王紀(jì)會(huì) 劉彥森 曹穎 水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)會(huì) 劉彥森 曹穎 水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算了某水下結(jié)構(gòu)模型的表面脈動(dòng)壓力，得到直航運(yùn)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)表面壓力分布，并分別計(jì)算了不同外流流速下脈動(dòng)壓力的變化，比較了不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力分布情況，分析了流體激勵(lì)低頻段的幅頻特性，結(jié)果表明：脈動(dòng)壓力在低頻區(qū)較大，并隨頻率的增加而減小。

湍流；脈動(dòng)壓力；幅頻特性

引言

水下航行體運(yùn)動(dòng)中承受各種力的作用，包括重力、浮力、推進(jìn)器的推力、扭矩以及各項(xiàng)流體動(dòng)力等[1]，其中由于水流沖擊振動(dòng)引發(fā)結(jié)構(gòu)聲輻射，尤其當(dāng)流體激勵(lì)力的激發(fā)頻率與水下航行體某個(gè)低階模態(tài)的固有頻率相吻合且作用位置合適時(shí)，即會(huì)引起整個(gè)艇體發(fā)生共振（包括彎曲共振和縱向共振）從而輻射強(qiáng)噪聲線譜。水下航行體的總體振動(dòng)為梁式低頻振動(dòng)，所以本文著重計(jì)算探討低頻段流體激勵(lì)的性質(zhì)，目的在于探索了解流體流過(guò)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(dòng)激勵(lì)下容易產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，在一定條件下可以引起殼體強(qiáng)烈的聲輻射。

目前以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程，對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值求解，已經(jīng)成為研究流體流動(dòng)的一個(gè)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(chǎng)，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(gè)流場(chǎng)中任意一點(diǎn)處的詳細(xì)情況，使得清楚的研究流體作用機(jī)理變得方便可行。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值計(jì)算方法的選取

湍流流動(dòng)是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中常見(jiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象，關(guān)于湍流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算是目前計(jì)算流體力學(xué)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(jì)算的模式理論。湍流模式理論是依據(jù)湍流的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、或直接數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)Reynolds應(yīng)力做出各種假設(shè)，即假設(shè)各種經(jīng)驗(yàn)的和半經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用最廣泛的兩方程渦粘性模式，該模式對(duì)較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的結(jié)果，對(duì)于壁面流動(dòng)在零或者小平均壓力梯度下，模式結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較為一致[3]。本文計(jì)算中考慮流體黏性的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型進(jìn)行計(jì)算。

1.2 湍流基本控制方程

流體流動(dòng)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(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，即要滿足三個(gè)基本方程，連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程[4]。一般認(rèn)為，無(wú)論湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和Navier一Stokes方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍然是適用的。標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型是基于湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε，由以下的輸運(yùn)方程描述[5]：

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算模型

參照世界數(shù)字仿真大會(huì)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模型總長(zhǎng)度L=62m，其中進(jìn)流段長(zhǎng)7m，平行舯體長(zhǎng)42m，去流段長(zhǎng)13m，最大直徑7.5m。流體計(jì)算區(qū)域的確定從理論上講，外邊界應(yīng)在外圍的無(wú)窮遠(yuǎn)處，在實(shí)際計(jì)算中將計(jì)算區(qū)域取一個(gè)圓柱體的形狀，如圖1計(jì)算模型所示為一長(zhǎng)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(duì)稱軸重合，進(jìn)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(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置時(shí)間間隔是進(jìn)行非定常流動(dòng)計(jì)算的非常關(guān)鍵一步，設(shè)時(shí)間間隔為0.005s進(jìn)行迭代計(jì)算[6]，對(duì)應(yīng)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(dāng)入口流速為10m/s時(shí)計(jì)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(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)流段的靜壓力最大。圖3是在沿著模型x軸（中心對(duì)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(shì)。

模型表面脈動(dòng)壓力分布云圖和分布曲線如圖4和圖5所示，由圖可見(jiàn)在數(shù)值量級(jí)上表面脈動(dòng)壓力比靜壓力小一個(gè)數(shù)量級(jí)，圖5和圖3進(jìn)行對(duì)比可以看出脈動(dòng)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(shì)。

圖4 結(jié)構(gòu)表面動(dòng)壓力分布云圖

圖6 進(jìn)流段點(diǎn)迭代壓力分布圖

當(dāng)入口流速為10m/s時(shí)在進(jìn)流段取特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄其脈動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(duì)并不復(fù)雜，作用于其表面的脈動(dòng)壓力在這種勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下起伏比較小。

圖7 進(jìn)流段點(diǎn)幅頻分布圖

圖8 不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)幅頻分布圖

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

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 直航運(yùn)動(dòng)情況下，進(jìn)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(dòng)壓力與表面靜壓力相比，在數(shù)值上小一個(gè)量級(jí)，沿結(jié)構(gòu)表面分布變化趨勢(shì)恰好相反。

3.3 在100 Hz以下的頻段中，結(jié)構(gòu)脈動(dòng)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(dòng)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(chǎng)的數(shù)值模擬與驗(yàn)證及艇型的數(shù)值優(yōu)化研究.船舶力學(xué)2005,(1):1～13

[2]邱遼原．潛艇粘性流場(chǎng)的數(shù)值模擬及其阻力預(yù)報(bào)的方法研究[D]．華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文2006

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

[4]劉紅光，張冬青，陸森林等．汽車(chē)外部流場(chǎng)和脈動(dòng)壓力模擬計(jì)算.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（5）

[5]林小平．潛艇水動(dòng)力計(jì)算及型線生成研究[D]．武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2005

[6]韓占忠．FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.016

編號(hào)613122101

王紀(jì)會(huì)（1985-），男，助理工程師，從事水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射、流體動(dòng)力聲學(xué)計(jì)算等方面研究。