水下航行体流体激振力分布特性的分析

王纪会 刘彦森 曹颖 水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013

水下航行体流体激振力分布特性的分析

王纪会 刘彦森 曹颖 水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013

本文采用标准k-ε湍流模型计算了某水下结构模型的表面脉动压力，得到直航运动时结构表面压力分布，并分别计算了不同外流流速下脉动压力的变化，比较了不同位置监测点的压力分布情况，分析了流体激励低频段的幅频特性，结果表明：脉动压力在低频区较大，并随频率的增加而减小。

湍流；脉动压力；幅频特性

引言

水下航行体运动中承受各种力的作用，包括重力、浮力、推进器的推力、扭矩以及各项流体动力等[1]，其中由于水流冲击振动引发结构声辐射，尤其当流体激励力的激发频率与水下航行体某个低阶模态的固有频率相吻合且作用位置合适时，即会引起整个艇体发生共振（包括弯曲共振和纵向共振）从而辐射强噪声线谱。水下航行体的总体振动为梁式低频振动，所以本文着重计算探讨低频段流体激励的性质，目的在于探索了解流体流过水下航行体的作用规律形式。由于壳体曲率的影响，在脉动激励下容易产生弯曲振动，在一定条件下可以引起壳体强烈的声辐射。

目前以计算流体力学为基础，采用数值计算方法，通过计算机求解流体流动的数学方程，对具体问题进行数值求解，已经成为研究流体流动的一个重要研究方向和方法，并已有成熟的大型通用商业CFD软件，比较著名的有FLUENT，CFX，STARCD等。笔者结合CAD软件，利用FLUENT研究结构体外流场，可以方便灵活地改变初始条件、边界条件，并且可以获得整个流场中任意一点处的详细情况，使得清楚的研究流体作用机理变得方便可行。

1 数值模拟方法

1.1 数值计算方法的选取

湍流流动是自然界和工程技术领域中常见的流动现象，关于湍流流动的数值计算是目前计算流体力学中困难最多、研究最活跃的领域之一，其中湍流模式理论是目前能够用于工程计算的模式理论。湍流模式理论是依据湍流的理论知识、实验数据、或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds方程封闭[2]。k－ε是最为人所知和应用最广泛的两方程涡粘性模式，该模式对较小压力梯度下的自由剪切流具有较好的结果，对于壁面流动在零或者小平均压力梯度下，模式结果和实验结果符合得较为一致[3]。本文计算中考虑流体黏性的影响，采用标准k－ε模型进行计算。

1.2 湍流基本控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，即要满足三个基本方程，连续方程、动量方程和能量方程[4]。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和Navier一Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。标准k－ε模型是基于湍流动能k和湍流动能耗散率ε，由以下的输运方程描述[5]：

2 计算结果及分析

2.1 计算模型

参照世界数字仿真大会提供的BeTSSi-Sub模型，建立由椭球壳、圆柱壳及圆锥壳组成的模型进行数值计算，模型总长度L=62m，其中进流段长7m，平行舯体长42m，去流段长13m，最大直径7.5m。流体计算区域的确定从理论上讲，外边界应在外围的无穷远处，在实际计算中将计算区域取一个圆柱体的形状，如图1计算模型所示为一长10L、直径为20m包围艇体的圆柱体（不包含结构体本身），其轴与结构模型对称轴重合，进流边界面为圆柱体的前端面，距模型艏端的距离为3L，出流边界面是圆柱体的后端面，距模型尾端的距离为7L。

图1 计算模型

2.2 计算结果

设置时间间隔是进行非定常流动计算的非常关键一步，设时间间隔为0.005s进行迭代计算[6]，对应有效分析频率为100Hz。

图2 结构表面静压力分布云图

图3 结构表面静压力分布曲线

当入口流速为10m/s时计算结果如图2所示，为结构表面静压力分布图，可以看出由于模拟直航运动情况，进流段的静压力最大。图3是在沿着模型x轴（中心对称轴）方向的压力分布曲线，可以看出静压力随距离的增大而迅速减小，在中间部分趋于平稳，随着去流段曲率的变化又呈现增大趋势。

模型表面脉动压力分布云图和分布曲线如图4和图5所示，由图可见在数值量级上表面脉动压力比静压力小一个数量级，图5和图3进行对比可以看出脉动压力模型沿x轴分布形式和静压力有很大不同，随距离的增大而迅速增大，在中间平行舯体部分趋于平稳，随着去流段曲率的变化又呈现减小趋势。

图4 结构表面动压力分布云图

图6 进流段点迭代压力分布图

当入口流速为10m/s时在进流段取特征点进行监测并记录其脉动压力变化，如图6所示为压力值随迭代次数增加的分布曲线，图7为进行傅立叶变换后取100Hz以下频段的幅频分布图。从图7可以看出，脉动压力随频率的增加而减小并趋于平坦，由于模型结构具有较好的光顺几何外形，相对并不复杂，作用于其表面的脉动压力在这种匀速直线运动状态下起伏比较小。

图7 进流段点幅频分布图

图8 不同位置监测点幅频分布图

另外分别在平行舯体和去流段取两个监测点，记录其脉动压力值，同样进行傅里叶变换后，然后与进流段点脉动压力三者进行比较，如图8所示，可以看出所取的三个典型部位处流体脉动压力值的频谱特性基本没有差别。

3 结语

3.1 直航运动情况下，进流段表面静压力大于其他地方，由于几何变化曲率比较小，中间平行舯体表面静压力最小。

3.2 结构表面脉动压力与表面静压力相比，在数值上小一个量级，沿结构表面分布变化趋势恰好相反。

3.3 在100 Hz以下的频段中，结构脉动压力幅值随频率的增加而减小，最后趋于平坦。

3.4 不同结构部位的脉动压力频频分布规律基本一致，分布形式没有表现出明显不同。

[1]张楠，沈鸿萃，姚惠之.潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究.船舶力学2005,(1):1～13

[2]邱辽原．潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究[D]．华中科技大学博士学位论文2006

[3]郑杨．围壳结构声辐射机理研究[D]．哈尔滨工程大学硕士学位论文2009

[4]刘红光，张冬青，陆森林等．汽车外部流场和脉动压力模拟计算.江苏大学学报，2010，31（5）

[5]林小平．潜艇水动力计算及型线生成研究[D]．武汉理工大学硕士学位论文2005

[6]韩占忠．FLUENT流体工程仿真计算实例与分析[M]．北京：北京理工大学出版社2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.016

编号613122101

王纪会（1985-），男，助理工程师，从事水下结构振动声辐射、流体动力声学计算等方面研究。