CN113343499A - 一种舰艇壳体的流噪声预测方法 - Google Patents

一种舰艇壳体的流噪声预测方法 Download PDF

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CN113343499A CN202110764648.6A CN202110764648A CN113343499A CN 113343499 A CN113343499 A CN 113343499A CN 202110764648 A CN202110764648 A CN 202110764648A CN 113343499 A CN113343499 A CN 113343499A
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Abstract

本公开揭示了一种舰艇壳体的流噪声预测方法，包括：构造舰艇的流体计算域模型；构造舰艇的浸入边界模型；根据舰艇的流体计算域模型和浸入边界模型对舰艇进行流‑固耦合分析，获得舰艇在流‑固耦合作用下的流体场和固体场变化；基于舰艇在流‑固耦合作用下的流体场和固体场变化，获得舰艇的平均流体速度和压力变量，并通过引入声学摄动方程和每一时刻下的流体压力波动，构造流‑固‑声耦合分析模型；计算每一时间步长下，舰艇壳体在流‑固耦合作用下的压力变化，从而获得每一时刻的流噪声声源，将流噪声声源引入所述流‑固‑声耦合分析模型中，实现流噪声的时域预测。

Description

一种舰艇壳体的流噪声预测方法
技术领域
本公开属于声学仿真技术领域，特别涉及一种舰艇壳体的流噪声预测方法。
背景技术
舰艇隐身性能是其生存能力和战斗力的关键特征，也是各国提升海上军事威慑力的关键技术。然而，在浩瀚的海水介质中，声场是唯一能够远距离传递信息的物理场。因此，舰艇水下辐射噪声是其隐身性能的核心指标。为了降低舰艇水下辐射噪声水平，在设计阶段常用缩比试制的方法测试该指标的大小。但是缩比试制方法不仅耗费大量的人力物力，而且受到尺度效应和实验环境的影响。由于数值仿真具备适应性强、不受环境影响、耗费小、周期短等优势，逐渐成为设计阶段的主要分析手段。但是传统舰艇流噪声预测方法计算量大，贴体网格划分困难，并且未考虑流-固-声耦合效应的影响，不能精确有效地预测舰艇壳体的流噪声大小。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种舰艇壳体的流噪声预测方法，通过考虑流-固耦合对于固体边界和流体产生的影响，能够更精确地计算流噪声的大小。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种舰艇壳体的流噪声预测方法，包括如下步骤：
S100：构造舰艇的流体计算域模型；
S200：构造舰艇的浸入边界模型；
S300：根据舰艇的流体计算域模型和浸入边界模型对舰艇进行流-固耦合分析，获得舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化；
S400：基于舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化，获得舰艇的平均流体速度和压力变量，并通过引入声学摄动方程和每一时刻下的流体压力波动，构造流-固-声耦合分析模型；
S500：计算每一时间步长下，舰艇壳体在流-固耦合作用下的压力变化，从而获得每一时刻的流噪声声源，将流噪声声源引入所述流-固-声耦合分析模型中，实现流噪声的时域预测。
优选的，步骤S100中，通过设置至少包括流体网格位置x，流体速度u(x，t)、流体质量密度ρf、流体粘性系数μ、流体计算域的大小Lx、Ly和Lz以及流体欧拉网格间距dx、dy和dz在内的参数构造舰艇的流体计算域模型。
优选的，步骤S200中，所述舰艇的浸入边界模型包括浸入边界位置矩阵X(t)、浸入边界速度矩阵Ue(s，t)和浸入边界离散点处的刚度矩阵K(s，t)。
优选的，步骤S300包括如下步骤：
S301：根据舰艇的浸入边界附近的流体速度，计算流体对浸入边界的作用力大小；
S302：根据流体对浸入边界的作用力大小，获得浸入边界的变形量大小，通过计算浸入边界的变形量大小，获得浸入边界的流-固耦合作用力大小；
S303：将所述浸入边界的流-固耦合作用力引入流体控制方程中，获得流-固耦合作用下的流体速度和流体压力；
S304：基于所述流-固耦合作用下的流体速度和流体压力，更新每一时间步长下的浸入边界位置，实现舰艇浸入边界的位移和变形；
S305：基于舰艇浸入边界的位移和变形，设置每一时间步长计算下的远场边界条件，以实现迭代计算不同时刻下的舰艇浸入边界的流-固耦合分析。
优选的，步骤S301中，所述流体对浸入边界的作用力大小在两个切向和一个法向方向上表示为：
Figure BDA0003149788810000031
