抑制潜艇螺旋桨旋转噪声的消涡整流新方法研究

潜艇螺旋桨工作在非均匀的潜艇尾流中,潜艇尾流的不均匀性直接与螺旋桨的旋转噪声相关。在分析潜艇主附体结合部马蹄涡对潜艇尾流不均匀性影响的基础上,设计了消涡整流片以削弱马蹄涡强度。结合数值计算方法计算了消涡整流片作用下的潜艇模型的流场和螺旋桨的旋转噪声。结果表明:消涡整流片可以较好地降低潜艇尾流的周向不均匀性、控制潜艇螺旋桨非定常力的变化幅度,并抑制螺旋桨的旋转噪声。在消涡整流片的作用下,螺旋桨所对应的1阶叶频声源级噪声值下降约4dB。     

非均匀湍流场中螺旋桨噪声研究

针对螺旋桨在湍流中的非定常噪声问题,在均匀湍流下螺旋桨宽频噪声相关性法的基础上,推导了非均匀湍流下螺旋桨宽频噪声的公式。在均匀湍流的研究中使用了十桨叶螺旋桨模型,并将计算结果与试验数据进行了对比,发现吻合较好。对于非均匀湍流中的问题,研究发现湍流的不均匀程度不会对宽频谱波峰的位置产生影响,噪声谱波峰的位置仍然取决于叶频,湍流的不均匀程度只会改变叶频处的波峰高度。最后研究了均匀湍流和非均匀湍流中侧斜角对螺旋桨噪声的影响,发现桨叶侧斜角的存在会降低螺旋桨在湍流中受到的宽频噪声。     

水洞测试定子外形选用及其对流场影响分析

为了在螺旋桨水洞实验中将测试传感器通过测试定子引出,并尽可能减小测试定子对水洞流场的影响,确保螺旋桨水洞实验及相关测试结果的准确性,首先根据NACA翼型,在测试定子截面厚度一定的情况下,通过调整截面厚度比得到6种典型截面形式;然后,通过数值计算对比6种测试定子所产生的尾流分布以及尾流扰流情况,发现厚度比为30%的截面翼型尾流分布均匀,流场扰动缓和且范围最小,在此基础上,根据实际水洞的有限长度,选取厚度比为30%的截面翼型置于螺旋桨正前方0.6m处进行数值模拟,所得螺旋桨水动力结果与螺旋桨敞水试验对比吻合较好;最后,分析了各叶片的压力分布情况及不同进速下的推力和扭矩,结果表明:该测试定子对后方螺旋桨周围流场的影响可忽略,验证了所选用截面形式测试定子应用于螺旋桨水洞实验的可行性。     

弹性螺旋桨的轴向非定常力分析

为研究螺旋桨的水弹性流固耦合非定常振动特性,首先通过金属桨敞水性能验证了瞬态双向流固耦合方法的可靠性;然后,以玻璃纤维为参考材料,通过改变材料参数得到不同材料的弹性螺旋桨,并采用瞬态双向流固耦合方法对伴流场中不同弹性螺旋桨进行数值计算,得到了轴向非定常力和变形的时域值;最后,通过傅里叶变换得到不同材料-阶叶频处脉动幅值;结果表明:通过对杨氏模量和刚度阻尼的调整,可以降低螺旋桨流固耦合非定常力脉动幅值。     

泵喷宽带非定常激振力预报与参数分析

为预报泵喷推进器转子与湍流互作用宽频非定常激振力,在Sears函数的基础上,考虑随机湍流波的影响,推导了螺旋桨宽频非定常激振力预报公式,并与实验值对比验证了该公式。进一步考虑泵喷推进器转子工作在前导叶尾流场的情况,通过Gauss尾流模型建立叶片尾流湍流波数谱,通过经验公式计算叶片尾流场参数。推导得到泵喷推进器转子宽频非定常激振力预报公式,通过公式计算得到的宽频非定常激振力与数值计算结果相近。分析了流场参数的变化对推进器转子宽频辐射噪声预报结果的影响。研究得到,湍流强度只影响宽频非定常激振力预报结果的幅值,湍流积分尺度对幅值和频谱形状都有较大的影响。     

一种双圆柱绕流流场及流噪声数值计算方法

为了探究数值计算方法在气动声学计算中的准确性,基于变分原理的Lighthill声类比理论,数值模拟了三维串列双圆柱的气动噪声。为了获得噪声源,采用大涡模拟(LES)求解不可压非定常的流场。计算得到的双圆柱流场特性和声学特性与试验吻合得很好。上游圆柱的涡脱落与下游圆柱抨击引起的特征线谱噪声特性也得到很好的预测。     

基于 CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报

运用计算流体力学软件对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了某型螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场情况等.在数学建模的过程中,利用 FORTRAN 语言编制了计算螺旋桨型值点的程序,然后把计算值导入 Fluent 的前处理器 Gam-bit 进行建模,并采用样条曲线去拟合各个型值点,从而建立了光滑的三维螺旋桨表面外形.介绍了利用Fluent软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某一标准螺旋桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与试验测量值作了比较.由对结果的比较分析可知,基于 CFD 方法可以形象、真实地获知螺旋桨表面的压力以及尾部流场的分布情况,并且数值仿真结果可以满足工程应用.     

