水下航行體流體激振力分布特性的分析

王紀會 劉彥森 曹穎 水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013

水下航行體流體激振力分布特性的分析

王紀會 劉彥森 曹穎 水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013

本文采用標準k-ε湍流模型計算了某水下結(jié)構(gòu)模型的表面脈動壓力，得到直航運動時結(jié)構(gòu)表面壓力分布，并分別計算了不同外流流速下脈動壓力的變化，比較了不同位置監(jiān)測點的壓力分布情況，分析了流體激勵低頻段的幅頻特性，結(jié)果表明：脈動壓力在低頻區(qū)較大，并隨頻率的增加而減小。

湍流；脈動壓力；幅頻特性

引言

水下航行體運動中承受各種力的作用，包括重力、浮力、推進器的推力、扭矩以及各項流體動力等[1]，其中由于水流沖擊振動引發(fā)結(jié)構(gòu)聲輻射，尤其當流體激勵力的激發(fā)頻率與水下航行體某個低階模態(tài)的固有頻率相吻合且作用位置合適時，即會引起整個艇體發(fā)生共振（包括彎曲共振和縱向共振）從而輻射強噪聲線譜。水下航行體的總體振動為梁式低頻振動，所以本文著重計算探討低頻段流體激勵的性質(zhì)，目的在于探索了解流體流過水下航行體的作用規(guī)律形式。由于殼體曲率的影響，在脈動激勵下容易產(chǎn)生彎曲振動，在一定條件下可以引起殼體強烈的聲輻射。

目前以計算流體力學為基礎，采用數(shù)值計算方法，通過計算機求解流體流動的數(shù)學方程，對具體問題進行數(shù)值求解，已經(jīng)成為研究流體流動的一個重要研究方向和方法，并已有成熟的大型通用商業(yè)CFD軟件，比較著名的有FLUENT，CFX，STARCD等。筆者結(jié)合CAD軟件，利用FLUENT研究結(jié)構(gòu)體外流場，可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件，并且可以獲得整個流場中任意一點處的詳細情況，使得清楚的研究流體作用機理變得方便可行。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值計算方法的選取

湍流流動是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中常見的流動現(xiàn)象，關(guān)于湍流流動的數(shù)值計算是目前計算流體力學中困難最多、研究最活躍的領(lǐng)域之一，其中湍流模式理論是目前能夠用于工程計算的模式理論。湍流模式理論是依據(jù)湍流的理論知識、實驗數(shù)據(jù)、或直接數(shù)值模擬結(jié)果，對Reynolds應力做出各種假設，即假設各種經(jīng)驗的和半經(jīng)驗的本構(gòu)關(guān)系，從而使湍流的平均Reynolds方程封閉[2]。k－ε是最為人所知和應用最廣泛的兩方程渦粘性模式，該模式對較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的結(jié)果，對于壁面流動在零或者小平均壓力梯度下，模式結(jié)果和實驗結(jié)果符合得較為一致[3]。本文計算中考慮流體黏性的影響，采用標準k－ε模型進行計算。

1.2 湍流基本控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，即要滿足三個基本方程，連續(xù)方程、動量方程和能量方程[4]。一般認為，無論湍流運動多么復雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和Navier一Stokes方程對于湍流的瞬時運動仍然是適用的。標準k－ε模型是基于湍流動能k和湍流動能耗散率ε，由以下的輸運方程描述[5]：

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算模型

參照世界數(shù)字仿真大會提供的BeTSSi-Sub模型，建立由橢球殼、圓柱殼及圓錐殼組成的模型進行數(shù)值計算，模型總長度L=62m，其中進流段長7m，平行舯體長42m，去流段長13m，最大直徑7.5m。流體計算區(qū)域的確定從理論上講，外邊界應在外圍的無窮遠處，在實際計算中將計算區(qū)域取一個圓柱體的形狀，如圖1計算模型所示為一長10L、直徑為20m包圍艇體的圓柱體（不包含結(jié)構(gòu)體本身），其軸與結(jié)構(gòu)模型對稱軸重合，進流邊界面為圓柱體的前端面，距模型艏端的距離為3L，出流邊界面是圓柱體的后端面，距模型尾端的距離為7L。

