基于LES的大侧斜螺旋桨精细流场与噪声预报方法研究
由于现代军事技术的发展,对水下航行器噪声有了更高的要求。而螺旋桨噪声是水下航行器噪声十分重要的一部分,其均匀来流和非均匀来流工况下精细流场与噪声的预报方法研究是涉及流体力学与声学的交叉学科问题,具有重要的学术研究意义与工程应用价值。采用计算流体力学技术对螺旋桨噪声进行仿真时,精确的流场信息尤其是尾流涡旋结构捕捉是最为关键的环节。本文采用大涡模拟方法结合FW-H声学类比理论,对E1619七叶大侧斜螺旋桨敞水工况不同进速系数下尾流速度与压力特性、涡量与湍动能演化、尾流频谱特性等精细流场特性与噪声衰减特性等进行了数值计算研究,并将艇桨耦合工况下螺旋桨尾流精细流场与敞水工况进行了对比分析。首先,采用滑移网格方法,基于大涡模拟结合三套不同数量网格,对螺旋桨敞水工况不同进速系数下的流场与水动力性能进行了计算,通过对水动力系数与实验结果的验证以及涡旋结构捕捉的分析,确定了以2077万网格作为后续分析的网格方案。然后在该网格方案的基础上,分析了螺旋桨敞水工况不同进速系数下尾流速度与压力特性、涡量与湍动能演化、尾流频谱特性等精细流场特性,结果表明螺旋桨尾流不稳定性是由梢涡之间的互感效应和梢涡与随边涡之间的感应共同造成的,湍动能受到梢涡和轮毂涡的影响与其涡核内的速度脉动有关,尾流非定常特性从低负载到中负载发生了量变而从中负载到高负载发生了质变。然后,在对流场精确求解的基础上结合FW-H模型对螺旋桨噪声进行了计算,结果表明轴向上负荷噪声在近场以1/r~2的斜率衰减,在远场以1/r的斜率衰减,而厚度噪声在全路径上以1/r的斜率衰减。径向上负荷噪声和厚度噪声在近场衰减规律与桨叶数密切相关,这是由于近场螺旋桨旋转桨叶所产生的噪声之间相互干扰所导致的,并且在远场衰减斜率都收敛到1/r,不同的是负荷噪声从近场向远场传播的过程中衰减的斜率更接近1/r~2。最后,基于3054万网格对带E1619桨的全附体SUBOFF潜艇精细流场与敞水工况在指定进速系数下进行了对比分析,结果表明非均匀来流湍流结构会与梢涡发生干扰,导致梢涡不稳定性更早触发,并且使得螺旋桨叶片边界层周围出现湍流,干扰了边界层流动,导致叶片后缘尤其是叶根处湍动能下降,其与叶片的相互作用使得水动力功率谱密度曲线在叶频产生的波峰及二阶谐波表明非均匀入流使得螺旋桨尾流场非定常特性发生了量变。本文采用大涡模拟方法详细地分析了七叶大侧斜螺旋桨不同工况下的尾流速度与压力特性、涡量与湍动能演化、尾流频谱特性以及噪声特性,为螺旋桨的设计和噪声预报及优化提供了一定的参考。
- 作者：
- 谢超凡
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2023年
- 导师姓名：
- 吴方良
- 中图分类号：
- U664.33
- 关键词：
- 大涡模拟；FW-H模型；大侧斜螺旋桨；精细流场；湍动能
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