附加多孔介质的结构物绕流特性研究

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海洋结构物,例如海洋立管、水下航行器等,其尾流区涡流的产生和变化对阻力、涡激振动或者流噪声有重要影响。多孔隙结构是一种有效的控制涡流的结构形式,在水利工程及化学催化领域的应用已发挥重大作用。本文通过在海洋结构物表面附加多孔介质来探究其对结构物绕流问题的作用机理,深入研究多孔介质材料对结构物的整流和降噪两个方面进的性能。本文回顾了湍流脉动以及利用多孔介质来流动控制的研究进展,分析了利用多孔介质进行结构物湍流减阻降噪的可行性。以附加多孔介质的海洋结构物为研究对象,基于STAR-CCM+软件,结合RANS方程和FW-H声学模型(The Ffowcs Williams and Hawkings Acoustic Model)形成的数值模拟方法,验证了当前计算方法的可行性与准确性。研究了敷设多孔介质的典型海洋结构物的流体动力学特性,分析多孔介质材料减阻降噪性能。应用建立的数值模拟方法计算表面附加多孔介质的二维圆柱、翼型和水下航行器指挥台围壳连接部,分析尾迹区的速度场、压力场、涡量场、远场噪声和升阻力系数,讨论了多孔介质的孔隙率、孔隙密度和材料厚度对流场和流噪声的影响规律。在循环水槽对光柱和多孔圆柱进行试验,观察多孔介质的整流作用。数值分析表明圆柱和翼型上敷设多孔介质材料能够抑制大尺度涡脱落结构的生成,脱涡频率有所降低,近尾迹区的速度降低,尾迹的宽度变宽,实现了湍流脉动和流噪声的有效控制;指挥台围壳连接处附加多孔介质的数值计算表明多孔介质能大幅减小壁面剪切应力,粘性摩擦阻力相应降低,监测点处噪音降低。本文通过数值仿真研究了多孔介质参数对结构物的流场特性、升阻力系数及噪声的影响规律,分析了多孔介质参数对结构物周围流场特性及其减阻降噪机理,可为多孔介质材料在海洋结构物及水下航行器的减阻降噪应用提供理论参考。
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