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流固耦合对水下结构声辐射影响研究

赵伟  
【摘要】:流固耦合问题的研究大都以空气声弹性领域为背景,有关结构与水之间的流固耦合问题的研究较少。在流动的水中,流固耦合引起结构极大的动态不稳定性,结构动态响应会发生很大变化,对结构的辐射噪声产生较大的影响。因此,开展水下结构流固耦合方面的研究对掌握其耦合振动与噪声辐射机理有着重要的意义。 本文以翼型结构模型为研究对象,首先利用流体计算软件对二维流场特性进行了仿真,研究壳体模型表面的时均压力与周围的流场分布;其次,研究了模型厚度变化、有肋和无肋时流固耦合对结构模态的影响;然后研究了在点激励力作用下,模型厚度变化、激励力位置变化、有肋和无肋情况下流固耦合对模型辐射声功率的影响。 水下航行体在水中产生的流噪声,经其壳体表面的脉动压力以及周围湍流边界层内的扰动而激发并向外辐射。本文利用ACTRAN软件提取模型表面的脉动压力和湍流噪声源,并对湍流噪声和模型的振动辐射噪声进行了仿真计算,此方法弥补了过去只能研究简谐力作用下模型辐射声功率的不足。论文最后用混响箱法,在重力式水洞进行了验证性实验,对几种模型的辐射声功率进行了测量。 通过仿真计算和实验测量结果可以得到以下结论:水流与模型之间的流固耦合作用使得模型自身模态的固有频率向低频方向偏移,这种偏移增加了低频范围内的振动能量,进而增加相应频率范围内的辐射噪声;模型的辐射声功率随着厚度的增加而逐渐降低,在2kHz-8kHz频率范围内,厚度为2mm模型的辐射声功率比厚度为1mm低5-10dB;辐射声功率随着流速的增加而逐渐增大,9m/s工况下的辐射声功率比6m/s工况下高10-13dB,在2kHz-6kHz频率范围内,辐射声功率波动较大,在6kHz-20kHz范围内辐射声功率分布相对稳定;在模型内部加肋与不加肋相比,辐射声功率仅在2kHz-6kHz的频率范围内有2-3dB的降噪量;在模型外部敷设橡胶层则是在6kHz-14kHz的中间频段内,降噪效果最为明显,大概有5-7dB的降噪量。在流速、模型厚度、加肋与敷设橡胶层几个影响因素中,流速对辐射声功率的影响幅度最大,而加肋的影响效果最小。


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