[发明专利]一种水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测方法

说明书

本发明涉及一种水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测方法，包括以下步骤：确定拟分析的水下航行体表面的层流基本流；获得水下航行体表面层流基本流边界层内的各频率扰动波幅值沿流向的增长率；对获得的不同频率的扰动波幅值增长率沿流向进行积分，获得各频率扰动波幅值的放大因子；对获得的幅值放大因子，通过转捩判据判断层流区位置，即从边界层前缘开始向下游，各个流向位置的最大幅值放大因子首先达到转捩判据给定的值处为转捩起始位置，转捩起始位置之前为层流区；层流区壁面脉动压力频谱为不同频率压力扰动幅值的相对倍数频谱，对水下航行体表面层流区的各位置上，扰动波的壁面脉动压力幅值的放大倍数进行计算。

技术领域：

本发明涉及水动力学研究技术领域，具体涉及一种水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测方法。

背景技术：

声波是一种能在水介质中远距离传播的能量形式，而壁面脉动压力是水下航行体重要的水动力噪声源。很强的噪声会干扰水下航行体的探测和通讯。为了提高水下航行器的探测和通讯能力，从噪声源上采取改进措施是可行的措施之一。而提出改进措施，就要先知道噪声源的表现如何。因此，水下航行器的壁面脉动压力一直以来是科学和工程关注的重要问题。

对于水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测，现有的、可能的研究手段主要有三种：实验测量、数值模拟和经验公式。实验方法可以测量层流区、转捩区和湍流区的的脉动压力频谱，但实验对测量设备要求高，模型加工成本高，实验周期较长。而且，对于大型水下航行体，目前很难做到一比一的实验，缩比实验的雷诺数又远小于实际，不能代表真实流动的结果。因此实验方法很难在实际工程问题中进行预测。数值模拟的方法能全面的体现流动中的细节。此方法可以用于研究流动机理，但要计算实际问题中的表面脉动压力频谱，需要计算出实际背景扰动下的流动演化过程，包括感受性过程，以及层流区、转捩区和湍流区流动，需要的计算资源太大，现有的计算机资源无法满足。对于大型水下航行体，则需要的计算资源更多，更加无法实现。因此，目前看来数值模拟方法难以在实际工程问题中进行预测。经验公式的方法是根据已有实验测量或数值模拟的结果，通过经验拟合，预测出层流区壁面脉动压力频谱。该方法缺乏理论依据，预测时需要经验设置参数值，对未知工况预测准确性较低。而且，对于大型水下航行体的高雷诺数流动，本就缺少相应的实验数据和数值模拟结果，只能根据缩比模型的、低雷诺数的结果依靠经验进行推广，准确性更加难以保证。因此，目前看来该方法难以在实际工程问题中给出准确的预测结果。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种准确度高、能应用于工程的基于稳定性理论的水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测方法。本发明的技术方案如下：

一种水下航行体表面层流区壁面脉动压力频谱预测方法，包括以下步骤：

步骤一，确定拟分析的水下航行体表面的层流基本流；

步骤二，基于线性稳定性理论，分析步骤一中的基本流的流动稳定性，获得水下航行体表面层流基本流边界层内的各频率扰动波幅值沿流向的增长率，包括如下：

1)基于流动稳定性理论，将流动的瞬时量φ分为定常基本流和小扰动之和，即其中，矢量φ＝(v₁,v₂,v₃,p)^T表示瞬时量，矢量表示基本流的量，φ′＝(v'₁,v'₂,v'₃,p')^T表示扰动量矢量，v₁,v₂,v₃分别为流向、法向和周向上的速度分量，p为压力，上标“—”表示基本流，上角标“’”表示扰动量；瞬时量φ和基本流都满足无量纲的Navier-Stokes方程，即对于瞬时量φ，有