对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究

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1、分类号：密级：公开ＵＤＣ：编号：中国舰船研究院硕士学位论文对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究作者：曾赛指导老师：杜选民研究员学科专业：水声工程上海船舶电子设备研究所二O一五年三月分类号密级公开ＵＤＣ编号硕士学位论文对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究NumericalSimulationandexperimentalstudyofNon-cavitationLine-spectrumnoiseofUnderwaterCounter-rotationPropeller指导教师姓名：杜选民职称：研究员学位申请人姓名：曾赛申请学位级别

2、：工学硕士专业名称：水声工程研究方向：水下目标识别论文提交时间：2015年03月培养单位：上海船舶电子设备研究所学位授予单位：中国舰船研究院学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均在导师指导下由作者本人独立完成。引用的有关观点、方法、数据和文献已在论文中注明，并与参考文献对应。除论文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表的研究成果。对本文研究作出任何贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式注明并表示感谢。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权声明中国舰船研究院和上海船舶电子设备研究所

3、有权保存本人呈交的学位论文复印件及电子版，有权向国家有关部门或机构送交论文复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国舰船研究院和上海船舶电子设备研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描手段保存或汇编本论文。本学位论文属于：公开□内部□秘密□，在年后解密后适用本授权书。（请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日中国舰船研究院硕士学位论文摘要随着水下航行器性能的改进与航行深度的增加，作为推进装置的对转桨往往在非空泡工况下工作。研究对转桨非空泡线谱噪声

4、的机理及其特征对于水下目标的识别具有重要的理论意义和工程价值。本文首先对目标对转桨的非空泡噪声进行理论分析和数值计算，然后利用实验测量验证了理论分析和数值计算的可靠性。首先，从物理特性的角度分析了对转桨非空泡线谱噪声的发声机制，即前后桨相互干涉效应和谐波流场作用。用非定常力来描述这两种机制对桨叶的作用，将该非定常力作为对转桨非空泡线谱噪声的主要辐射噪声源，利用广义声类比方程通过数理变形的方法推导得出了对转桨非空泡线谱噪声表达式。通过对线谱辐射噪声表达式的分析得到了对转桨非空泡辐射噪声的线谱预报表达式：fmfnfsfmns,(,,

5、0,1,2)。定义了线谱的012方向性函数并做了数值分析，分析了前六阶线谱的方向性。然后，建立了对转桨非空泡线谱噪声的数值预报平台。采用解耦的方法将对转桨的流场与声场的相互耦合作用分开考虑，首先对对转桨非空泡状态下的非定常流场进行了精细模拟，然后在模拟的流场中辨识声源项用于对转桨非空泡线谱噪声的数值计算。在对转桨定常流场的模拟时，通过对比几种湍流模型的计算值与实验值，选取最优的湍流模型（RNGk-ε）进行定常流场的计算，并针对对转桨的定常流场特性进行了分析，得到了前后桨叶表面附近的诱导速度分布云图、桨叶表面压力分布云图和

6、流线轨迹图。利用RNGk-ε湍流模型与滑移网格（Slidingmesh）相结合对对转桨的无空泡非定常流场进行了数值模拟，将得到的推力系数和转矩系数与实验值比较，发现其精度比定常流场的模拟值要高。在确定了非定常流场的计算进入“准周期”后，进行流场中声源项的辨识，待辨识到足够精度的声源项后计算对转桨在800Hz-10kHz频段的总声压级和三分之一倍频程声压级。第三，在空泡水筒中对目标对转桨非空泡噪声进行了实验研究。得到了800Hz-10kHz频段的校正到自由场的总声压级和三分之一倍频程声压级。比较发现数值计算总声压级与实验测量的误差在4%

7、以内。数值计算的三分之一倍频程声压级曲线变化趋势与实验测量的三分之一倍频程曲线变化趋势基本一致。分析发现实验测量的三分之一倍频程声压曲线在5kHz左右的异常现象是由水筒自身的特性造成的。用DEMON处理方法分析了在低频段的实验值，得到了调制线谱，发现线谱频率符合理论预报公式，而且与数值计算的声压级线谱频率相吻合。由此验证了理论预报公式的准确性和数值计算平台的可靠性。I对转桨无空泡线谱噪声数值模拟与实验研究最后，用建立的数值计算平台计算了一个典型工况下的对转桨非空泡噪声和单桨非空泡噪声，并做了定性和定量的分析。通过比较对转桨前后桨叶非定

8、常脉动压力分布云图和经过声场计算后的桨叶表面脉动声压云图，发现二者在桨叶表面的分布区域基本相同，说明对转桨非空泡线谱噪声的主要声源项是桨叶表面的非定常脉动压力，这也验证了理论假设的正确性。在桨叶计算区域布置测量阵，得到了