Figure BDA0003149788810000032
Figure BDA0003149788810000033
且
Figure BDA0003149788810000034
Figure BDA0003149788810000035
Figure BDA0003149788810000036
Figure BDA0003149788810000037
Figure BDA0003149788810000038
Figure BDA0003149788810000041
其中，s为边界节点的位置，t表示时间，μ表示流体粘性系数，
Figure BDA0003149788810000042
表示求一阶导，
Figure BDA0003149788810000043
表示求二阶导，ρf表示流体密度，下标f表示流体相关的物理量，Uτ1(s，t)、Uτ2(s，t)、Uw(s，t)为舰艇边界两个切向和一个法向的速度，
Figure BDA0003149788810000044
分别为切向和法向的转换矩阵，
Figure BDA0003149788810000045
分别为边界处流体在切向和法向上的变化量，δ(x-X)为B样条δ插值函数。
步骤S302中，所述浸入边界的流-固耦合作用力大小表示为：
FFSI(s，t)＝K(s，t)(Xe(s)-X(s，t))
Figure BDA0003149788810000046
且
Figure BDA0003149788810000047
Figure BDA0003149788810000048
Figure BDA0003149788810000049
Figure BDA00031497888100000410
其中，Δs为边界离散点之间的距离，Kw为边界的法向刚度矩阵，Kτ1和Kτ2为边界的两个切向方向上的刚度矩阵，
Figure BDA00031497888100000411
Figure BDA00031497888100000412
分别为切向和法向上在流体力作用下的边界变形量，
Figure BDA0003149788810000051
分别为x、y、z方向上的转换矩阵。
优选的，步骤S303中，所述流体控制方程表示为：
Figure BDA0003149788810000052
Figure BDA0003149788810000053
其中，u(x，t)为流-固耦合下的流体速度，p(x，t)为流-固耦合下的流体压力，fFSI(x，t)为欧拉网格上的流固耦合作用力矢量，
Figure BDA0003149788810000054
表示哈密顿算子，
Figure BDA0003149788810000055
为x、y、z三个方向的正方向，
Figure BDA0003149788810000056
为拉普拉斯算子；
步骤S304中，通过下式更新每一时间步长下的浸入边界位置：
X(s，t+Δt)＝X(s，t)+Ue(s，t)Δt+Δt∫u(x，t)δ(x-X)dx
其中，Δt为每一步时间步长的时间长度，X(s，t)为第s个边界离散点当时间为t时的流体网格坐标值，s为边界离散点的标记值，t为当前的计算时间，δ为前述的δ函数。
优选的，步骤S400包括如下步骤：
S401：计算流-固耦合稳定状态下的平均速度场和平均压力场；
S402：依据声学摄动方程及所述平均速度场和平均压力场，构造流-固-声耦合分析模型；
S403：基于流-固-声耦合计算模型，设置计算域和舰艇边界内部区域的边界吸收层，以构造无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型；
S404：针对无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型，在每一个时间步长的声学计算中，通过添加舰艇边界处的声压和声波速度边界条件，以保证每一时间步长内声学计算结果的准确性。
优选的，步骤S401中，所述流-固耦合稳定状态下的平均速度场和平均压力场通过下式计算：
Figure BDA0003149788810000061
Figure BDA0003149788810000062
其中，i为n与m之间的取值，n为流体稳定出现漩涡脱落后的时间步长数，m为流体稳定漩涡脱落一定时间后的时间步长数，x为流体网格坐标，Δt为时间步长的大小，
Figure BDA0003149788810000063
为平均速度场，包含
Figure BDA0003149788810000064
和
Figure BDA0003149788810000065
为平均压力场，当时间步长为t≥nΔt时，流-固耦合分析结果为稳定计算结果。
优选的，步骤S402中，所述流-固-声耦合分析模型表示为：
Figure BDA0003149788810000066
且
