水下钝体流噪声的发生机理和传播特性研究

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近年来,水下航行器噪声问题越来越受到重视,水下钝体流噪声的研究具有重大意义。本论文为了研究水下钝体流噪声,引入气动计算声学的一些方法,进行适当改进以满足水动计算声学需要。本论文采用适用于水介质的线性欧拉方程进行声场计算,并提出了波数优化的浸入边界法来应对不同形状物体表面的声反射问题。本论文采用流声分离法和声边界条件法完成流场和声场的耦合。为了提高流声分离法的计算精度,同时降低耗散和色散,推导了波数优化的二阶导数格式。针对流场和声场网格不同,且流场网格非均匀的特性,将已有的高精度插值方法进行改进,并根据同样原理推导出高精度的差分格式。本论文通过一些有理论解的模型验证了这些理论和数值方法的有效性。为测试本论文采用的研究方法和自编软件,对水下二维低雷诺数方柱绕流和高雷诺数圆柱绕流进行了流噪声计算。本论文采用商业CFD(Computational Fluid Dynamics)软件的大涡模拟方法计算流场,并通过自编程序来完成流声分离和声场计算,同时采用声类比的方法进行计算并对比。完成了水下钝体流噪声的二维情况研究,证实了流噪声和尾涡脱落的相关性,尾涡脱落时与钝体的相互作用是流噪声的主要来源。本论文进行了水下高雷诺数圆球绕流的流噪声的三维计算,采用商业CFD软件的大涡模拟方法计算流场后利用自编程序完成流声分离及声场计算。同时还采用了传统声类比的方法进行声指向性计算。计算结果和实验数据进行对比,验证了本论文采用的研究方法和自编软件的有效性和实用性,同时发现圆球绕流的声指向性偏转和尾涡的偏转高度相关,并随其存在长周期的变化。
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