潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法及系统，通过建立高压吹除系统管路的三维几何模型；对高压吹除系统管路三维几何模型进行有限元网格划分和边界条件的设定；计算流体力学仿真计算，获取高压吹除系统管路中的流场特性，以及获取吹除系统内的流致噪声特性；基于多物理场流‑固耦合仿真计算方法，对高压吹除系统管路的流‑固耦合问题进行仿真分析；基于流‑固耦合仿真计算结果，利用声学仿真计算方法进行瞬态声学边界元仿真计算；基于多物理场流‑固‑声耦合仿真方法，对系统管路及水舱的流场、流致噪声和振动噪声等进行定性、定量分析。本发明专利技术通过多物理场耦合仿真的手段，提出一种潜艇高压吹除管路系统噪声预测体系。

Multi physical field coupling simulation method and system for submarine high pressure blow off pipeline system

The invention discloses a multi-physical field coupling simulation method and system for submarine high-pressure blown-off pipeline system, through establishing a three-dimensional geometric model of the high-pressure blown-off pipeline system, dividing the three-dimensional geometric model of the high-pressure blown-off pipeline by finite element method and setting the boundary conditions, and calculating the computational fluid dynamics simulation calculation to obtain the high-pressure blown-off pipeline. The flow field characteristics in the pipeline of the pressure blowing system and the flow-induced noise characteristics in the system are obtained; the fluid-structure coupling problem in the pipeline of the high pressure blowing system is simulated and analyzed based on the fluid-structure coupling simulation method of multi-physical fields; and the acoustic simulation method is used to calculate the fluid-structure coupling results based on the fluid-structure coupling simulation results. Transient Acoustic Boundary Element Method (BEM) is used to simulate the flow field, flow-induced noise, vibration and noise in the pipeline and tank of the system. The invention provides a noise prediction system for submarine high-pressure blowing pipeline system by means of multi-physical field coupling simulation.