Figure BDA0003149788810000071
Figure BDA0003149788810000072
其中，
Figure BDA0003149788810000073
为
Figure BDA0003149788810000074
在x、y、z方向上的流体平均速度分量向量矩阵，
Figure BDA0003149788810000075
为流体网格上的平均压力，即
Figure BDA0003149788810000076
的简写，
Figure BDA0003149788810000077
是平均流体密度，
Figure BDA0003149788810000078
为流体的平均声速，由于水流默认为不可压缩流体，因此
Figure BDA0003149788810000079
和
Figure BDA00031497888100000710
cf为流体中的声速大小。
优选的，步骤S403中，所述无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型表示为：
Figure BDA00031497888100000711
Figure BDA00031497888100000712
Figure BDA00031497888100000713
且
Figure BDA0003149788810000081
Figure BDA0003149788810000082
其中，
Figure BDA0003149788810000083
和
Figure BDA0003149788810000084
为y和z方向上的辅助变量矩阵，σx、σy、σz为笛卡尔坐标系三维方向上的吸收系数，x、y、z表示流体网格的坐标值，t表示时间变量.
步骤S404中，所添加的舰艇边界处的声压和声波速度边界条件表示为：
Figure BDA0003149788810000085
Ua(s，t)·n＝0
其中，n＝(nx ny nz)T为边界处的单位法向量，上述边界条件表明声压法向梯度为零，声波速度法向分量为零。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本公开考虑了弹性边界对流-固-声耦合分析产生的影响，突破了现有技术弹性边界分析困难的限制，将流噪声预测方法从刚性边界扩展到了弹性边界，扩大了流噪声预测数值方法的应用范围，可有效实现弹性边界的流噪声预测。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种舰艇壳体的流噪声预测方法流程图；
图2是本公开另一个实施例提供的圆柱壳体流噪声计算示意图；
图3(a)至图3(d)是本公开另一个实施例提供的某一同时刻下速度涡量云图，其中，图3(a)表示边界刚度为1×102时的流体速度涡量图；图3(b)表示边界刚度为1×104时的流体速度涡量图；图3(c)表示边界刚度为1×106时的流体速度涡量图；图3(d)表示边界刚度为1×108时的流体速度涡量图；
图4(a)至图4(d)是本公开另一个实施例提供的不同刚度壳体下的拉力系数和阻力系数随时间变化的示意图，其中，图4(a)表示边界刚度为1×102时的拉力系数和阻力系数随时间变化的示意图；图4(b)表示边界刚度为1×104时的拉力系数和阻力系数随时间变化的示意图；图4(c)表示边界刚度为1×106时的拉力系数和阻力系数随时间变化的示意图；图4(d)表示边界刚度为1×108时的拉力系数和阻力系数随时间变化的示意图；
图5(a)至图5(b)是本公开另一个实施例提供的不同刚度壳体下的流噪声云图，其中，图5(a)表示边界刚度为1×102时的流噪声云图；图5(b)表示边界刚度为1×108时的流噪声云图；
图6(a)至图6(b)是本公开另一个实施例提供的流噪声指向性图，其中，图6(a)表示流噪声整体指向性；图6(b)示流噪声局部指向性。
具体实施方式
下面将参照附图图1至图6(b)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，一种舰艇壳体的流噪声预测方法，包括如下步骤：
S100：构造舰艇的流体计算域模型；
该步骤中，根据实际工程需求，通过设置至少包括流体网格位置X，流体速度u(x，t)、流体质量密度ρf、流体粘性系数μ、流体计算域的大小Lx、Ly和上z以及流体欧拉网格间距dx、dy和dz在内的参数来构造舰艇的流体计算域模型。鉴于实际工程中，舰艇所处位置的流体质量密度和粘性密度变化不大，因此质量密度和粘性密度均设置为常数。
S200：构造舰艇的浸入边界模型；
