【摘要】：在許多海洋工程應(yīng)用中,流固耦合效應(yīng)對水下聲產(chǎn)生和傳播有重要影響,譬如潛艇螺旋槳流噪聲、艇身消聲覆蓋層聲散射、海底沉積物聲散射等。特別是在新型水下聲隱身和聲探測技術(shù)應(yīng)用的背景下,如何認識流體、固體及聲場的耦合機理顯得更為重要,同時也對相關(guān)數(shù)值建模方法提出了更高的要求。考慮到問題本身的復(fù)雜性,傳統(tǒng)數(shù)值方法在處理該類問題時存在一定限制,相比而言,格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)由于具有高效處理動邊界且數(shù)值彌散和耗散低的特點,在水下聲場計算中有巨大潛力。鑒于此,本文以潛艇相關(guān)的聲散射和流噪聲問題為應(yīng)用背景,利用LBM這一先進工具,開展針對水下流—固—聲耦合問題的數(shù)值建模方法研究,主要研究工作如下:1.針對存在動邊界的流固耦合問題,提出一種基于力修正的浸沒邊界—格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM)。該方法對流場采用LBM求解,對于流體和固體的z1合采用浸沒邊界方法(immersed boundary method,IBM)處理。通過引入一個力修正系數(shù),使本文模型相比于基于傳統(tǒng)的直接力法可更精確地滿足邊界無滑移條件。與此同時,本文方法為顯式格式,相比于隱式浸沒邊界法可節(jié)約大量計算量,因此該方法兼得了隱式方法精確度高和顯式方法計算量低的優(yōu)點。在數(shù)值試驗中,計算了從簡單的靜止邊界,到更為復(fù)雜的運動邊界和變形邊界的流固耦合問題,并通過與傳統(tǒng)浸沒邊界方法對比驗證了本文方法的精確性和計算效率。2.針對存在大變形固體的流固耦合問題,提出一種IB-LBM和光滑點插值法(smoothed point interpolation method,S-PIM)的耦合模型。由于采用梯度光滑技術(shù),S-PIM相比于傳統(tǒng)有限元法可以更精確地處理存在大變形的固體。同時,提出基于時間平均技術(shù)的耦合模式,顯著提高了方法的魯棒性。在數(shù)值實驗中,計算了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的大變形流固耦合問題,并通過與傳統(tǒng)浸沒邊界方法及有限元法的對比,驗證了本文方法有更好的精確度,穩(wěn)定性和計算效率。3.基于本文IB-LBM,開展以流固耦合為背景的聲散射計算模型研究。該計算模型采用直接模擬方法對流場求解,聲場作為流場信息的一部分獲得。相比于傳統(tǒng)方法,本文模型能夠刻畫流體固體的耦合效應(yīng)對散射聲場的影響。針對靜止曲邊界,運動曲邊界聲散射問題,將本文方法與傳統(tǒng)IB-LBM對比,驗證本文方法具更高的精確度和計算效率。在此基礎(chǔ)上,計算了彈性體聲散射問題,討論固體彈性對散射聲場的影響。與此同時,通過本文方法準確地捕捉到運動顆粒的多普勒效應(yīng),進一步驗證模型對以流固耦合為背景的聲散射問題有效性。4.基于本文IB-LBM,開展以流固耦合為背景的流噪聲計算模型研究。該計算模型對近場聲場進行直接模擬,有效地刻畫了流體和固體的耦合效應(yīng),同時通過基于GPU的并行計算模式,顯著提高了流體計算效率(相比于串行CPU計算模式,加速比達100倍以上);最后,通過基于KFWH方程的聲比擬方法,實現(xiàn)對遠場聲壓的預(yù)報。基于上述模型,本文針對旋轉(zhuǎn)橢圓柱聲輻射和點聲源傳播問題進行數(shù)值模擬,初步驗證直接模擬和混合模擬的有效性。在此基礎(chǔ)上,計算了三維彈性旋轉(zhuǎn)體流噪聲輻射問題,討論了固體彈性對聲壓頻譜,指向性和遠場衰減的影響,進一步驗證了本文模型對以流固耦合為背景的流噪聲輻射問題的有效性。
【圖文】：

⑻邐（ｂ）逡逑圖１．１邋（ａ）德國２１２Ａ潛艇復(fù)合材料螺旋槳Ｍ邋；邋（ｂ）復(fù)合材料螺旋槳變形Ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邐（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邐（ｂ）逡逑圖１．２邋（ａ）潛艇表面敷設(shè)的消聲瓦［６］；邋（ｂ）消聲瓦的工作原理圖［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邐（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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑本文關(guān)注的是水下流一固一聲耦合問題，對復(fù)雜的流固耦合效應(yīng)的高效處理，是聲逡逑場精確計算的前提，同時還需要考慮水下特殊的微可壓環(huán)境。本文中流固耦合的復(fù)雜性逡逑主要體現(xiàn)在，固體具有復(fù)雜幾何形狀、運動狀態(tài)、并會產(chǎn)生形變，因此要求數(shù)值方法能逡逑夠高效捕捉流固邊界，并且能夠描述固體的變形。與此同時，７］Ｃ下環(huán)境里聲傳播介質(zhì)具逡逑有微可壓的特點，聲壓在量級上遠小于流場壓力，二者的幅值一般相差兩個數(shù)量級以上，逡逑因此要求流體計算方法具有精度高和低彌散、低耗散特點否則難以捕捉微小的壓力擾逡逑動。最后，由于涉及三維流場和揣流計算，需要方法能夠應(yīng)對大規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量帶來的計逡逑算量問題。在實際工程中，人們往往關(guān)心的是遠場聲場，因此除了對聲源產(chǎn)生區(qū)域的計逡逑算之外

⑷邐（ｂ）逡逑圖１．２邋（ａ）潛艇表面敷設(shè)的消聲瓦［６］；邋（ｂ）消聲瓦的工作原理圖［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邐（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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑本文關(guān)注的是水下流一固一聲耦合問題，對復(fù)雜的流固耦合效應(yīng)的高效處理，是聲逡逑場精確計算的前提，同時還需要考慮水下特殊的微可壓環(huán)境。本文中流固耦合的復(fù)雜性逡逑主要體現(xiàn)在，固體具有復(fù)雜幾何形狀、運動狀態(tài)、并會產(chǎn)生形變，因此要求數(shù)值方法能逡逑夠高效捕捉流固邊界，并且能夠描述固體的變形。與此同時，，７］Ｃ下環(huán)境里聲傳播介質(zhì)具逡逑有微可壓的特點，聲壓在量級上遠小于流場壓力，二者的幅值一般相差兩個數(shù)量級以上，逡逑因此要求流體計算方法具有精度高和低彌散、低耗散特點否則難以捕捉微小的壓力擾逡逑動。最后，由于涉及三維流場和揣流計算，需要方法能夠應(yīng)對大規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量帶來的計逡逑算量問題。在實際工程中，人們往往關(guān)心的是遠場聲場，因此除了對聲源產(chǎn)生區(qū)域的計逡逑算之外
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75

【參考文獻】

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本文編號：2645049