三維剛性壁面空腔流動機(jī)制與水動噪聲研究.pdf

1、三維剛性壁面空腔結(jié)構(gòu)作為水下航行器表面的一種常見結(jié)構(gòu),其產(chǎn)生的水動噪聲及輻射噪聲近年來廣受關(guān)注。從海洋探測角度來講,水下航行器空腔水動噪聲不僅影響其上搭載的聲學(xué)設(shè)備的探測精度,而且提高了其自身的噪聲,大大降低了水下航行器的安全性。從海洋環(huán)境角度來講,水下航行器空腔水動噪聲造成了海洋的噪聲污染,給海洋生物帶來一定的危害。
　　然而,水通常作為一種高度不可壓縮的流體介質(zhì),馬赫數(shù)較小,聲轉(zhuǎn)換率較低,聲場與結(jié)構(gòu)之間耦合作用較強(qiáng),給空腔水動

2、噪聲的預(yù)測帶來很大困難。因此,空腔水動噪聲的研究非常必要,也為水下航行器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。
　　本文采用大渦數(shù)值模擬(LES)-Lighthill等效聲源混合法對三維剛性壁面空腔水動噪聲進(jìn)行研究,并采用水洞試驗(yàn)對該方法的可行性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證?；谠摲椒?對空腔非定常流動機(jī)制及水動噪聲特性進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)空腔水動噪聲特性進(jìn)行了深入的分析,對不確定環(huán)境參數(shù)空腔水動噪聲特性進(jìn)行了具體的研究,從而為水下航行器空腔水動

3、噪聲的預(yù)測提供了理論依據(jù),也為水下航行器低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論參考。本文的主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)為:
　　1.借鑒計算氣動聲學(xué)理論與研究方法,將大渦數(shù)值模擬(LES)-Lighthill等效聲源法從二維空腔水動噪聲的計算推廣到三維剛性壁面空腔水動噪聲的研究中,豐富了空腔水動噪聲的分析與計算手段。通過水洞試驗(yàn),分別從流場及聲場角度,驗(yàn)證了LES-Lighthill等效聲源法預(yù)測三維剛性壁面空腔水動噪聲的可行性與可靠性。
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4、.基于 LES-Lighthill等效聲源法,針對典型方形空腔結(jié)構(gòu),分別從渦的結(jié)構(gòu)與分布、脈動壓力與時間相關(guān)性、脈動壓力與頻率相關(guān)性等角度分析了三維空腔非定常流動機(jī)制。從聲源強(qiáng)度、近場聲壓強(qiáng)度、遠(yuǎn)場輻射噪聲以及近場遠(yuǎn)場傳播指向性等方面,分析了三維空腔水動噪聲及輻射機(jī)理。
　　3.從時間角度,通過對空腔水動噪聲與流動時間的關(guān)系考察,發(fā)現(xiàn)空腔水動噪聲隨流動時間的變化服從正態(tài)分布。從空間角度,通過對三維空腔流場結(jié)構(gòu)及聲場特性的分析,闡明

5、了空腔水動噪聲與渦流運(yùn)動的相關(guān)性,建立了三維剛性壁面空腔的渦聲關(guān)系。
　　4.基于空腔水動噪聲機(jī)理及渦聲關(guān)系的理論分析,探討了不同結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的空腔引起的水動噪聲特點(diǎn),為水下航行器的低阻、低噪結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。
　　5.研究了環(huán)境參數(shù)(水流速度、聲速、密度)對水動噪聲的影響,采用最小二乘法建立了單一環(huán)境參數(shù)與空腔水動噪聲的理論模型。針對各環(huán)境參數(shù)對空腔水動噪聲的耦合作用及非線性特征,建立了環(huán)境參數(shù)與空腔水動噪