该步骤中，基于舰艇的实际结构边界特征，构造舰艇的浸入边界位置矩阵X(t)，即舰艇的浸入边界在笛卡尔坐标系(欧拉网格)上的坐标，将边界离散点的坐标集合起来，形成一个三维的坐标点矩阵，其中，针对每一个浸入边界离散点标记为S；依据舰艇边界的平动或转动运动形式，获得浸入边界速度矩阵Ue(s，t)，该矩阵在切向和法向方向上分别表示为Ueτ1(s，t)、Ueτ2(s，t)和Uew(s，t)；基于舰艇结构的几何模型、材料密度和弹性刚度，通过有限元方式构造舰艇浸入边界离散点处的刚度矩阵K(s，t)，在切向和法向上的刚度大小分别为Kτ1(s，t)，Kτ2(s，t)和Kw(s，t)。以上所构造的三个矩阵表征了舰艇浸入边界的空间运动特征以及力学特征，从而构成了舰艇的浸入边界模型。为了对该浸入边界模型有更清晰的了解，下面以图2为例进行说明，图2展示了一个圆柱壳体的二维浸入边界，其中蓝色点即为边界的离散点，每个离散点在欧拉网格上每一时刻下的坐标值即为边界位置矩阵X(t)；边界整体的平动或者转动运动形式已知，则边界离散点的速度矩阵可获得Ue(s，t)。通过有限元建立边界的模型，输入相关材料参数，可知边界上的刚度大小K(s，t)，并且该刚度矩阵可以表示为切向和法向刚度，二维中一个切向一个法向，三维中两个切向一个法向，即Kτ1(s，t)，Kτ2(s，t)和Kw(s，t)。
S300：根据舰艇的流体计算域模型和浸入边界模型对舰艇进行流-固耦合分析，获得舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化；
S400：基于舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化，获得舰艇的平均流体速度和压力变量，并通过引入声学摄动方程和每一时刻下的流体压力波动，构造流-固-声耦合分析模型；
S500：计算每一时间步长下，舰艇壳体在流-固耦合作用下的压力变化，从而获得每一时刻的流噪声声源，将流噪声声源引入所述流-固-声耦合分析模型中，实现流噪声的时域预测。
上述实施例构成了本公开的完整技术方案，和现有技术相比，本实施例通过考虑流-固耦合对于固体边界和流体产生的影响，从而能够获得更精确的流-固耦合结果，进而更精确地计算流噪声的大小。
另一个实施例中，步骤S300包括如下步骤：
S301：根据舰艇的浸入边界附近的流体速度，计算流体对浸入边界的作用力大小；
该步骤中，所述流体对浸入边界的作用力大小在两个切向和一个法向方向上表示为：
Figure BDA0003149788810000121
Figure BDA0003149788810000122
Figure BDA0003149788810000131
且
Figure BDA0003149788810000132
Figure BDA0003149788810000133
Figure BDA0003149788810000134
Figure BDA0003149788810000135
Figure BDA0003149788810000136
Figure BDA0003149788810000137
其中，s表示边界节点的位置，t表示时间，μ表示流体粘性系数，
Figure BDA0003149788810000138
表示求一阶导，
Figure BDA0003149788810000139
表示求二阶导，ρf表示流体密度，下标f表示流体相关的物理量，下标τ1和τ2表示两个正交的边界切向方向，下标w表示与上述两个切向方向正交的边界法向方向，
Figure BDA00031497888100001310
表示变量的变化量；Ffτ1(s，t)、Ffτ2(s，t)、Ffw(s，t)为舰艇边界上两个切向和一个法向的流体作用力大小，Uτ1(s，t)、Uτ2(s，t)、Uw(s，t)为舰艇边界两个切向和一个法向的速度，
Figure BDA00031497888100001311
分别为切向和法向的转换矩阵，
Figure BDA00031497888100001312
分别为边界处流体在切向和法向上的变化量，δ(x-X)为B样条δ插值函数，表示为：
Figure BDA0003149788810000141
Figure BDA0003149788810000142
其中，x，y、z表示流体网格坐标值，X，Y，Z表示边界离散点出的流体网格坐标值，φ表示一维δ函数。
需要说明的是，本实施例中采用的是4点B样条δ函数，r表示δ函数中的无量纲变量，即在x、y、z方向上分别取值为
Figure BDA0003149788810000143
Figure BDA0003149788810000144
S302：根据流体对浸入边界的作用力大小，获得浸入边界的变形量大小，通过浸入边界的变形量大小，获得浸入边界的流-固耦合作用力大小；
该步骤中，浸入边界的流-固耦合作用力大小表示为：
FFSI(s，t)＝K(s，t)(Xe(s)-X(s，t))
Figure BDA0003149788810000145
且
Figure BDA0003149788810000146
Figure BDA0003149788810000147
