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充液翼型弹性腔流激振动与声特性研究

作　者: 穆鹏
导　师: 李琪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 翼型模型 CFD 有限元流噪声
分类号: U661.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 17次
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内容摘要

流噪声作为水下航行器的三大噪声源之一，如何降低流噪声，对航行器的声隐身效果来说至关重要。同时，流噪声亦对腔体内部声场分布产生一定影响。应用本文仿真方法可对充液弹性腔体的流噪声特性进行计算评估，为水下航行器的指挥台围壳、导流罩等结构的外形设计、材料选择等优化处理提供一定参考依据，亦对结构腔体内声学仪器的选择及布放位置的确定具有一定参考价值。本文仿真过程采用了将有限元软件ANSYS、CFD求解软件FLUENT和声学有限元软件ACTRAN相结合的方法对弹性翼型腔体模型的流噪声特性进行了仿真计算。主要包括以下几方面内容：首先，采用ANSYS软件完成围壳、舷侧模型的建立，并根据不同的计算需要进行适合的网格划分及网格收敛性验证；其次，对不同湍流理论模型进行分析、计算，选择了涡粘模型中通过计算湍流动能及湍流耗散来求得雷诺应力项的标准k ε模型，采用FLUENT软件完成了结构模型外部流场计算，描述了湍流、尾流的产生机理和分布特性，发现了流速变化较大的转捩区；最后，将流场计算所得的湍流脉动压力作为激励源，采用ACTRAN软件完成模型振动及内、外部声响应特性的计算，同时，应用Lighthill声类比方法，将流场流速结果作为声源，完成湍流边界层起伏直接声辐射的计算，将边界层直接辐射噪声与流激结构辐射噪声相结合的方法可对结构流噪声进行更精确的计算及描述。在此基础上，获得了不同流速条件下、模型厚度变化时的结构模型流噪声辐射特性。研究结果表明：流噪声随流速的增加而增大；翼型围壳模型在0-1000Hz频段内振动响应较强，模型厚度的增加使该频段内的模态频率数量减少，降低了模型的声辐射强度；模型腔内声压高于外部声压；模型外形变化较大的区域上，湍流强度、脉动压力及噪声辐射均出现较大值。为验证仿真方法的准确性，搭建了相应的试验测量系统，并在水声技术实验室的重力式水洞中进行了翼型围壳模型的流噪声测量试验。试验测量结果与理论仿真结果吻合较好。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 论文背景  10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 湍流脉动压力频率—波数谱模型的发展现状  10-11
    1.2.2 CFD 技术应用于船舶工业的发展现状  11
    1.2.3 流噪声计算的发展现状  11-12
  1.3 论文研究内容及方法  12-14
    1.3.1 论文研究内容  12-13
    1.3.2 论文研究方法  13-14
第2章流噪声理论及仿真模型  14-27
  2.1 湍流定义  14
  2.2 CFD 仿真中的标准 k-ε模型  14-16
    2.2.1 基于 CFD 技术的湍流模型分类  14
    2.2.2 标准 k-ε模型理论介绍及分析  14-16
  2.3 CFD 仿真中的有限体积法  16-18
    2.3.1 有限体积法介绍  16
    2.3.2 有限体积法原理  16-17
    2.3.3 有限体积法的特点及优势  17-18
  2.4 流噪声理论模型  18-26
    2.4.1 无限大平板流激振动及声辐射特性原理  18-21
    2.4.2 弹性球壳流激振动及内部声场理论模型  21-24
    2.4.3 平板湍流边界层起伏直接辐射噪声理论模型  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章围壳模型流噪声仿真与分析  27-51
  3.1 流噪声仿真方法介绍  27-30
    3.1.1 基于 CFD 技术及声学有限元软件的仿真技术流程  27
    3.1.2 模型建立及离散划分  27-29
    3.1.3 应用 CFD 技术计算流场特性  29
    3.1.4 应用声学有限元软件 ACTRAN 计算流噪声  29-30
  3.2 简支板流激噪声的验证  30-32
  3.3 围壳结构流噪声仿真结果与分析  32-50
    3.3.1 围壳模型外流场的仿真及分析  32-35
    3.3.2 围壳模型流激噪声计算及分析  35-48
    3.3.3 边界层起伏直接辐射噪声计算及分析  48-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章复杂结构流激振动及声特性的数值计算  51-58
  4.1 建立舷侧模型及离散划分  51-52
  4.2 不同来流流速条件下结构表面压力分布  52-53
  4.3 舷侧模型流激振动及声特性计算及分析  53-57
    4.3.1 舷侧模型流激振动计算结果及分析  53-54
    4.3.2 舷侧模型内、外部声特性计算结果及分析  54-55
    4.3.3 模型出水口、中部柱面及进水口处模型内、外声压分布  55-56
    4.3.4 不同流速下舷侧模型流激振动辐射声功率计算及分析  56-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章翼型模型辐射声功率及内部声场测量试验  58-66
  5.1 混响箱法测量辐射声功率原理  58-59
  5.2 围壳试验概况  59-60
  5.3 围壳试验结果分析  60-63
    5.3.1 校准值的测量与计算  60
    5.3.2 背景噪声测量及信噪比分析  60-61
    5.3.3 试验与仿真结果的比较  61-63
    5.3.4 不同数值方法的对比计算  63
  5.4 舷侧导流罩模型内部声压测量结果  63-65
  5.5 本章小结  65-66
结论  66-68
参考文献  68-71
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  71-72
致谢  72

充液翼型弹性腔流激振动与声特性研究

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