到的線譜頻率符合理論預報公式。分析了數(shù)值計算聲壓級與時間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情形下,計算聲壓級隨著時間的變化成正態(tài)分布,即與時間是無關(guān)的,驗證了數(shù)值計算平臺的穩(wěn)健性。最后計算了單槳的非空泡噪聲,通過比較發(fā)現(xiàn),單槳的線譜比對轉(zhuǎn)槳的線譜要少得多,最強線譜是一階葉頻。
【關(guān)鍵詞】：廣義聲類比理論 對轉(zhuǎn)槳 無空泡線譜預報 水動力性能曲線 FW-H 空泡水筒 DEMON
【學位授予單位】：中國艦船研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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展14-15
• 1.3 螺旋槳水動力性能的研究進展15-16
• 1.3.1 單槳螺旋槳水動力性能的研究進展15
• 1.3.2 對轉(zhuǎn)槳水動力性能的研究進展15-16
• 1.4 螺旋槳的噪聲理論研究進展16-17
• 1.4.1 單槳螺旋槳的噪聲理論研究進展16-17
• 1.4.2 對轉(zhuǎn)槳的噪聲理論研究進展17
• 1.5 螺旋槳噪聲實驗研究進展17-18
• 1.5.1 單槳螺旋槳噪聲實驗研究進展17-18
• 1.5.2 對轉(zhuǎn)槳噪聲實驗研究進展18
• 1.6 計算流體力學研究進展18
• 1.7 本論文的研究工作18-21
• 第二章 對轉(zhuǎn)槳流致聲學基本理論21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 聲學基本方程21-23
• 2.2.1 流動介質(zhì)聲學基本方程21-22
• 2.2.2 古典聲學基本方程22-23
• 2.3 聲類比方程23-24
• 2.3.1 萊汀希爾聲類比理論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 描述流動噪聲場的基本量26-27
• 2.5.1 聲壓級26
• 2.5.2 聲功率以及聲強26-27
• 2.5.3 噪聲頻譜級27
• 2.6 本章小結(jié)27-29
• 第三章 對轉(zhuǎn)槳無空泡線譜噪聲預報理論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 考慮運動介質(zhì)對流體發(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 前后槳在諧波流場作用下所引起的槳葉輻射噪聲38-39
• 3.4.3 參數(shù)說明39-41
• 3.4.4 對轉(zhuǎn)槳非空化輻射噪聲41
• 3.5 對轉(zhuǎn)槳非空化線譜噪聲表達式的分析41-42
• 3.6 對轉(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 對轉(zhuǎn)槳水動力性能預報47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 計算流體力學基本理論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)的近似計算域調(diào)整53
• 4.7 計算域旋轉(zhuǎn)模型的確定53
• 4.8 對轉(zhuǎn)槳水動力性能預報與分析53-56
• 4.8.1 對轉(zhuǎn)槳定常水動力性能預報53-55
• 4.8.2 對轉(zhuǎn)槳非定常水動力性能分析55-56
• 4.8.3 滑移模型（SM）與多重參考系模型（MRF）對計算的影響56
• 4.9 對轉(zhuǎn)槳表面壓力、湍流度、速度以及尾流分布56-62
• 4.9.1 對轉(zhuǎn)槳表面壓力分布56-58
• 4.9.2 對轉(zhuǎn)槳表面湍流度分布58-59
• 4.9.3 對轉(zhuǎn)槳槳盤面速度分布59-61
• 4.9.4 對轉(zhuǎn)槳尾流分布61-62
• 4.10 單槳水動力性能預報與分析62-63
• 4.10.1 單槳水動力性能預報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 對轉(zhuǎn)槳與單槳水動力性能的比較63-64
• 4.12 本章小結(jié)64-65
• 第五章 對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲數(shù)值預報與實驗對比65-84
• 5.1 引言65
• 5.2 螺旋槳流動聲場數(shù)值模擬方法65-67
• 5.3 對轉(zhuǎn)槳與單槳流動噪聲數(shù)值模擬方法的實驗驗證67-77
• 5.3.1 實驗模型67-68
• 5.3.2 實驗方案以及實驗內(nèi)容68-70
• 5.3.3 數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較70-75
• 5.3.4 實驗值與數(shù)值計算結(jié)果的對比分析75-76
• 5.3.5 數(shù)值計算聲壓級的誤差分析76-77
• 5.4 低頻線譜實驗值與理論預報公式的對比分析77-82
• 5.4.1 DEMON方法對實驗數(shù)據(jù)進行譜分析的可行性77
• 5.4.2 DEMON譜分析理論77-78
• 5.4.3 對實驗數(shù)據(jù)的DEMON分析78-80
• 5.4.4 數(shù)值計算處理結(jié)果與實驗結(jié)果分析80-81
• 5.4.5 理論預報公式與實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果的對比分析81-82
• 5.5 本章小節(jié)82-84
• 第六章 對轉(zhuǎn)槳無空泡輻射噪聲特性84-108
• 6.1 引言84
• 6.2 計算參數(shù)的設(shè)置84
• 6.3 對轉(zhuǎn)槳非定常流動機制84-86
• 6.4 前后槳葉面脈動壓力與時間相關(guān)性分析86-88
• 6.5 對轉(zhuǎn)槳非空泡線譜噪聲特性分析88-103
• 6.5.1 脈動聲壓在槳葉面的分布云圖88-89
• 6.5.2 典型測點的聲壓曲線以及頻譜曲線89-94
• 6.5.3 聲壓級變化趨勢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 典型測點的布置103-104
• 6.6.2 測點聲壓頻譜104-105
• 6.6.3 典型測點的聲功率譜105
• 6.7 對轉(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110-111
• 7.3 不足之處111
• 7.4 未來工作的展望111-114
• 致謝114-116
• 參考文獻116-122
• 附錄122-124
• 攻讀學位期間發(fā)表的論文124

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 蘇玉民,黃勝;用面元法預報船舶螺旋槳的水動力性能[J];哈爾濱工程大學學報;2001年02期

2 楊晨俊,錢正芳,馬騁;吊艙對螺旋槳水動力性能的影響[J];上海交通大學學報;2003年08期

3 朱錫清,吳武生;水下高速航行體對轉(zhuǎn)螺旋槳線譜噪聲預報研究[J];聲學學報;1998年02期

4 張永坤;熊鷹;趙小龍;;螺旋槳無空泡噪聲預報[J];噪聲與振動控制;2008年01期

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本文編號：1078069