拖曳式線列陣聲納在水下反潛戰中發揮著重要作用。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微團的湍流脈動,由此激發出水動力噪聲,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:高速拖曳狀態時,流噪聲的強度有時遠大于環境噪聲,目標的質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生。共有兩種作用模式:1)透過護套,傳遞到內部流體;2)護套的耦合激勵,產生再輻射噪聲。另一種是由拖船尾流、渦流等不穩定性所引起的拖纜和尾纜的振動,這兩種振動即使經過隔震模塊衰減,仍可引起線陣的振動,并由此可產生三種傳播形式的波:1)在液體介質中傳播的縱波;2)在護套殼內傳播的剪切波;3)結構共振模態產生的再輻射聲波。

本次分析僅考慮第一種機理產生的噪聲影響。

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:楊氏模量5.35E10帕,阻尼0.1,泊松比0.35,密度1180千克/米3;

5)管內流體:桐油密度933千克/米3,聲速1450米/秒。

二、分析步驟

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

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,流場計算尚未穩定;

2)保存的時間步不夠多,轉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技術與ACTRAN中的TBL(湍流邊界層)激勵模型比較。