小型高速水下航行器湍流边界层脉动压力统计特性理论及应用研究

Fluctuating pressure load in turbulent boundary layer is a research focus of hydrodynamic noise about underwater vehicle. Fluctuating pressure will cause the system to strong vibration and radiated noise, which will seriously affect the system reliability, so that an accurate estimate of the turbulent boundary layer pulsating pressure loads of great significance in the dynamic environment forecast of AUV. The project is to study the uniform distributed randomly fluctuating surface pressure loads of small high-speed underwater vehicle, in order to obtain more accurate import parameter in dynamic environmental forecast and to improve forecast accuracy..This project studies for cone - cylindrical composite shells. Based on the principle of power flow, transfer admittance function of such composite structures is proposed. The calculation method provides basis for dynamical analysis of AUV and aerospace vehicles..Based on the principle of fluid dynamics, combined finite element method, the semi-empirical calculation method for pulsating pressure is obtained. At the same time, based on the relationship between external force and input power which proposed by F.Han, space considerations about pulsating pressure is considered. This work will refine the SEA method on complex random excitation of surface computing, and improve the forecast accuracy of complex dynamic system.

湍流边界层脉动压力载荷是水下航行器水动力噪声研究工作的重点。脉动压力激励将导致强烈振动和辐射噪声，强振动、噪声动力学环境会严重影响系统可靠性，因此，准确估计湍流边界层脉动压力载荷在水下航行器动力学环境预报中具有重要意义。本项目即围绕小型高速水下航行器表面不均匀分布随机脉动压力载荷开展研究，以获得更加准确的动力学环境预报输入参数，提高预报精度。.本项目以锥壳—圆柱壳组合结构为研究对象，基于导纳功率流原理，提出锥壳—圆柱壳此类组合结构的传递导纳函数计算方法，为具有类似结构的水下航行器、航空航天飞行器的动力学分析提供基础。.基于流体力学原理，结合有限元方法，获得脉动压力半经验计算方法。以F.Han提出的外力与输入功率之间的传递关系为基础，考虑脉动压力随机激励的空间相关性，获得更为准确的脉动压力与输入功率之间的关系，进一步完善SEA方法中关于复杂随机面激励的计算，提高复杂系统动力学环境预报的精度。

湍流边界层脉动压力载荷是水下航行器水动力噪声研究工作的重点。脉动压力激励将导致强烈振动和辐射噪声，强振动、噪声动力学环境会严重影响系统可靠性。因此，湍流边界层脉动压力载荷估计成为水下航行器动力学环境预报的关键，准确估计它输入给系统的能量将提高预报精度。. 本项目即以小型高速水下航行器为研究对象，对其表面湍流边界层随机脉动压力进行分析，获得统计能量分析方法预报动力学环境的载荷输入参数，并开展水下航行器声呐腔水动力自噪声预报，通过实验测试验证预报结果和载荷计算方法。具体研究内容包括以下三个方面：1、水下航行器表面脉动压力计算；2、水下航行器表面脉动压力随机激励统计特性研究；3、水下航行器声呐腔水动力自噪声预报及实验验证。. 通过水下航行器表面脉动压力计算，分析了外部流场随航行器相对运动速度和攻角的变化规律，获得纵向、横向两个方向的相关性影响因子，提高输入功率的估算精度。. 在研究了圆柱壳与圆锥壳振动特性的基础上，提出了将圆锥壳等效为圆柱壳的思路，水下航行器尾段为圆锥壳结构，其等效圆柱壳的直径取为锥壳小端和大端直径的平均值，长度等于圆锥壳的母线长度。基于成熟的、经典的圆柱壳导纳计算方法，并用实验方法得到圆柱壳与圆锥壳导纳之间的关系，获得了修正的圆锥壳导纳近似计算公式。. 设计加工了水下航行器的缩比模型，在高速水洞中开展了实验，获得了头部端面的加速度、头部流噪声、头部外表面压力、中段隔板加速度、中段空腔噪声、中段外表面压力数据，其中压力数据用于输入功率计算的已知条件，噪声数据用于验证了预报精度。. 通过实验和数值方法，获得了声呐腔水动力自噪声预报的内损耗因子、模态密度和耦合损耗因子。基于功率与导纳之间的基本关系，获得了水下航行器结构表面的输入功率，并应用于声呐腔水动力自噪声预报中。最后，通过对比数值结果和实验数据，验证了脉动压力所引起的输入功率的计算精度和噪声预报精度，并分析了误差来源。

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