文档介绍：A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for
the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering
Study of the methods of the numerical prediction of
underwater flow noise based on the lattice Boltzmann
method
. Candidate : Chen Li
Major : Design and manufacture of
naval and ocean architecture
Supervisor : Prof. Hou Guoxiang
Co-Supervisor :
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, P. R. China
August, 2013
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日期: 年月日
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日期: 年月日日期: 年月日
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华中科技大学博士学位论文
摘要
流噪声在很多工程、工业领域都受到密切关注,它的影响不仅仅局限于人类的
感官,同时还影响到一些军事运载工具的隐蔽性,例如直升机、潜艇等。在气动噪
声领域,Lighthill首先在研究飞机发动机的喷气噪声时提出声学比拟理论,开启了
气动声学的研究,经过几十年的发展,计算气动声学(CAA)广泛应用于飞机、汽车、
风机、泵机等工业领域。对于水下噪声领域,由于其军事敏感性,很少看到公开的
研究成果。声波是目前在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式,因而潜艇噪声对
潜艇的生存和武器装备性能有重大影响,是潜艇隐蔽性的重要指标。因此对水下流
噪声的研究有十分重要的现实意义。
目前,按照是否应用声学比拟理论,噪声预报数值方法主要分为两类:一类是
直接模拟,一类是间接模拟,也称混合模拟。直接模拟方法采用计算流体力学的方
法直接求解Navier-Stockes方程,同时得到流场和声场。从理论上讲这是最直接也是
最精确的,但要求数值方法具有较低的数值弥散与耗散,而且较大的计算区域和湍
流计算对计算资源的要求非常高。另外,在间接模拟方法中,计算区域被划分为声
源区和传播区。在相对较小的声源区内,采用一般的计算流体力学方法算出流场,
再将得到的流体速度脉动等代入声学比拟方程求得相对较大的传播区上的噪声辐射
场,因此这就大大减少计算量。尽管如此,间接模拟中对声源区的模拟同直接方法
一样,对计算流体力学方法有着较高的要求。
格子Boltzmann方法(LBM)是计算流体力学中新兴且高效的计算方法,它的一系
列特点使得它在噪声声场模拟上具有非常独特的优势。尽管它已经在声场模拟中尤
其是在气动声场模拟中取得了一些比较成功的应用,发展了一些专用来模拟声场的
模型以及相应的边界处理方法,但是适用于水下噪声预报的方法还不成熟。本文正
是利用格子Boltzmann方法这一先进工具,开展系统深入的研究。本文的主要工作包
括三个部分:
一、针对流噪声预报的直接模拟方法,比较了格子Boltzmann 方法中常见的及
新兴的曲面流固运动边界,包括三种反弹格式和四种浸没格式。并对其声学适应性
做出了分析和评价。针对以上各种流固运动边界格式由于边界运动产生的新流体点
带来的虚假噪声,本文提出了4 种改进方案。通过模拟管道中的圆柱绕流、声波的
圆柱反射、拖动圆柱绕流和周期振动的圆柱的问题,我们可以得到以下结论:
1. 对于静止边界问题,反弹格式