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螺旋桨唱音数值模拟研究

作　者: 杜宜洋
导　师: 马骏
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 螺旋桨唱音旋涡发放数值模拟流固耦合频率响应
分类号: U664.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 45次
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内容摘要

在船舶工程领域,螺旋桨的振动噪声,尤其是共振引起的噪声—唱音,是舰船主要噪声源之一。螺旋桨唱音,是由于湍流激励导致螺旋桨桨叶结构共振所引发的一种非线性声学现象,也就是说,桨叶旋涡发放频率与螺旋桨固有频率接近的情况下,由旋涡激发螺旋桨共振,就引起了唱音。舰船螺旋桨一旦发生了唱音,将引起较强的舰船尾部振动和令人厌烦的舱室噪音,严重破坏了舰船的舒适性,而且叶片的强烈振动还有可能造成疲劳损坏。另外,螺旋桨唱音是潜艇低频段(1-100Hz)噪声的主要成分,影响潜艇的隐蔽性和战斗力。因此,螺旋桨唱音的研究具有着重要意义。目前,学者对螺旋桨唱音问题的数值模拟研究还少有涉及。如果在现有的条件下,建立相对合理的模型,借助计算机来计算在不同的来流速度和不同的转速下的螺旋桨旋涡发放频率,然后与螺旋桨的固有频率相比较,如此就能在螺旋桨的设计阶段,根据提供的参数,来预测螺旋桨是否会发生唱音现象。然而,由于当前计算能力有限,详细地建立螺旋桨和周围流体域的有限元模型来进行流固耦合的计算,还是存在着很大困难。本文对螺旋桨唱音的数值模拟研究做了一些工作。首先,选取圆柱剖面和桨叶剖面为研究对象,并基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方法以此剖面和周围流体建立了有限元模型,并进行旋涡发放研究,对观察到的桨叶剖面发放旋涡的运动特性给出了相应的解释,并将计算得到的旋涡发放频率与经验公式得到的旋涡发放频率进行了比较。然后,以柱体为研究对象,按照上述方法进行旋涡发放数值模拟,并对其进行了频响分析。最后,进行了螺旋桨唱音的数值模拟,由于计算能力有限,本文只研究了一个桨叶的旋涡发放现象,约束条件设置在桨叶根部,并通过施加来流来模拟转动时桨叶与水的相对运动,也对其进行了频响分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题的研究价值  8-9
  1.2 国内外相关研究综述  9-12
  1.3 论文的研究内容  12-13
2 研究方法和原理  13-24
  2.1 有限单元法  13-17
    2.1.1 有限元法求解问题的一般步骤  13-14
    2.1.2 空间问题的有限元分析原理  14-17
    2.1.3 有限元软件  17
  2.2 流固耦合算法  17-21
  2.3 旋涡发放原理  21-24
3 固有特性研究  24-30
  3.1 模态分析  24
  3.2 桨叶模态的求解  24-28
    3.2.1 桨叶在空气中的模态  24-26
    3.2.2 桨叶在水中的模态  26-28
    3.2.3 结果对比  28
  3.3 圆柱模态的求解  28-30
    3.3.1 有限元模型的建立  28-29
    3.3.2 圆柱在水中的模态  29-30
4 二维结构旋涡发放数值模拟  30-43
  4.1 圆柱剖面旋涡发放数值模拟  30-33
    4.1.1 理论公式求解  30
    4.1.2 数值模拟求解  30-33
    4.1.3 数值方法的验证  33
  4.2 桨叶剖面旋涡发放数值模拟  33-43
    4.2.1 有限元模型的建立  33-34
    4.2.2 数值模拟计算  34-37
    4.2.3 数值方法的验证  37
    4.2.4 影响涡频的因素  37-39
    4.2.5 桨叶剖面结构响应分析  39-43
5 三维结构旋涡发放数值模拟  43-61
  5.1 圆柱体旋涡发放数值模拟  43-49
    5.1.1 模型的建立  43
    5.1.2 数值模拟计算  43-46
    5.1.3 圆柱的频响分析  46-49
  5.2 螺旋桨桨叶旋涡发放数值模拟  49-61
    5.2.1 模型的建立  49-50
    5.2.2 数值模拟计算  50-53
    5.2.3 桨叶结构响应分析  53-57
    5.2.4 桨叶的频响分析  57-61
6 结论与展望  61-63
  6.1 本文结论  61-62
  6.2 未来展望  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  66-67
致谢  67-68

螺旋桨唱音数值模拟研究

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