Figure BDA0003149788810000151
Figure BDA0003149788810000152
其中，Δs为边界离散点之间的距离，Kw为边界的法向刚度矩阵，Kτ1和Kτ2为边界的两个切向方向上的刚度矩阵，
Figure BDA0003149788810000153
Figure BDA0003149788810000154
分别为切向和法向上在流体力作用下的边界变形量，
Figure BDA0003149788810000155
分别为x、y、z方向上的转换矩阵。
S303：将所述浸入边界的流-固耦合作用力引入流体控制方程中，获得流-固耦合作用下的流体速度和流体压力；
该步骤中，流体控制方程表示为：
Figure BDA0003149788810000156
Figure BDA0003149788810000157
其中，u(x，t)为流-固耦合下的流体速度，p(x，t)为流-固耦合下的流体压力，fFSI(x，t)为欧拉网格上的流固耦合作用力矢量，
Figure BDA0003149788810000158
表示哈密顿算子，
Figure BDA0003149788810000159
为x、y、z三个方向的正方向，
Figure BDA00031497888100001510
为拉普拉斯算子。
S304：基于所述流-固耦合作用下的流体速度和流体压力，更新每一时间步长下的浸入边界位置，实现舰艇浸入边界的位移和变形；
该步骤中，通过下式更新每一时间步长下的浸入边界位置：
X(s，t+Δt)＝X(s，t)+Ue(s，t)Δt+Δt∫u(x，t)δ(x-X)dx
其中，Δt为每一步时间步长的时间长度，X(s，t)为第s个边界离散点当时间为t时的流体网格坐标值，s为边界离散点的标记值，t为当前的计算时间，δ为前述的δ函数。
S305：基于舰艇浸入边界的位移和变形，设置每一时间步长计算下的远场边界条件，以实现迭代计算不同时刻下的舰艇浸入边界的流-固耦合分析。
该步骤中，在流体计算域前后、上下、左右边界处需要满足的边界条件为：入口处前边界设置均匀来流，出口处后边界设置对流条件，上下左右边界设置纽尔曼边界条件，即
入口边界：u(xinlet，t)＝u∞
出口边界：
Figure BDA0003149788810000161
左右边界：
Figure BDA0003149788810000162
上下边界：
Figure BDA0003149788810000163
其中，u(xinlet，t)为入口处的流体速度向量矩阵，Xinlet为入口处的流体网格坐标值，t为当前的计算时间，u∞为远场流体速度向量矩阵，u(xoutlet，t)为出口处的流体速度向量矩阵，Xoutlet为出口处的流体网格坐标值，
Figure BDA0003149788810000164
为出口处在x方向上的平均流体速度大小，u(x，t)为流体网格上的流体速度向量矩阵。
在每一个时间步长更新边界条件，得到每一时刻下的流-固耦合分析结果，即每一时刻下的流体速度场u(x，t)和压力场p(x，t)。
另一个实施例中，步骤S400包括如下步骤：
S401：计算流-固耦合稳定状态下的平均速度场和平均压力场；
该步骤中，平均速度场通过下式获得：
Figure BDA0003149788810000171
平均压力场通过下式获得：
Figure BDA0003149788810000172
其中，i为n与m之间的取值，n为流体稳定出现漩涡脱落后的时间步长数，m为流体稳定漩涡脱落一定时间后的时间步长数，x为流体网格坐标，Δt为时间步长的大小，
Figure BDA0003149788810000173
为平均速度场，包含
Figure BDA0003149788810000174
种
Figure BDA0003149788810000175
为流体平均压力场，当时间步长为t≥nΔt时，流-固耦合分析结果为稳定计算结果。
S402：依据声学摄动方程及所述平均速度场和平均压力场，构造流-固-声耦合分析模型；
该步骤中，流-固-声耦合分析模型构造如下：
Figure BDA0003149788810000176
Figure BDA0003149788810000181
Figure BDA0003149788810000182
其中，
Figure BDA0003149788810000183
为
Figure BDA0003149788810000184
在x、y、z方向上的流体平均速度分量向量矩阵，
Figure BDA0003149788810000185
为流体网格上的平均压力，即
Figure BDA0003149788810000186
的简写，
Figure BDA0003149788810000187
和
Figure BDA00031497888100001815
是在x、y和z方向上的声波速度大小，pa是声压大小，
