实尺度海面水动力特征扰动的声散射特性研究

As one of the free boundary condition of underwater acoustic propagation, the sea surface’s scattering characteristics have been the focus of many scholars at home and abroad..According to the background of acoustical detection problem by hydrodynamic wakes, present work may investigate the dynamic behavior and kinematic property of spatial wave patterns for the Green function sources at free surface. Relying on TianHe series high performance computing platform, it is to propose a efficient numerical simulation algorithm to simulate the wide-area wave flow field for an actual-scale surface ships. The coupling mechanism to sound scattering by different modal of wave patterns would be made clear in the condition of calm water and regular wave. It is expected to support the fundamental theory for the acoustical information extraction of surface target under the complex sea condition.

海面作为水声传播的自由边界条件之一，其声散射特性一直是国内外众多学者的研究热点问题。.本项目以水面舰船水动力尾流的声学探测问题为背景，在三维势流理论框架内阐述自由液面点源格林函数空间波系模态的动力学行为和运动学特性，依托“天河”系列高性能计算平台建立实尺度水面舰船在广域兴波流场的高效数值模拟算法，阐述静水和波浪中水动力波系的不同模态对散射声场的耦合作用机理。通过以上研究为复杂背景下海面目标声学特征的信息提取提供基础理论支撑。

以流体水动力学与水声物理学领域的交叉问题为切入点，本项目综合运用理论分析、数值模拟、试验研究等方法，依托“天河二号”高性能计算机平台开展了实尺度海面水动力特征扰动的声场特性研究，可为复杂背景下海面目标声学特性的信息提取与分析提供关键基础支撑。聚焦自由液面兴波点源格林函数的空间波系模态分解、移动脉动源格林函数的高效并行数值算法、海面水动力特征扰动对水下声场的影响效应等三个方面研究内容，构建了移动脉动源格林函数数学表达式与波系模态之间的耦合关系，阐述了环形波、扇形波、环形-扇形波、内侧楔形波、外侧楔形波等模态的空间演变规律；综合运用编译器优化、调用高性能库、向量化优化、多线程并行优化等优化策略，基于“天河二号”高性能计算平台提升了移动脉动源格林函数的数值计算效率，通过典型算例结果对比分析验证了水动力特征扰动数值求解高效算法的准确性；搭建以水动力特征扰动为自由液面边界条件的水声场计算环境，探究了海面水动力特征扰动对声散射、声场能量、声线结构的影响效应。在进一步研究的基础上，本项目的相关成果有望应用于水面舰船水动力尾流的声学探测之中。