容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声特性研究及其参数化声学设计

Stealth performance is the key effect factor of the survivability and fighting capacity of ships. The displacement piston pump water jet propulsion breaks through the traditional propeller propulsion principle, and provides a new technical concept for ship propulsion. This propulsion system is beneficial to the development of high speed and low noise ship. In this project, a hybrid simulation method combining computational fluid dynamics (CFD) and computational acoustics (CA) is used to predict and analyze the underwater radiation noise of the displacement piston pump water jet propulsion. The unsteady flow field is first simulated by large eddy simulation (LES), and the characteristics of the waterjet field are obtained. Then, the fluid field results are interpolated to the acoustic grid as a sound source term by use of ACTRAN iCFD. Finally, the underwater radiation noise is analyzed by solving the Lighthill equation based on the finite element/infinite element method. This project investigates the mechanism of underwater radiation noise of displacement piston pump water jet propulsion. At the same time, the theory and key technology for controlling the underwater radiation noise of displacement piston pump water jet propulsion is broken through. Furthermore, the design principle of displacement piston pump water jet propulsion is presented. By such a research, the theoretical foundation for obtaining low noise displacement piston pump water jet propulsion is provided. And it is of benefit to promoting the engineering application of displacement piston pump water jet propulsion.

隐蔽性能是直接影响航行器的生存能力与战斗力的关键因素，容积式柱塞泵喷水推进器突破了传统的推进原理，为航行器推进提供了新的技术方案，有利于航行器向高航速、低噪声和矢量推进方向发展。本项目采用计算流体力学（CFD）和计算声学(CA)相结合的混合模拟方法对容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声进行预报和分析。首先利用大涡模拟（LES）进行非定常流场计算，得到随时间变化的流场特性，然后通过ACTRAN iCFD将流场计算结果作为声源项插值到声学网格，最后基于有限元/无限元计算方法求解Lighthill声类比方程对容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声特性进行分析。揭示容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声机理，突破容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声控制理论及关键技术，提出容积式柱塞泵喷水推进器设计方法。为获得低噪声容积式柱塞泵喷水推进器提供理论支撑，促进容积式柱塞泵喷水推进器实现工程化应用。

容积式柱塞泵喷水推进器是一种利用水液压柱塞泵转换能量、通过高压管路输送能量的冲压式喷水推进器，其突破了传统推进方式，为航行器推进提供了新的技术方案，有利于航行器向高航速、低噪声和矢量推进方向发展。本项目采用计算流体力学（CFD）和计算声学(CA)相结合的混合模拟方法对容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声进行预报和分析，取得了如下成果：.（1）建立了容积式柱塞泵喷水推进器反推力理论模型，突破了传统推进器的推进理论体系。（2）揭示了容积式柱塞泵喷水推进器强剪切空化射流的流动机理及空化云时空演变规律，阐释了涡与空化的相互作用关系，探讨了空化对反推力特性的影响，建立了喷水推进器复杂空化射流特性与宏观外特性的相互联系，为探究容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声特性提供了理论基础。（3）探究了流场图像处理方法，研究了不同涡识别方法，为容积式柱塞泵喷水推进器流场特性研究提供了方法保证。（4）实现了计算流体力学（CFD）和计算声学（CA）的混合模拟，揭示了容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声形成和传播机制，建立了流场和水下辐射噪声的耦合作用关系，为容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声控制奠定了理论基础。（5）提出了基于气容水舱的消声方法，实验研究了气容水箱对压力脉动和流体噪声的抑制作用、以及对噪声传播通道的阻断作用，为控制和减小水下航行器的辐射噪声提供了有效方法。（6）提出采用永磁同步电机直接驱动水液压容积式柱塞泵的新型驱动方式，提高了水液压容积式柱塞泵的振动噪声特性，为提高航行器隐蔽性能提供了有效方法。.本课题共发表论文7篇，其中SCI论文4篇，EI论文1篇，中文核心论文1篇，会议论文1篇，申请专利2项。培养博生生3人，硕士生2人。成果丰富了对容积式柱塞泵喷水推进器强剪切空化射流的流动机理及水下辐射噪声形成机制的认识，为容积式柱塞泵喷水推进器水下辐射噪声控制奠定了良好的理论基础，对提高航行器隐蔽性能具有重要的理论和工程参考价值。