水下开孔腔体流噪声机理研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文水下开孔腔体流噪声机理研究博士研究生：袁国清指导教师：蒋伟康教授学科专业：机械工程研究方向：流噪声研究机械系统与振动国家重点实验室二〇一五年四月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforDoctorofPhilosophyStudyonacousticradiationmechanismsofflow-inducedunderwateropencavityPh.D.Candidate:YuanGuoqingAdvisor:Prof.JiangWeika

2、ngMajor:MechanicaltheoryanddesignDirection:AcousticRadiationofFlow-inducedShanghaiJiaoTongUniversityStateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibrationApr,2015摘要某水下航行器低速工况下滑行振动噪声测试结果表明，低频段的若干个线谱或窄带辐射声是其辐射噪声的主要特征。为了水下航行器安静性总体声学指标的实现，首要任务就是从低频振动噪声谱结构特征成因机理研究入手，寻求控制声辐射的有效方法。水下航行器

3、主要噪声源之一就是水动力噪声，而最有可能产生低频峰值水动力噪声的结构是其表面的开孔腔体结构。尽管目前国内外关于孔腔绕流振动辐射声的研究工作和发表的成果较多，但是大多仅限于空气中的简单开孔结构，关于水下复杂开孔结构方面的研究比较少，公开发表成果也不多。本文以水下航行器表面的流水孔和腔体结构为研究对象，采用理论分析、数值仿真和实验测试相结合的研究手段，对水下开孔腔绕流自持振荡、直接声、二次声、水动力共振和水弹性共振发声等机理进行了较为详尽的研究。本文主要的研究工作包括：1、建立了水下航行器简化开孔腔体3D模型，基于混合CFD数值方法获得了孔腔绕流

4、激励力。通过涡量云图，分析了孔腔绕流自持振荡机理。2、考虑绕流结构为刚性，从孔腔几何参数、流场参数和多孔排列等方面探讨了诸多参数对开孔腔自持振荡机理和直接声辐射机理的影响。研究表明：随着流速的增大，开孔腔的直接声声能量增强，且基频也变大；孔口形状为圆形或者正方形，孔口后缘偏角在30度和45度之间能有效降低流致直接辐射声。3、基于一阶剪切变形板理论和Timoshenko梁理论，采用修正变分方法建立矩形腔——加筋多板结构的半解析动力学模型。该数理模型和半解析方法的特点在于：结构子域位移函数可灵活选择，方便地适用于不同边界条件和不同载荷作用下的组合

5、结构振动问题，且具有收敛速度快，精度高和计算效率高等优点。4、考虑绕流结构为弹性，利用软件仿真获得绕流随机激励二次声。二次声计算结果显示：结构的湿模态固有特性以及流体激励力特性对应于二次声频谱的主要特征，且两者并无主次之分。5、建立了孔腔Helmholtz共振器模型和孔腔声—流固耦合模型，并结合实测噪声谱探讨了水下航行器艉部艉间舱开孔腔共振发声的贡献。研究表明：水下航行器艉-I-间舱Helmholtz共振器共振发声不是低频实测频谱峰值的主要机理；当绕流水动力振荡频率接近32.9Hz和34.4Hz的声-流固耦合模态频率时，艉间舱结构将出现水弹性

6、共振发声，可能是低频实测频谱峰值的主要机理。6、结合上海交通大学重力水洞的实际参数，设计并完成了平板开孔腔绕流实验。实验验证了开孔腔体绕流引起的部分振动辐射声机理。关键词：水下开孔腔体，自持振荡，直接声，二次声，修改变分方法，Helmholtz共振器，声—流固耦合-II-AbstractThevibrationandnoiseofanunderwatervehicleinthelowspeedtestshowthatacousticradiationatsomespectrumsoflowfrequencybandisthemainchara

7、cteristicofradiatednoise.Inordertosatisfyrequirementofquietunderwatervehicle,thefirsttaskistostudyonmechanismsofthelowfrequencynoisespectrumandseekeffectivewaystocontrolthesoundradiation.Oneofmainnoisesourcesofunderwatervehicleisthehydrodynamicnoise.Holesarrangedonthesurfac

8、eofthecavitystructurearethemostlikelytoproducelow-frequencypeakhydrodynamicnoise.T