水下加筋圆柱壳结构声散射特性研究

采用有限元/边界元(FEM/BEM)方法对水下加筋圆柱壳结构的声散射特性进行分析。考虑入射声场激发弹性结构振动产生二次辐射声场,总声场为入射场与散射场之和。基于Mindlin理论建立结构受迫振动的有限元模型,考虑入射声场为简谐激励,采用模态叠加法求出结构振动表面速度。根据声学边界元相关理论,利用有限元方法计算得出的弹性结构表面动力相应,可求出弹性结构的散射声场。研究结果表明,在同一波数下,不加筋结构后向散射强于加筋结构;加筋结构的散射指向性图案分叉较为明显;同种结构在波数增加的时候后向散射强度逐渐增大,前向散射强度逐渐减弱。     

基于LES和FEM/AML方法对潜标结构流噪声预报研究

为了更合理地预报潜标结构在海洋环境下的流噪声情况,采用基于大涡模拟(LES)结合远场自动匹配层(FEM/AML)技术的声学混合方法,以某NACA翼型结构为研究对象对其进行水下声学分析。该方法得到了频域条件下标体结构在特征点处的声压级频率响应曲线与表面声压分布情况,并与FLUENT计算结果进行对比,脉动压力结果与表面声压分布吻合良好,证明了该方法预报水下结构流噪声的可靠性。研究结果表明,标体结构流噪声能量主要集中在低频段,集中区域位于该标体的中后段,辐射噪声沿标体结构上下表面成瓣状分布,标体中部辐射范围大,标体头部、尾部辐射范围较小。     

考虑自由面反射作用的圆柱流噪声计算

对于现代舰船而言噪声是其关键性能之一,目前水下航行体的流激噪声预测方法已经较为成熟,但是水面舰船的水动力噪声研究起步较晚,还没有形成系统的预报方法和控制手段。使用开源CFD工具包OpenFOAM求解器,流场通过大涡模拟方法求解,自由液面则依靠VOF方法捕捉,通过Curle方程预测远场噪声,基于镜像法考虑自由面的反射作用,数值模拟近自由面圆柱周围的声场分布。开展了Re=3 900下距离自由液面不同高度的圆柱辐射噪声求解,主要结合流场分析自由面对声场的扰动作用和不同深度对水下几何体流噪声的影响。初步考虑了自由液面波形对辐射噪声的反射作用,为后续预测水面舰船的水动力噪声特性提供依据,自由面对辐射噪声的阻抗等作用还需进一步研究。     

海洋工程中直立圆柱波浪爬升问题的数值研究

本文基于Navier-Stokes方程和连续性方程,利用VOF方法捕捉自由液面和松弛造波法实行造波,建立基于黏性流体理论的三维数值波浪水槽,并在该数值波浪水槽内对圆柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟。选用两种不同的波浪参数,探讨波陡参数对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响。与势流模型相比,本文采用的黏性流模型可以较好的捕捉实验中出现的二次波峰现象。计算表明,本文建立的数值水槽可以较好用于直立圆柱波浪爬升问题的计算。     

二维透声窗遮挡损失计算方法研究

为了水下探测和声对抗,舰艇艏部舱室通常安装主动声呐设备,声呐发射声波经由透声窗向外传播,因此,开展透声窗声学特性的相关研究具有重大现实意义。为解决实际工程中透声窗透声性能计算较困难这一问题,一种用于快速预报透声窗的遮挡损失的解析–数值混合方法被提出。该方法用球谐波展开法和叠加原理求解阵列活塞声源声场,得到声激励下透声窗模型表面的声压和法向振速,进而利用COMSOL的Kirchhoff-Helmholtz模块通过再辐射的方法求解模型的遮挡损失。最后,建立了一个二维透声窗模型,分别采用解析–数值混合方法和纯有限元法计算了其全方位的遮挡损失,验证了该方法的准确性、有效性。     

南海北部声散射季节变化

声散射是重要的声学现象,海洋水体产生的高频声散射信号既可用于开展多种目的的声学海洋学研究,也可能对水下声学设备产生干扰,而海洋水体背景声散射具有显著的时空变异特征,因此针对特定海区开展声散射时变观测具有重要意义。本文利用在南海北部布放的锚系系统所搭载的声学多普勒流速剖面仪,获取了覆盖4个季节的累计约80 d的声散射数据,数据包括75 kHz和300 kHz两个频段,观测水深几乎覆盖了从海面到约600 m水深的整个水体。结果表明,水体在垂向上分布着上散射层和深散射层2个主要散射层。上散射层分布深度在冬夏较浅,位于约100 m以浅,在春秋较深,位于约200 m以浅;深散射层分布深度同样为冬季最浅,位于约300 m以深,但夏季则最深,位于约400 m以深。因此,两散射层的距离在夏季最远,在春秋最近。2个散射层的声散射强度（Sv）同样具有明显的季节变化,上散射层散射强度夏秋较强而春冬较弱,深散射层则正好相反。     

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式（FIO-COM）为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型（海底地形和底质参数）,实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。     

轴对称体砰击载荷的三维动网格数值计算

基于三维边界元方法研究了三维轴对称体入水砰击载荷的数值算法。算法从三维力学模型出发,继承了Wagner自由液面抬升理论,引入浸深因子Cw以确定自由液面抬升高度,并且将自由液面线性化处理,同时考虑网格运动,在自由液面附近对网格进行截断重构,以确保水下湿面积的精准。算法中使用考虑加权运动项的非线性伯努利方程计算得到入水结构的表面压力,进一步积分可得入水结构的总体受力。此外,文中分别通过Nisewanger的圆球入水试验与Alaoui的圆锥入水试验对算法的正确性及适用性进行了验证。     

小尺度海底沉积物的声衰减特性研究

为研究小尺度海底沉积物样品的声衰减特性,作者提出了用声学探针测量海底沉积物声波幅值的新方法,对沉积物样品扰动小,两个测量点的距离可小于波长,为海底沉积物微观声衰减测量提供了新手段。作者用小于波长的间隔逐点测量了沉积物的压缩波幅值,数据分析表明沿沉积物柱状样全长的声衰减满足指数衰减模型。目前主要用同轴差距衰减测量法获得海底沉积物声衰减数据,但该方法不能辨识声衰减模型,因此不同海区的测量结果难以建立联系。对此作者又提出用声吸收系数反演的幅值比与声衰减系数反演的R值(两种幅值比的比值)作评价依据,分析了垂直轴差距衰减测量法获得的南海海底沉积物声衰减测量数据,发现部分沉积物样品声衰减的R值远大于1,其声衰减不满足指数衰减模型。在声衰减满足指数衰减模型的条件下,用Hamilton的声衰减和频率经验公式预报的南海沉积物声衰减比与作者用声学探针测量海底沉积物所得的声衰减比对比,通过对R值分析得出Hamilton的声衰减和频率经验公式可以预报南海沉积物声衰减比的范围。作者提出的声学探针测量海底沉积物声衰减的方法的优点是既能获得声衰减数据又能辨识声衰减模型,不同海区测量的沉积物声衰减比可用R值建立联系。     

极地深海冰盖条件下声传播数值试验

研究极地深海声传播特征具有重要的经济、军事价值,战略意义重大。基于KRAKENC分层弹性介质简振波模型对极地深海冰盖条件下的声传播特征进行数值模拟,得出极地海域向上折射环境和较小深度声源,是形成声道现象必要条件;冰盖的散射作用导致声传播衰减强烈,且深度越大的水层受冰盖影响越小,受海底边界影响越大;声源深度越小,受冰盖影响越大。