噪声分析软件Actran拖曳声纳流噪声影响分析
| 拖曳式线列阵声纳在水下反潜战中发挥着重要作用。拖曳阵工作时，由于拖缆和海水间的相对运动，在拖缆护套的外表面附近存在海水介质微团的湍流脉动，由此激发出水动力噪声，称之为流致噪声。流致噪声的强度是影响拖曳式声纳实际工作性能的重要因素：高速拖曳状态时，流噪声的强度有时远大于环境噪声，目标的质点振速信息将被完全淹没在流噪声中。
拖缆在海水中拖曳时，海水和拖缆间的相对运动产生的流噪声按其机理，可分为两种：一种是拖缆外表面处湍流边界层中的脉动压力，主要由湍流的微尺度运动及表面的涡脱落产生。共有两种作用模式：1）透过护套，传递到内部流体；2）护套的耦合激励，产生再辐射噪声。另一种是由拖船尾流、涡流等不稳定性所引起的拖缆和尾缆的振动，这两种振动即使经过隔震模块衰减，仍可引起线阵的振动，并由此可产生三种传播形式的波：1）在液体介质中传播的纵波；2)在护套壳内传播的剪切波；3）结构共振模态产生的再辐射声波。
本次分析仅考虑第一种机理产生的噪声影响。
一、研究对象
1）拖曳声纳管道以水平方向拖动，管道外是水，管内是油，水听器放置在管道中；
2）本次计算忽略水听器，仅求解外部湍流边界层脉动压力作用于管壁以及管内的声场分布； 3）管道直径0.066米，壁厚0.002米，以7米/秒的速度沿轴向拖动；
4）管壁材料参数：杨氏模量5.35E10帕，阻尼0.1，泊松比0.35，密度1180千克/米3； 5）管内流体：桐油密度933千克/米3，声速1450米/秒。 二、分析步骤
步骤1. Fluent非定常流场计算 Fluent计算模型：外部建立圆柱流场包裹管道，管长L=1米，管道半径r=0.033米，流体圆柱体半径R=0.2米。
Fluent计算：
1）定常流动模拟 使用RANS定常流动计算，建立流场。 2）流场建立后转非定常大涡模拟 一般需要等流场稳定后，才能得到可利用的数据；本次计算从演示的目的出发，从0.2026s时间步开始保存数据，连续保存270个时间步结果。 步骤2. ACTRAN/iCFD表面脉动压力提取与时频转换 提取流动噪声源： 1）Nyquist Theorem 原始连续时间变量q(t) 离散采样时间序列q(tk) q(t)~q(tk) if Δt<1/(2fmax) fmax = 5000Hz → Δt<0.0001s 2）CFD非定常流场采样 fmin = 1/(NΔt) fmax = 1/(2Δt)
Δf = fmin
N = 270, Δt = 0.0001s → Δf= fmin = 37.037 Hz
fmax = 5000Hz
表面压力： 1）0.2026s时刻表面压力
2）0.2295s时刻表面压力
3）1000Hz表面压力
4）2000Hz表面压力
步骤3. ACTRAN拖曳声纳流致噪声影响计算 ACTRAN模型说明：截去管道两头部分，取中间一段管道计算，L1=0.5米。
ACTRAN流致噪声影响计算：
场点：建立四个场点：point1 [0.5,0,0]、 point2 [0.5,0.1,0]、point3 [0.5,0.2,0]、 point4 [0.5,0.3,0]
三、位移云图
四、声压云图
五、场点声压级频谱曲线
六、场点声压级比较
七、总结 1、本次分析包含CFD计算与CAA计算： CFD计算使用Fluent软件 非定常计算使用大涡模拟模型；0.0001秒间隔，从0.2026s时刻开始连续提取270个时间步。 CAA计算使用ACTRAN软件 ICFD提取表面脉动压力并进行时频转换；ACTRAN计算流致噪声影响。 2、本次分析值得改进的地方：
1）非定常计算时间不够长，流场计算尚未稳定；
2）保存的时间步不够多，转换后的频率步长较大； 3）本次分析仅作为该类型问题的演示算例，激励方式与边界处理方法值得进一步研究。
八、未来的工作 1、壁面脉动压力采样方式比较 Integration积分法 vs Sampling 采样法； 2、脉动压力求解方法比较 CFD技术与ACTRAN中的TBL（湍流边界层）激励模型比较。 本文版权属研发埠所有，如需转载请注明出处！
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