水下滑翔机平台流场和流噪声的数值模拟

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水下滑翔机的低能耗、长航程和连续剖面运动能力使其成为声学传感器的新型理想搭载平台。水下滑翔机在海洋中航行时,海流粘性力作用于机体表面,导致其近壁区压力脉动,继而引发流噪声。流噪声不仅破坏滑翔机的声隐身性、干扰声探测结果,还会给海洋环境带来噪声污染。为此,需要开展水下滑翔机平台的流噪声研究、探讨流噪声产生机理及其影响因素,为水下滑翔机噪声预报、降噪设计、优化声学传感器布局和推进其在声学探测领域的应用提供理论指导。本文以“海燕”水下滑翔机为研究对象,基于LES-Lighthill等效声源混合法,对水下滑翔机平台的流场和声场进行了数值模拟。从流场升力阻力、脉动压力、涡旋分布,声场声源强度、近场声压、声辐射特性等角度对机身和突出附体结构的流场和流噪声性能进行了研究,并探讨了水动力外形、来流速度、航行攻角等因素对水下滑翔机平台流噪声性能的影响。主要研究成果如下:(1)分析获得水下滑翔机机身的流场和流噪声性能。机身声辐射能量主要集中在低频段,机身流噪声无明显主频率。机身轴向声辐射呈典型的四极子特性,机身头部、尾部以及机身中部附近声辐射较弱,而转淚区辐射区间声能量集中,是水下滑翔机的主要噪声来源。机身轴向声指向性可成为机身提升噪声性能的改型依据。机身径向声指向性不明显,呈圆形对称分布。(2)建立水下突体模型流噪声数值模拟方法。对比两种水动力外形的声学传感器的流场和流噪声性能,发现外形呈流线型的声学传感器的阻力性能和噪声性能均优于“钝体”外形传感器。分析位于机身不同位置处附体的流噪声性能,发现前导流罩声学传感器在整体声压接收点的总声压最大,尾翼声学传感器组合体次之,机翼最小。尾翼在一定程度上改善了声学传感器的阻力和噪声性能。(3)探讨来流速度和航行攻角对水下滑翔机平台流噪声性能的影响。对于机身,获得了在流速和攻角单一变量下,沿机身轴向和径向机身总声压级的变化规律。结果表明,随着流速和正攻角的增加,声压值均规律性增加。机身轴向声指向性仍保持四极子特性,随流速增加,声辐射能量分布趋向均匀;正攻角增加,最大声压辐射区间发生顺时针偏移,机身径向声压分布发生变化,机身下表面声压高于机身上表面。对于附体,正攻角增加,附体声压值增加,附体长度方向的声压最大辐射区间顺时针偏移,高度方向声压发生变化,辐射能量分布趋向均匀。
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