圖1 計算模型

2.2 計算結(jié)果

設置時間間隔是進行非定常流動計算的非常關(guān)鍵一步，設時間間隔為0.005s進行迭代計算[6]，對應有效分析頻率為100Hz。

圖2 結(jié)構(gòu)表面靜壓力分布云圖

圖3 結(jié)構(gòu)表面靜壓力分布曲線

當入口流速為10m/s時計算結(jié)果如圖2所示，為結(jié)構(gòu)表面靜壓力分布圖，可以看出由于模擬直航運動情況，進流段的靜壓力最大。圖3是在沿著模型x軸（中心對稱軸）方向的壓力分布曲線，可以看出靜壓力隨距離的增大而迅速減小，在中間部分趨于平穩(wěn)，隨著去流段曲率的變化又呈現(xiàn)增大趨勢。

模型表面脈動壓力分布云圖和分布曲線如圖4和圖5所示，由圖可見在數(shù)值量級上表面脈動壓力比靜壓力小一個數(shù)量級，圖5和圖3進行對比可以看出脈動壓力模型沿x軸分布形式和靜壓力有很大不同，隨距離的增大而迅速增大，在中間平行舯體部分趨于平穩(wěn)，隨著去流段曲率的變化又呈現(xiàn)減小趨勢。

圖4 結(jié)構(gòu)表面動壓力分布云圖

圖6 進流段點迭代壓力分布圖

當入口流速為10m/s時在進流段取特征點進行監(jiān)測并記錄其脈動壓力變化，如圖6所示為壓力值隨迭代次數(shù)增加的分布曲線，圖7為進行傅立葉變換后取100Hz以下頻段的幅頻分布圖。從圖7可以看出，脈動壓力隨頻率的增加而減小并趨于平坦，由于模型結(jié)構(gòu)具有較好的光順幾何外形，相對并不復雜，作用于其表面的脈動壓力在這種勻速直線運動狀態(tài)下起伏比較小。

圖7 進流段點幅頻分布圖

圖8 不同位置監(jiān)測點幅頻分布圖

另外分別在平行舯體和去流段取兩個監(jiān)測點，記錄其脈動壓力值，同樣進行傅里葉變換后，然后與進流段點脈動壓力三者進行比較，如圖8所示，可以看出所取的三個典型部位處流體脈動壓力值的頻譜特性基本沒有差別。

3 結(jié)語

3.1 直航運動情況下，進流段表面靜壓力大于其他地方，由于幾何變化曲率比較小，中間平行舯體表面靜壓力最小。

3.2 結(jié)構(gòu)表面脈動壓力與表面靜壓力相比，在數(shù)值上小一個量級，沿結(jié)構(gòu)表面分布變化趨勢恰好相反。

3.3 在100 Hz以下的頻段中，結(jié)構(gòu)脈動壓力幅值隨頻率的增加而減小，最后趨于平坦。

3.4 不同結(jié)構(gòu)部位的脈動壓力頻頻分布規(guī)律基本一致，分布形式?jīng)]有表現(xiàn)出明顯不同。

[1]張楠，沈鴻萃，姚惠之.潛艇阻力與流場的數(shù)值模擬與驗證及艇型的數(shù)值優(yōu)化研究.船舶力學2005,(1):1～13

[2]邱遼原．潛艇粘性流場的數(shù)值模擬及其阻力預報的方法研究[D]．華中科技大學博士學位論文2006

[3]鄭楊．圍殼結(jié)構(gòu)聲輻射機理研究[D]．哈爾濱工程大學碩士學位論文2009

[4]劉紅光，張冬青，陸森林等．汽車外部流場和脈動壓力模擬計算.江蘇大學學報，2010，31（5）

[5]林小平．潛艇水動力計算及型線生成研究[D]．武漢理工大學碩士學位論文2005

[6]韓占忠．FLUENT流體工程仿真計算實例與分析[M]．北京：北京理工大學出版社2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.016

編號613122101

王紀會（1985-），男，助理工程師，從事水下結(jié)構(gòu)振動聲輻射、流體動力聲學計算等方面研究。