基于联合仿真水下航行器流激噪声的数值模拟

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当水下航行器在航行时,四极子噪声主要由湍流边界层内的扰动引起,偶极子噪声主要由水下航行器表面的脉动压力引起,偶极子噪声与四极子噪声共同组成了流噪声。然后由于水下航行器在航行时会与周围流体发生流固耦合进而引发结构振动,导致流噪声的噪声值增大,结构振动产生的噪声与偶极子噪声构成了流激噪声。水下航行器的隐蔽性作为水下航行器的重要性能指标,流激噪声严重影响了水下航行器的隐身性,因此研究流激噪声的原理与特性对于水下航行器性能的提高具有重大意义。本文首先选择SUBOFF水下航行器作为分析对象,采用RNG k-ε湍流模型对水下航行器的绕流场进行模拟计算,将仿真所得的计算值与试验值进行比较研究,发现计算结果与试验值吻合良好。然后以锥柱组合水下航行器结构为研究模型,将水下航行器结构视为刚性体,采用STAR-CCM+计算了水下航行器沿X、Y、Z三个方向上监测点处的流噪声。其次,实际情况水下航行器结构是会与周围流体发生流固耦合的弹性体,但是对于结构与流体之间的耦合仅靠STAR-CCM+是不能完成的,所以采用ABAQUS计算由脉动压力引起的振动位移,振动位移引起流场的变化重新在STAR-CCM+中计算,通过两个软件的联合仿真计算不同来流速度下锥柱组合结构的流激噪声,并与试验值进行对比研究,证明了STAR-CCM+与ABAQUS联合仿真计算流激噪声是十分可靠的。采用联合仿真计算与流噪声计算相同监测点处的流激噪声。所得结果显示,同一频率下流激噪声声压值大于流噪声。最后,本文着重研究流激噪声的特性。研究了不同来流速度、不同水下航行器壳体厚度和材料对于声场中各个监测点处的流激噪声的影响及变化规律。结果表明来流速度的增加会增加流激噪声声压值;增加水下航行器壳体厚度会使水下航行器结构的刚度变小,振动幅度变小,从而引起的流激噪声变小;通过计算普通钢材、铝合金、钛合金三种水下航行器壳体材料,发现水下航行器壳体材料的改变也会引发流激噪声的变化。
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