Figure BDA0003149788810000189
是平均流体密度，
Figure BDA00031497888100001810
为流体的平均声速，由于水流默认为不可压缩流体，因此有
Figure BDA00031497888100001811
和
Figure BDA00031497888100001812
cf为流体中的声速大小。
S403：基于流-固-声耦合分析模型，设置计算域和舰艇边界内部区域的边界吸收层，以构造无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型；
该步骤中，无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型表示为：
Figure BDA00031497888100001813
Figure BDA00031497888100001814
Figure BDA0003149788810000191
且
Figure BDA0003149788810000192
Figure BDA0003149788810000193
其中，
Figure BDA0003149788810000194
为辅助变量矩阵，包含
Figure BDA0003149788810000195
σx、σy、σz为笛卡尔坐标系三维方向上的吸收系数，x、y、z表示流体网格的坐标值，t表示时间变量。
上式中，当吸收系数为零时，无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型与步骤S402中所构造的流-固-声耦合分析模型保持一致，这说明仅在吸收层内(即吸收系数不为零)，对入射声波进行完美吸收，从而构造无反射边界条件，不干扰其他计算域处的流-固-声耦合计算。
在上下左右前后边界区域中，设置吸收系数大小的计算表达式为：
Figure BDA0003149788810000201
Figure BDA0003149788810000202
Figure BDA0003149788810000203
其中，上标β表示常值指数，σmax为最大吸收系数，x、y、z为声场前后上下左右边界区域的坐标值，xl、yl、zl为吸收层在x、y、z方向上的初始位置，Dl为吸收层的大小。
在壳体边界内部，设置吸收系数大小的计算表达式为：
Figure BDA0003149788810000204
其中，r(x，y，z)表示壳体内部任意空间点与壳体中心轴线间的距离，r0为壳体曲率半径大小，rl为辐射声场和边界吸收层间过渡层的大小，rl＝r0-4h，h＝dx＝dy＝dz为空间离散是的网格大小。
S404：针对无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型，在每一个时间步长的声学计算中，通过添加舰艇边界处的声压和声波速度边界条件，以保证每一时间步长内声学计算结果的准确性。
该步骤中，所添加的舰艇边界处的声压和声波速度边界条件表示为：
Figure BDA0003149788810000205
Ua(s，t)·n＝0
其中，n＝(nx ny nz)T为边界处的单位法向量，上述边界条件表明声压法向梯度为零，声波速度法向分量为零。
图3(a)至图3(b)是由本公开所述方法计算得到的壳体刚度分别为1×102(N/m)、1×104(N/m)、1×106(N/m)和1×108(N/m)时流体速度涡量云图；图4(a)至图4(b)是由本公开所述方法计算得到的壳体刚度分别为1×102(N/m)、1×104(N/m)、1×106(N/m)和1×108(N/m)时的拉力系数和阻力系数随时间变化图。图3(a)至图3(d)给出了流体漩涡脱落现象，图4(a)至图4(d)中给出了流体对壳体边界作用力大小随时间的变化关系，可见拉力和阻力呈现规律变化，验证了流体漩涡的规律脱落。通过图3(a)至图3(d)和图4(a)至图4(d)，可以验证流-固耦合计算结果的正确性，图5(a)和图5(b)分别为壳体刚度为1×102(N/m)和1×108(N/m)时的流噪声云图，由图5(a)至图5(b)可见，舰艇壳体上下侧出现双极子噪声，壳体右侧出现漩涡噪声。图6(a)和图6(b)分别为壳体刚度为1×102(N/m)和1×108(N/m)时位于R＝18(m)圆周上的流噪声整体和局部指向性图，由图6(a)至图6(b)可见，刚度大小对于流噪声的指向性大小有着重要影响，验证了本方法为适用于弹性边界的流-固-声耦合分析方法。
为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种舰艇壳体的流噪声预测方法，包括如下步骤：
S100：构造舰艇的流体计算域模型；
S200：构造舰艇的浸入边界模型；
