噪聲分析軟件Actran拖曳聲納流噪聲影響分析
2016-11-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
拖曳式線列陣聲納在水下反潛戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。拖曳陣工作時,由于拖纜和海水間的相對運動,在拖纜護套的外表面附近存在海水介質(zhì)微團的湍流脈動,由此激發(fā)出水動力噪聲,稱之為流致噪聲。流致噪聲的強度是影響拖曳式聲納實際工作性能的重要因素:高速拖曳狀態(tài)時,流噪聲的強度有時遠大于環(huán)境噪聲,目標的質(zhì)點振速信息將被完全淹沒在流噪聲中。
拖纜在海水中拖曳時,海水和拖纜間的相對運動產(chǎn)生的流噪聲按其機理,可分為兩種:一種是拖纜外表面處湍流邊界層中的脈動壓力,主要由湍流的微尺度運動及表面的渦脫落產(chǎn)生。共有兩種作用模式:1)透過護套,傳遞到內(nèi)部流體;2)護套的耦合激勵,產(chǎn)生再輻射噪聲。另一種是由拖船尾流、渦流等不穩(wěn)定性所引起的拖纜和尾纜的振動,這兩種振動即使經(jīng)過隔震模塊衰減,仍可引起線陣的振動,并由此可產(chǎn)生三種傳播形式的波:1)在液體介質(zhì)中傳播的縱波;2)在護套殼內(nèi)傳播的剪切波;3)結(jié)構(gòu)共振模態(tài)產(chǎn)生的再輻射聲波。
本次分析僅考慮第一種機理產(chǎn)生的噪聲影響。
一、研究對象
1)拖曳聲納管道以水平方向拖動,管道外是水,管內(nèi)是油,水聽器放置在管道中;
2)本次計算忽略水聽器,僅求解外部湍流邊界層脈動壓力作用于管壁以及管內(nèi)的聲場分布;
3)管道直徑0.066米,壁厚0.002米,以7米/秒的速度沿軸向拖動;
4)管壁材料參數(shù):楊氏模量5.35E10帕,阻尼0.1,泊松比0.35,密度1180千克/米3;
5)管內(nèi)流體:桐油密度933千克/米3,聲速1450米/秒。
二、分析步驟
步驟1. Fluent非定常流場計算
Fluent計算模型:外部建立圓柱流場包裹管道,管長L=1米,管道半徑r=0.033米,流體圓柱體半徑R=0.2米。
Fluent計算:
1)定常流動模擬
使用RANS定常流動計算,建立流場。
2)流場建立后轉(zhuǎn)非定常大渦模擬 一般需要等流場穩(wěn)定后,才能得到可利用的數(shù)據(jù);本次計算從演示的目的出發(fā),從0.2026s時間步開始保存數(shù)據(jù),連續(xù)保存270個時間步結(jié)果。
步驟2. ACTRAN/iCFD表面脈動壓力提取與時頻轉(zhuǎn)換
提取流動噪聲源:
1)Nyquist Theorem
原始連續(xù)時間變量q(t)
離散采樣時間序列q(tk)
q(t)~q(tk) if Δt<1/(2fmax)
fmax= 5000Hz → Δt<0.0001s
2)CFD非定常流場采樣
fmin= 1/(NΔt)
fmax= 1/(2Δt)
Δf =
fmin
N = 270, Δt =
0.0001s
→ Δf= fmin= 37.037 Hz
fmax= 5000Hz
表面壓力:
1)0.2026s時刻表面壓力
2)0.2295s時刻表面壓力
3)1000Hz表面壓力
4)2000Hz表面壓力
步驟3. ACTRAN拖曳聲納流致噪聲影響計算
ACTRAN模型說明:截去管道兩頭部分,取中間一段管道計算,L1=0.5米。
ACTRAN流致噪聲影響計算:
場點:建立四個場點:point1 [0.5,0,0]、 point2 [0.5,0.1,0]、point3 [0.5,0.2,0]、 point4 [0.5,0.3,0]
三、位移云圖
四、聲壓云圖
五、場點聲壓級頻譜曲線
六、場點聲壓級比較
七、總結(jié)
1、本次分析包含CFD計算與CAA計算:
CFD計算使用Fluent軟件 非定常計算使用大渦模擬模型;0.0001秒間隔,從0.2026s時刻開始連續(xù)提取270個時間步。
CAA計算使用ACTRAN軟件 ICFD提取表面脈動壓力并進行時頻轉(zhuǎn)換;ACTRAN計算流致噪聲影響。
2、本次分析值得改進的地方:
1)非定常計算時間不夠長,流場計算尚未穩(wěn)定;
2)保存的時間步不夠多,轉(zhuǎn)換后的頻率步長較大;
3)本次分析僅作為該類型問題的演示算例,激勵方式與邊界處理方法值得進一步研究。
八、未來的工作
1、壁面脈動壓力采樣方式比較 Integration積分法 vs Sampling 采樣法;
2、脈動壓力求解方法比較 CFD技術(shù)與ACTRAN中的TBL(湍流邊界層)激勵模型比較。
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