【摘 要】
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由湍流与推进器相互作用产生的流体激振力,是水下航行器推进系统噪声的主要激励源之一,很大程度上决定了推进器辐射噪声的频谱特征。而航行器伴流场的空间分布特性又与推进器流体激振力尤其是线谱成分密切相关,充分理解水下航行器伴流场对推进器激振力特性的影响机制具有重要意义,能为水下航行器推进系统的振动噪声控制提供有力指导。本文基于水下航行器-推进器组合模型研究了推进器流体激振力的数值模拟方法与影响因素分析方法
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由湍流与推进器相互作用产生的流体激振力,是水下航行器推进系统噪声的主要激励源之一,很大程度上决定了推进器辐射噪声的频谱特征。而航行器伴流场的空间分布特性又与推进器流体激振力尤其是线谱成分密切相关,充分理解水下航行器伴流场对推进器激振力特性的影响机制具有重要意义,能为水下航行器推进系统的振动噪声控制提供有力指导。本文基于水下航行器-推进器组合模型研究了推进器流体激振力的数值模拟方法与影响因素分析方法,结合不均匀度分析与谐调分析方法以表征伴流场,分析其对推进器流体激振力特性的影响机制。在此基础上,对航行器附体和推进器进行改型,研究水下航行器伴流场特性的变化规律及其对推进器流体激振力特性的影响规律。本文主要完成的工作如下:(1)选用RANS数值模拟方法及SST k-ω湍流模型,研究水下航行器伴流场对推进器转子线谱激振力特性的影响机制。采用不确定度分析规程验证本文数值模拟方法的精度,并将标模桨盘面处的伴流场速度、压力分布以及某螺旋桨定常、非定常力的数值模拟值与实验值对比,结果表明本文的数值模拟方法能较准确地反映航行器伴流场与推进器激振力特性。(2)配置不同航行器附体以提供不同的伴流场条件,使用伴流场不均匀度分析与谐调分析相结合的方法表征伴流场,分析不同时刻下螺旋桨叶片瞬态位置与激振力时域特性的对应关系,并研究线谱激振力的形成机理。结果表明伴流场谐调分析能较准确的反映单叶片激振力频谱分布特征,而单叶片激振力叶频处相对幅值与七叶片基本一致,故叶数阶谐调分量对推进器转子激振力影响最为明显。对于单围壳、十字舵航行器和七叶螺旋桨组成的系统,围壳对螺旋桨激振力的影响大于十字舵。(3)对围壳、尾舵等主要附体进行改型,研究附体构型对伴流场分布及螺旋桨激振力特性的影响规律。结果表明围壳改型对叶数阶谐调分量影响较小。斜壁式和倒斜壁式围壳对不同半径处速度分布的不均匀度影响均不一致,故无法同时降低螺旋桨各向激振力。但合适的围壳填角能明显降低伴流场不均匀度,从而降低各向激振力在主频处的幅值。X舵、填角等尾舵改型方法能一定程度上降低伴流场不均匀度,但未降低伴流场叶数阶谐调分量,故无法同时改善各向力和转矩的激振特性。(4)将螺旋桨改型为水动力性能相近的泵喷推进器,研究在泵喷推进形式下航行器附体构型对伴流场分布及转子激振力特性的影响规律。与航行器-螺旋桨组合模型中尾舵对推进器激振力的影响规律不同,围壳和尾舵对泵喷推进器转子激振力影响的程度相当。泵喷推进器中,导管、定子等静部件能降低转子盘面处速度,转子推力相较螺旋桨更大,同时能有效降低转子在横向和垂向上的脉动力,因此使用与航行器相匹配的泵喷推进器能够提升转子轴向力和转矩时均值,改善转子横向和垂向激振力特性。本文形成了基于水下航行器-推进器组合模型的推进器流体激振力数值模拟方法与影响因素分析方法,研究了水下航行器伴流场对推进器转子线谱激振力特性的影响机制。对多种附体构型下推进器流体激振力进行数值模拟,采用伴流场不均匀度分析与谐调分析方法,明确了影响激振力的伴流场关键特征,并分别对水下航行器附体和推进器进行改型,分析两者对转子激振力特性的影响,研究结果对推进器减振降噪设计有一定的指导意义。
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