S300：根据舰艇的流体计算域模型和浸入边界模型对舰艇进行流-固耦合分析，获得舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化；
S400：基于舰艇在流-固耦合作用下的流体场和固体场变化，获得舰艇的平均流体速度和压力变量，并通过引入声学摄动方程和每一时刻下的流体压力波动，构造流-固-声耦合分析模型；
S500：计算每一时间步长下，舰艇壳体在流-固耦合作用下的压力变化，从而获得每一时刻的流噪声声源，将流噪声声源引入所述流-固-声耦合分析模型中，实现流噪声的时域预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，通过设置至少包括流体网格位置x，流体速度u(x，t)、流体质量密度ρf、流体粘性系数μ、流体计算域的大小Lx、Ly和Lz以及流体欧拉网格间距dx、dy和dz在内的参数构造舰艇的流体计算域模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200中，所述舰艇的浸入边界模型包括浸入边界位置矩阵X(t)、浸入边界速度矩阵Ue(s，t)和浸入边界离散点处的刚度矩阵K(s，t)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300包括如下步骤：
S301：根据舰艇的浸入边界附近的流体速度，计算流体对浸入边界的作用力大小；
S302：根据流体对浸入边界的作用力大小，获得浸入边界的变形量大小，通过计算浸入边界的变形量大小，获得浸入边界的流-固耦合作用力大小；
S303：将所述浸入边界的流-固耦合作用力引入流体控制方程中，获得流-固耦合作用下的流体速度和流体压力；
S304：基于所述流-固耦合作用下的流体速度和流体压力，更新每一时间步长下的浸入边界位置，实现舰艇浸入边界的位移和变形；
S305：基于舰艇浸入边界的位移和变形，设置每一时间步长计算下的远场边界条件，以实现迭代计算不同时刻下的舰艇浸入边界的流-固耦合分析。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤S301中，所述流体对浸入边界的作用力大小在两个切向和一个法向方向上表示为：
Figure FDA0003149788800000021
Figure FDA0003149788800000022
Figure FDA0003149788800000023
且
Figure FDA0003149788800000024
Figure FDA0003149788800000025
Figure FDA0003149788800000026
Figure FDA0003149788800000027
Figure FDA0003149788800000028
Figure FDA0003149788800000031
其中，s为边界节点的位置，t表示时间，μ表示流体粘性系数，
Figure FDA0003149788800000032
表示求一阶导，
Figure FDA0003149788800000033
表示求二阶导，ρf表示流体密度，下标f表示流体相关的物理量，Uτ1(s，t)、Uτ2(s，t)、Uw(s，t)为舰艇边界两个切向和一个法向的速度，
Figure FDA0003149788800000034
分别为切向和法向的转换矩阵，
Figure FDA0003149788800000035
分别为边界处流体在切向和法向上的变化量，δ(x-X)为B样条δ插值函数；
步骤S302中，所述浸入边界的流-固耦合作用力大小表示为：
FFSI(s，t)＝K(s，t)(Xe(s)-X(s，t))
Figure FDA0003149788800000036
且
Figure FDA0003149788800000037
Figure FDA0003149788800000038
Figure FDA0003149788800000039
Figure FDA00031497888000000310
其中，Δs为边界离散点之间的距离，Kw为边界的法向刚度矩阵，Kτ1和Kτ2为边界的两个切向方向上的刚度矩阵，
Figure FDA00031497888000000311
Figure FDA0003149788800000041
分别为切向和法向上在流体力作用下的边界变形量，
Figure FDA0003149788800000042
分别为x、y、z方向上的转换矩阵。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤S303中，所述流体控制方程表示为：
Figure FDA0003149788800000043
Figure FDA0003149788800000044
其中，u(x，t)为流-固耦合下的流体速度，p(x，t)为流-固耦合下的流体压力，fFSI(x，t)为欧拉网格上的流固耦合作用力矢量，
