潜艇操纵运动中螺旋桨激振力与辐射噪声的数值研究

摘要

潜艇的安静性是保障其生存和开展水下作战的关键因素，螺旋桨辐射噪声是潜艇噪声的重要来源之一。随着近年来对机械噪声的有效控制，螺旋桨噪声的重要性显得日益突出。艇体尾流速度场中的空间不均匀性使得螺旋桨推力发生周期性的起伏，形成了螺旋桨激振力，同时向流场中辐射噪声。
　　潜艇在水下作战航行，除了等速定深直线航行之外，还需要经常进行深度变化和航向变化。潜艇运动姿态相对直航情况会发生显著改变，周围流场特征也会随之发生明显改变。由于螺旋桨激振力与辐射噪声都与其所遭遇的船后尾流场息息相关，操纵运动中螺旋桨遭遇的尾流变化，必然导致螺旋桨激振力与辐射噪声特征的改变。
　　目前国内外对于螺旋桨激振力和辐射噪声的研究已经开展多年，学者们通过理论计算、试验方法和数值方法对其开展了大量研究，得出了有益的结果。但是目前看到的文献中，研究对象主要是以风洞、水洞中的螺旋桨或直航情况下的船后螺旋桨为主，少有关于操纵运动条件下的船后螺旋桨激振力与辐射噪声的文献报道。
　　本文试图建立操纵运动状态下潜艇尾流中的螺旋桨激振力与辐射噪声的数值预报方法。针对典型潜艇模型开展数值仿真，并将不同操纵方式下得到的螺旋桨激振力与噪声特征进行对比，探讨操纵运动方式对螺旋桨激振力与辐射噪声的影响规律。这一工作有助于我们理解船体运动、流场、噪声之间的相互关系，不仅具有重要的理论意义，而且有助于提高潜艇在整个航行运动过程中的安静性，对潜艇设计、操纵控制、作战使用都具有实际的工程指导价值。
　　有鉴于此，本文综合应用了操纵运动数值模拟、粘性流场数值模拟、辐射噪声数值模拟技术，针对不同操纵运动状态下的艇后螺旋桨激振力与辐射噪声开展了数值模拟，进行了对比研究。具体内容如下：
　　1）用CFD方法开展潜艇操纵运动约束模型数值试验
　　采用CFD数值方法模拟了潜艇操纵运动约束模型试验：通过模拟斜航试验获取潜艇速度导数；通过模拟旋臂试验获取潜艇角速度导数；通过模拟小振幅平面运动机构试验获取潜艇加速度导数。编写 UDF（用户自定义函数）来控制约束模型实验中艇体网格的运动，采用动网格技术来处理运动边界的问题。数值计算结果与试验结果对比吻合得较好，表明采用CFD数值方法可以获得较为准确的潜艇操纵性水动力系数。
　　另外，在水平面斜航试验和水平面旋臂试验的数值模拟中，观察到了“离面载荷”（out-of-plane loads）。这一现象表现为：水平面操纵运动中，艇体附体（指挥台围壳、舵、翼等）泄出的旋涡结构与主艇体的艇体绕流相互作用，而产生了垂直面的受力和俯仰力矩。通过与试验数据对比，证明本文的“离面载荷”计算结果是合理可信的。
　　2）潜艇操纵面设计与操纵运动模拟
　　由于船体－舵－桨是一个相互关联的系统，要开展艇后螺旋桨的数值计算，需要正确模拟艇体绕流。而潜艇平台在操纵过程中的姿态参数（舵角、攻角、漂角、回转速度等）对艇体绕流的影响是至关重要的，因此需要开展潜艇操纵运动预报，正确预报潜艇在各种舵角控制量输入条件下的运动参数。文中依据潜艇六自由度空间运动方程编写了潜艇运动模拟程序。
　　由于SUBOFF潜艇模型原设计中的操纵面不满足稳定性要求，因此对其操纵面开展了改进设计。本文将经验公式估算方法与CFD预报方法相结合获取水动力系数，通过多次迭代，选取了满足操纵性指标的合理方案。将操纵面方案与SUBOFF主艇体结合形成“SUBOFF-G”艇型，开展了操纵运动预报，获取了潜艇定常直线下潜、定常回转等多种机动状态下的运动参数，为艇后螺旋桨流场的计算提供了平台运动状态参数。
　　3）数值方法预报船后螺旋桨激振力与辐射噪声
　　开展了敞水螺旋桨性能计算、非均匀来流中的螺旋桨激振力计算、风洞中SUBOFF艇体绕流的数值计算，验证了数值方法的可行性。探讨了指挥台围壳、操纵面泄出的马蹄涡、梢涡等涡系对螺旋桨盘面处流场的影响。
　　为了解决旋转叶片的流体动力辐射噪声问题，本文引入了 Ffowcs Williams－Hawings方程及其Farassat1A形式的积分求解公式，编制了辐射噪声计算程序。采用“声源时间－主导算法”处理延迟时间问题，这种方法不用迭代法求解超越方程，降低了求解难度，提高了计算速度。
　　将“SUBOFF-G”艇型与4381螺旋桨结合，开展了定深直航、定常直线下潜、定常回转等多种运动状态的数值计算，获得了尾流速度场、螺旋桨激振力、辐射噪声等丰富的数据信息，通过频谱分析可以发现三者之间有明显的相互关联。艇体的运动状态的改变造成尾流速度场的谐调特性的改变，进而引起螺旋桨激振力和辐射噪声的谐调特性的改变。
　　将不同运动状态下的激振力与辐射噪声进行对比，结果显示：在不同状态下，操纵运动引起的螺旋桨噪声的变化趋势相当复杂。艇体运动姿态的改变，不仅改变了螺旋桨辐射噪声的量级，还改变了噪声指向性图线的形态，尤其值得关注的是改变了噪声频谱特性。其中最具有标志性意义的特征是，不同操纵运动状态下，1倍叶频处的螺旋桨线谱噪声幅值与2倍、3倍叶频处的线谱噪声幅值此消彼长，频谱特性发生明显改变。由于螺旋桨线谱特征是水声探测与识别的重要依据，因此研究操纵运动对螺旋桨频谱特性的影响，对于海洋中探测与反探测具有重要意义。潜艇操纵运动