螺旋桨激励水下艇体振动的试验及数值研究

为考虑螺旋桨真实激励特性,在循环水槽中开展艇尾伴流场中螺旋桨诱导艇尾脉动压力及螺旋桨激励水下艇体振动响应的测量试验。试验结果表明:脉动压力幅值在叶频处最大,且随螺旋桨负载增加而增大,随与螺旋桨之间距离的增大而减小,四叶桨脉动压力在尾翼后的高伴流区幅值较大,五叶桨则在尾翼之间的低伴流区幅值较大;大部分测点的振动响应幅值随螺旋桨负载增加而增大,但也存在叶频处幅值较小和未随负载增加而增大的情况;五叶桨激励引起的侧向振动较四叶桨有所增强而轴向振动有所减弱;特定谱峰频率处振动响应幅值呈一阶弯曲振型,其频率范围与有限元计算结果较为一致。综合采用计算流体动力学、有限元和模态叠加法建立螺旋桨激励水下艇体振动响应的数值计算方法,通过计算与试验结果的对比发现,该方法的计算结果与试验结果吻合较好,相比于采用单位简谐激励的谐响应分析方法更加接近真实情况。     

潜艇内置推进系统水动力设计

为提高潜艇推进效率,降低潜艇阻力和噪声,提出了一种潜艇内王推进系统及其结构布局,初步建立了内置推进系统的理论分析方法和设计思路.对推进系统的管道进行了参数化设计,并借助计算流体力学软件,用体积力代替螺旋桨产生的力场,对不同管道参数下的潜艇周围及管道内部的流场进行了数值模拟,结果表明:增大管道的进口面积可以减小管道阻力,...     

螺旋桨定常/非定常水动力性能 CFD不确定度分析

为评估计算流体力学(CFD)方法预报螺旋桨定常及非定常水动力性能的可信度,分析了误差来源并提出改进措施,采用RANS方法并选用SST k-ω湍流模型选取三套网格和三种时间步长对DTMB 4119螺旋桨的定常及非定常水动力性能进行了数值计算,并对计算结果进行了验证与确认。不确定度分析结果表明:螺旋桨定常水动力性能在设计及低进速系数时得到确认,高进速系数时未得到确认;可采用加密网格的方式降低数值不确定度,从而将评估模型误差用于改进计算模型;非定常水动力性能修正后的数值不确定度小于1%,可在2%～3%的水平上得到确认,能够满足其计算精度要求。     

基于STAR-CCM+的全附体潜艇尾流场数值分析

为充分了解潜艇周围的粘性流场特征,基于STAR-CCM+仿真软件对SUBOFF全附体模型的尾流场进行了数值模拟。通过将数值模拟结果与试验结果进行比较,系统分析了棱柱层网格的划分与湍流模型的选取对计算结果的影响。结果表明:SSTk-ω模型较适合应用在潜艇模型尾流场计算中,并且棱柱层的总厚度不能小于15mm,第一层计算网格节点到表面的无因次距离y+应在25到170之间。在此基础上,应用滑移网格技术对潜艇尾流场进行数值模拟,通过加密网格和减小时间步长使得轴向伴流分数与整体定常计算值吻合较好。     

潜艇水动力噪声的自航模试验技术研究

探讨了一种新型的潜艇流噪声与螺旋桨噪声的模型试验方法——自航模水动力噪声测试技术。该方法通过合理的试验方案设计及信号处理手段,在背景噪声相对较低的测试环境中,可得到具有时间通过特性的噪声信号,识别出流噪声与螺旋桨噪声。     

叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明：随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。     

全附体潜艇模型回转运动流场数值模拟

为研究潜艇的回转运动,在RANS方程中引入旋转坐标系科氏力和艇体惯性离心力,并采用分块结构化网格技术,对全附体潜艇模型回转运动的流场进行了CFD数值模拟。首先,推导了旋转坐标系下流场计算的控制方程,给出了科氏力和艇体惯性离心力的表达式,并将其引入到动量方程中;然后,采用RNGk-ε湍流模型以及用户自定义函数方法设置了计算边界条件,数值模拟了全附体潜艇模型(DRAPA SUBOFF)的操舵定常回转运动流场;最后,分析了所计算流场的速度、压力和涡的分布及形态,分析表明计算结果符合其规律性。     