Figure FDA0003149788800000045
表示哈密顿算子，
Figure FDA0003149788800000046
为x、y、z三个方向的正方向，
Figure FDA0003149788800000047
为拉普拉斯算子；
步骤S304中，通过下式更新每一时间步长下的浸入边界位置：
X(s，t+Δt)＝X(s，t)+Ue(s，t)Δt+Δt∫u(x，t)δ(x-X)dx
其中，Δt为每一步时间步长的时间长度，X(s，t)为第s个边界离散点当时间为t时的流体网格坐标值，s为边界离散点的标记值，t为当前的计算时间，δ为前述的δ函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S400包括如下步骤：
S401：计算流-固耦合稳定状态下的平均速度场和平均压力场；
S402：依据声学摄动方程及所述平均速度场和平均压力场，构造流-固-声耦合分析模型；
S403：基于流-固-声耦合分析模型，设置计算域和舰艇边界内部区域的边界吸收层，以构造无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型；
S404：针对无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型，在每一个时间步长的声学计算中，通过添加舰艇边界处的声压和声波速度边界条件，以保证每一时间步长内声学计算结果的准确性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤S401中，所述流-固耦合稳定状态下的平均速度场和平均压力场通过下式计算：
Figure FDA0003149788800000051
Figure FDA0003149788800000052
其中，i为n与m之间的取值，n为流体稳定出现漩涡脱落后的时间步长数，m为流体稳定漩涡脱落一定时间后的时间步长数，x为流体网格坐标，Δt为时间步长的大小，
Figure FDA0003149788800000053
为平均速度场，包含
Figure FDA0003149788800000054
和
Figure FDA0003149788800000055
为平均压力场，当时间步长为t≥nΔt时，流-固耦合分析结果为稳定计算结果。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤S402中，所述流-固-声耦合分析模型表示为：
Figure FDA0003149788800000056
且
Figure FDA0003149788800000061
Figure FDA0003149788800000062
其中，
Figure FDA0003149788800000063
为
Figure FDA0003149788800000064
在x、y、z方向上的流体平均速度分量向量矩阵，
Figure FDA0003149788800000065
为流体网格上的平均压力，即
Figure FDA0003149788800000066
的简写，
Figure FDA0003149788800000067
是平均流体密度，
Figure FDA0003149788800000068
为流体的平均声速，由于水流默认为不可压缩流体，因此
Figure FDA0003149788800000069
和
Figure FDA00031497888000000610
cf为流体中的声速大小。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤S403中，所述无反射边界条件的流-固-声耦合分析模型表示为：
Figure FDA00031497888000000611
Figure FDA00031497888000000612
Figure FDA00031497888000000613
且
Figure FDA0003149788800000071
Figure FDA0003149788800000072
其中，
Figure FDA0003149788800000073
和
Figure FDA0003149788800000074
为y和z方向上的辅助变量矩阵，σx、σy、σz为笛卡尔坐标系三维方向上的吸收系数，x、y、z表示流体网格的坐标值，t表示时间变量.
步骤S404中，所添加的舰艇边界处的声压和声波速度边界条件表示为：
Figure FDA0003149788800000075
Ua(s，t)·n＝0
其中，n＝(nx ny nz)T为边界处的单位法向量，上述边界条件表明声压法向梯度为零，声波速度法向分量为零。
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