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第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 论文研究内容与安排

1.4 论文创新点

第二章 计算流体力学的理论基础和数值方法

2.1引言

2.2 控制方程

2.3 湍流模型

2.4 边界条件

2.5 壁面函数

2.6 数值离散

2.7 旋转问题的处理方法

2.8 网格生成

2.9 动网格技术

2.10 用户自定义函数

2.11 本章小结

第三章 潜艇操纵运动建模和水动力系数的数值预报

3.1 坐标系和主要运动参数

3.2潜艇运动一般方程式

3.3 潜艇空间操纵运动方程

3.4 潜艇操纵性水动力系数的数值预报

3.5本章小结

第四章 潜艇模型操纵面参数化设计与运动模拟

4.1 SUBOFF 原设计存在的问题

4.2 潜艇操纵性的基本要求

4.3 潜艇操纵性指标

4.4潜艇操纵面参数化设计

4.5 操纵面参数的设计结果

4.6 SUBOFF-G潜艇操纵运动模拟

4.7本章小结

第五章 艇体尾流场与螺旋桨激振力的数值模拟

5.1 螺旋桨敞水性能数值模拟

5.2非均匀来流中螺旋桨激振力的数值模拟

5.3 船体尾流场特征的数值模拟

5.4 船后尾流中螺旋桨激振力的数值计算

5.5 本章小结

第六章 流体动力声学理论与螺旋桨噪声预报

6.1 螺旋桨辐射噪声的理论基础

6.2 单片旋转叶片辐射噪声的数值计算

6.3在均匀来流中4118螺旋桨的辐射噪声数值计算

6.4在非均匀来流中4118螺旋桨的辐射噪声数值计算

6.5 直航状态下船后螺旋桨辐射噪声的数值计算

6.6 本章小结

第七章 潜艇操纵运动中螺旋桨激振力与辐射噪声的数值研究

7.1操纵运动典型工况下艇体绕流的数值实现

7.2定常直线潜浮运动中螺旋桨辐射噪声的预报

7.3 定常回转运动中螺旋桨辐射噪声的预报

7.4 操纵运动中螺旋桨辐射噪声指向性对比研究

7.5 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 主要研究内容和结论

8.2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目

攻读博士学位期间发表与录用的论文

致谢