KP458螺旋桨水动力及空泡特性研究

以螺旋桨(KP458)为研究对象,研究其空泡流场特性。首先通过梢涡区域划分及网格加密,对螺旋桨(KP458)在无空化均匀流条件下进行敞水性能数值模拟,建立螺旋桨流场数值预报模型,并对4套网格进行不确定度分析。将计算结果与实验数据进行对比,然后应用Schnerr-Sauer空化模型数值模拟。通过将试验结果与螺旋桨(VP1304)水动力及空泡特性仿真结果进行对比,无空化流场与空化流场中的推力、扭矩系数误差均低于8%左右,以此验证数值计算模型的可行性。研究表明：采用的数值模型具有良好的精度,螺旋网格加密能够捕捉螺旋桨产生的梢涡;KP458螺旋桨在进速系数较低时有较为明显的梢涡空泡产生,随着进速系数增大空泡面积逐渐减小且梢涡空泡消失,螺旋桨的梢涡强度逐渐减小且梢涡融合现象发生越早。     

易变形船舶螺旋桨流固耦合特性分析

应用双向流固耦合方法,研究了桨叶变形对螺旋桨桨叶表面压力、周围流场及敞水性能的影响,分析了438X系列螺旋桨变形前、后桨叶表面的压力分布以及螺旋桨周围流场的变化,对比了桨叶变形前后的螺旋桨推力系数和扭矩系数。结果表明:桨叶的变形改变了桨叶表面的压力分布并引起螺旋桨周围流场的变化,桨叶变形前、后的推力系数最大相差9.3%,扭矩系数最大相差8.1%,桨叶变形引起的螺旋桨敞水性能的改变不可忽略,不同几何形状螺旋桨变形前、后敞水性能的变化也不尽相同。该研究结果可为新型易变形材料螺旋桨的性能预测、设计提供指导。     

AUSMPW+格式在高超声速热化学非平衡流数值模拟中的应用

将AUSMPW+格式应用到高超声速热化学非平衡流场的数值模拟中。为提高精度,采用了三阶MUSCL插值方法。与LU SGS方法结合,提高了单步计算效率和收敛性。采用热化学非平衡十一组元气体模型求解了非定常轴对称Navier Stokes方程组,得到了收敛结果。数值模拟结果与文献结果进行了对比,并在弹道靶中进行了钢质圆球的实验验证。计算结果与文献、实验的对比说明,AUSMPW+格式可以在热化学非平衡流的数值模拟中精确地捕捉到强弓形激波,得到准确的空气动力系数。     

激波诱导异质气体界面失稳的数值模拟

基于二维N-S方程,利用有限差分数值离散方法,对激波诱导异质气体界面失稳的现象进行了数值模拟,与文献中实验结果和计算结果进行了定性比较,并进一步分析了整个流动的非定常动态变化特性和非线性特征.研究表明,本文数值模拟的非定常流场图谱与文献中的实验结果和数值结果吻合较好;数值结果捕捉到了六氟化硫界面的演变过程及流场中复杂的波系结构.     

WCNS格式在热化学非平衡流数值模拟中的应用研究

高精度格式因其在较低的计算资源消耗下仍能保持足够的精度而在精细流动结构的模拟中具有独特优势。首次将显式5阶加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)引入二维高温非平衡流计算。进行了自由流速度5.0~5.7km/s的高焓风洞和高空条件下的圆柱非平衡流场数值模拟,得到了正确的流场参数分布,壁面压力和壁面热流等结果与实验值吻合较好。计算结果表明WCNS-E-5格式较2阶的MUSCL格式具有更好的热流网格收敛特性。分析并针对算例条件初步解决了高阶格式在刚性化学反应流模拟中的鲁棒性问题,为进一步采用高阶格式开展流场结构更加复杂的热化学非平衡流数值研究奠定了良好基础。     

总师谈潜艇降噪的手段与意义

在现代海上作战的条件下,潜艇的威力及命运均系于其隐身性能。人民海军从诞生之初就将潜艇作为一种战略性的武器,因而减振降噪始终是潜艇设计研制的重点和难点。就此我们采访了海军工程大学教授、专业技术少将朱石坚,请他为大家一解潜艇降噪的门道。《现代舰船》:请您介绍一下潜艇噪声主要有哪几类?产生这些噪声的原因和部位各是什么?朱石坚:潜艇辐射噪声的主要噪声源有:螺旋桨噪声、水动力噪声、机械噪声。螺旋桨噪声的产生原因是:螺旋桨在水中运转,一方面引起水介质波动而直接辐射噪声,另一方面通过轴系激励艇体而产生水噪声。此外,当螺旋桨旋转时,由于叶片表面局部的静压力下降(有时到负压),产生汽化