淺析仿真軟件在水聲工程的應用

中船第七一五研究所 閆志杰

有限元分析（FEA）是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。該方法將解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而是一個很有效的工程分析手段。總體來說，該計算方法利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬，是迅速發展起來的一種針對結構力學分析的現代計算方法。它利用簡單而又相互作用的元素（即單元），用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。該方法首先在連續體力學領域應用的一種有效的數值分析方法，隨后很快廣泛地擴展應用到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。當然在水聲行業內也扮演著很重要的角色。

基于FEA算法編制的軟件，即所謂的有限元分析軟件。通常，更具軟件的適用范圍，可以將之區分為專業有限元軟件和大型通用有限元軟件。經過幾十年的發展和完善，各種專用的和通用的有限元軟件已經使有限元方法轉換為生產力。

本文將重點通過ACTRAN這一在水聲行業應用比較廣泛的軟件的使用來舉例說明仿真軟件在水聲行業中的應用。ACTRAN軟件現在已經覆蓋了振動聲學和流動聲學的各個方面，具備了與當今最先進技術相結合的廣泛特征，是當今市場上最完善的聲學模擬軟件。基于有限元和無限元方法的通用技術，ACTRAN提供了豐富的單元庫、材料庫、邊界條件、求解配置和求解器，被最挑剔的工程師、研究人員和教師用來求解具有挑戰性的振動聲學和流動聲學問題。該軟件可以處理的問題包括：聲波的輻射、散射、封閉和開放聲場、管道中的傳播、對流效應、聲振耦合、精確模擬阻尼等。

1 基于計算流體力學（CFD）及ACTRAN軟件的仿真技術流程

圖1 圍殼模型網格劃分圖示

在水聲工程匯總比較常見的仿真技術流程應該是：①利用有限元邊界軟件ANSYS建立水下結構模型、流體計算模型、聲場計算模型。②利用Fluent對流體計算模型進行網格劃分、使用ANSYS對聲場計算模型和結構模型進行網格劃分。③將流體計算模型導入CFD的Fluent中進行流體仿真計算。④將流體的仿真結果導入聲學有限元軟件ACTRAN中進行聲場仿真計算。⑤仿真計算結果分析。

模型的建立和網格的劃分：

假設模型為翼型結構，利用有限元邊界軟件建立的圍殼結構模型后，圖1為圍殼網格劃分的圖示。圍殼模型的尺度為：長為0.4m，寬為0.07372m，高為0.1677m。

2 應用CFD技術對流場進行仿真計算

首先把流場計算模型導入workbench的fluent求解軟件中進行網格的劃分和邊界條件的設定。在網格的劃分過程中本人主要運用的是三面體網格的劃分方法，在翼型結構模型與水接觸的邊界面采用的是膨脹面的細化分方法，讓網格的精度變得更加大，這樣在仿真時更能準確的體現出模型周圍流場的變化。在求解時選取的是k — ε湍流耗散模型。

此次仿真進行了下面的設定，有以下幾點：

a：進水速度的設置5.7m/s；

b：流體介質為液態水，聲速為1500m/s，粘性系數為0.001，密度為1000kg/m3；

c：流體水域為：0.4m×0.4m×3m；

最后在仿真計算時，設置的時間步長為5e-05s，取瞬態結果數量N為400，迭代次數30，分別在不同的進水流速下進行流場的仿真計算。

3 應用聲學計算軟件ACTRAN計算流噪聲

將在有限元邊界軟件ANSYS建立好的聲場計算模型導入聲學有限元軟件ACTRAN中，并在ACTRAN中對模型結構進行邊界及翼型結構模型的材料屬性設置，主要有：

a：材料為銅；

b：楊氏模量為9×e10N/M2；

c：泊松比為0.324；

d：密度為8500kg/m3。

本次聲場的仿真計算流程框圖如圖2所示。

圖2 ACTRAN仿真計算流程圖

由于在本次流場的計算時，設置的時間步長為0.00005s，瞬態所保存的結果數量為400，故在本次聲場計算的頻率范圍為50Hz～10KHz，頻率間隔為50Hz。

4 水下翼型結構流噪聲仿真結果與分析

在此次流體仿真計算所設定的流體流速5.7m/s。圖3和圖4為仿真所得的流場分布圖。

圖3與圖4為設定流速為5.7m/s的條件下，不同時刻的模型結構縱向剖面的流速云圖。圖示中較長的剖面圖是模型的x-y面中心剖面圖，較小的剖面是沿著y-z面靠近圍殼頭部的剖面圖。從圖3和圖4兩張相同流速下的等勢云圖可知，隨著時間的不斷增加，時均流速也在不斷的在增長，但是到達一定時間后時均流速不再增長，而是趨向于穩定。從剖面圖可以看出頭部和尾部的都承梯度變化，且分布在頭部的時均流速相比在尾部的時均流速要大。

圖3 5.7m/s第3秒時刻流速分布

圖4 5.7m/s第12秒時刻流速分布

結語：計算機仿真技術室利用計算機科學與技術的成果建立被仿真的系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優點。本次仿真就是在仿真條件下驗證了同一來流流速的條件下，不同時刻流場流速分布有明顯的變化，但到達一定時間后，流場流速分布變化趨于平穩這一水聲工程中的結論。運用仿真我們可以設置多種不同流速、不同模型，在多時間點的仿真結果來逼近實際情況，從來模擬出不同的水聲聲學特性等。