【技术实现步骤摘要】
潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法及系统
本专利技术涉及潜艇高压吹除管路系统的内部流场、结构振动、流致和振动噪声特性分析，尤其涉及一种潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法及系统。
技术介绍
潜艇是世界各国海军重要的武器装备，它具有隐蔽性好、机动性强的特点，被广泛用于水下侦查和突击作战。我国拥有长达1.8万公里的海岸线和300万平方公里的海洋专属经济区，潜艇在捍卫我国海洋权益和国土安全上发挥着重要的作用。潜艇在水下运动时产生的噪声是暴露其存在的致命弱点，直接威胁到潜艇的安全，因此控制潜艇的噪声一直是各国研究的重点。通常可将潜艇产生的噪声分为三类：机械振动噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。计算流体力学主要研究的是水动力噪声，主要包括流噪声，水流作用于潜艇引起的共振噪声，以及空化噪声等。一般而言，水动力噪声的数值比机械振动噪声和螺旋桨噪声要低很多，但随着潜艇运动速度的提高，水动力噪声在潜艇总噪声中的比重会迅速增加。研究水动力噪声首先需要研究水动力噪声的起源，水动力噪声是由潜艇周围湍流边界层内的扰动、壁面上的脉动压力以及流体与固体的耦合作用导致的结构振动共同引起的。潜艇周围的流场，尤其是湍流边界层内，存在着漩涡运动以及流体碰撞而导致的能量交换，由此产生的噪声即四极子噪声。在低马赫数的情况下，四极子产生的噪声很小，可以忽略不计。壁面上的脉动压力是偶极子声源的成因，而偶极子声源则是流噪声的主要成分。但是，随着高压空气应用于潜艇吹除水舱，且所采用气压不断升高，潜艇内部的流致噪声、流-固耦合作用下管道及水舱的振动噪声越来越来不容忽视。在流致噪声的研究中，管道及水舱会与高压气流发生耦合作用，即气流压力会引起管路及水舱结构的位移，从而会引起振动噪声。而且，这种振动噪声由于涉及到结构的固有特性，在某些频率下可能会产生共振，从而进一步增强振动噪声。此外，随着管路气压的增加，管路、阀件、水舱壁面上的脉动压力会迅速增加，这会相应地导致位移变形和振动噪声的增加。因此，研究气固耦合作用下管路系统的流致噪声、位移形变和振动噪声具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对潜艇目前最大的隐蔽性安全问题——噪声，提出一种能够揭示潜艇在典型工况下高压吹除管路系统内的流场(主要包括压力场、速度场、涡量场以及压力波动剧烈部位的压力脉动)、流场引起的潜艇吹除管路系统内的流致噪声、流-固耦合作用下管路系统的瞬态结构振动、以及振动噪声的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术所设计的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：S1，根据真实模型数据建立高压吹除系统管路的三维几何模型；S2，对高压吹除系统管路三维几何模型进行有限元网格划分和边界条件的设定，完成计算区域的离散化；S3，开展计算流体力学仿真计算，获取高压吹除系统管路中的流场特性；S4-11，基于多物理场流-声耦合仿真方法，以及用于对流场引起的流致噪声计算；S4-12，基于流至噪声特性的结果，对系统水舱壁隔声量进行仿真研究；S4-21，采用多物理场流-固耦合仿真计算方法，基于多个基本物理守恒定律，对高压吹除系统管路的流固耦合问题进行仿真分析；S4-22，基于流-固耦合仿真计算结果，利用声学仿真计算方法进行瞬态声学边界元仿真计算；S5，基于多物理场流--声、流-固-声耦合结果，对系统水舱及管路的流场、流致噪声、水舱壁隔音量和振动噪声等进行定性、定量分析。进一步地，所述步骤s1中的高压吹除系统管路包括管路、电磁阀(电液球阀)、舷侧阀和水舱，所述三维几何模型包含流体域和固体域。其中流体域三维几何模型用于流体力学计算，固体域三维几何模型用于结构动力学计算。进一步地，所述步骤s2中的有限元网格包括流场仿真有限元网格和瞬态结构振动有限元网格；所述边界条件包括材料特征参数、出入口边界条件、壁面边界条件。更进一步地，所述步骤s3中的流体力学仿真计算具体包括：对典型工况下高压吹除系统管路中的可压缩理想空气和液态水两相容积比率的变化；压力场、速度场、涡量场、压力波动剧烈部位的压力脉动进行量化分析以及关键部位对比，电磁阀和电液球阀开启、关闭过程对高压吹除系统管路及水舱内气液两相流动特性的影响。进一步地，所述步骤S4-11具体过程为：通过求解声波的连续方程、运动方程、能量方程、物态方程以及声波的Helmholtz波动方程，获取吹除系统内的流致噪声的声压级及声压级频率响应。更进一步地，所述步骤S4-21具体包括：基于所述步骤S3中获得的高压吹除系统管路瞬态流场特性结果，基于多物理场耦合仿真计算方法，对各种典型工况下高压吹除系统管路及其内部的流场进行单向流-固耦合仿真研究，对电磁阀(电液球阀)开启、全开和关闭过程中系统管路的流致振动进行仿真分析；获取浸没于流体中或者包含流体的结构表面被流体流动产生的交替变化的激励力所诱发的高压吹除系统管路的固有频率和振型、瞬态振动位移量、等效应力应变及其产生的影响机制，分析高压吹除系统管路流致振动特性；所述多个基本物理守恒定律包括质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。再进一步地，所述步骤S4-22具体过程为：基于所述步骤S2中获得的瞬态结构振动有限元模型，建立电磁阀区域、电液球阀区域和管道区域声学边界元网格及场点网格，基于所述步骤S4-21中获得的高压吹除系统管路瞬态流致振动特性，并通过以下方法对高压吹除管路系统的振动噪声进行研究：首先，对声学边界元网格进行网格前处理操作，设置流体密度，声音在流体中的传播速度等信息；其次，采用数据映射方法，将管路瞬态振动位移数据从系统管路有限元网格转移到声学边界元网格上；最后，设置声学仿真边界条件，通过求解声学间接边界元耦合方程获得管路振动噪声和监测场点上的声压级频率响应特性。再进一步地，所述数据映射方法包括设置映射数据类型、数据点个数及数据单元选取范围；所述声学仿真边界条件包括设置振动位移边界条件、声学边界元计算模型、初始阶段数据光顺参数、弛豫时间及FASTLVL卷积级别。再进一步地，所述步骤S5具体包括：基于多物理场流--声、流-固-声耦合结果，对高压吹除系统管路及水舱的压力场、速度场、湍流动能、涡量场和声压级分布情况进行定性、定量分析；分析高压吹除管路系统压力脉动产生的机理，通过观察涡流产生的区域，并对比分析管路压力分布、气流速度以及涡流之间的关系，为改善优化管路系统提供理论依据。本专利技术还设计了一种潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真系统，其特征在于：包括管路与水舱几何建模模块，用于根据真实模型数据建立高压吹除系统管路的三维几何模型；有限元网络划分、定义边界条件模块，用于对高压吹除系统管路三维几何模型进行有限元网格划分和边界条件的设定，完成计算区域的离散化；CFD流体力学仿真模块，用于开展计算流体力学仿真计算，获取高压吹除系统管路中的流场特性；多物理场流-声耦合仿真模块，用于基于多物理场流-声耦合仿真方法，以及用于对流场引起的流致噪声计算；水舱壁隔声量仿真研究模块，用于基于多物理场流-声耦合仿真方法，对系统水舱的流致噪声等进行定性、定量分析；流-固耦合仿真管路振动模块，用于采用多物理场耦合仿真计算方法，基于多个基本物理守恒定律，对高压吹除系统管路的流固耦合问题进行仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据真实模型数据建立高压吹除系统管路的三维几何模型；S2，对高压吹除系统管路三维几何模型进行有限元网格划分和边界条件的设定，完成计算区域的离散化；S3，开展计算流体力学仿真计算，获取高压吹除系统管路中的流场特性；S4‑11基于多物理场流‑声耦合仿真方法，以及用于对流场引起的流致噪声计算；S4‑12基于流至噪声特性的结果，对系统水舱壁隔声量进行仿真研究；S4‑21，采用多物理场流‑固耦合仿真计算方法，基于多个基本物理守恒定律，对高压吹除系统管路的流固耦合问题进行仿真分析；S4‑22，基于流‑固耦合仿真计算结果，利用声学仿真计算方法进行瞬态声学边界元仿真计算；S5，基于多物理场流‑固‑声耦合仿真方法，对系统管路及水舱的流场、流致噪声和振动噪声等进行定性、定量分析。

【技术特征摘要】
1.一种潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据真实模型数据建立高压吹除系统管路的三维几何模型；S2，对高压吹除系统管路三维几何模型进行有限元网格划分和边界条件的设定，完成计算区域的离散化；S3，开展计算流体力学仿真计算，获取高压吹除系统管路中的流场特性；S4-11基于多物理场流-声耦合仿真方法，以及用于对流场引起的流致噪声计算；S4-12基于流至噪声特性的结果，对系统水舱壁隔声量进行仿真研究；S4-21，采用多物理场流-固耦合仿真计算方法，基于多个基本物理守恒定律，对高压吹除系统管路的流固耦合问题进行仿真分析；S4-22，基于流-固耦合仿真计算结果，利用声学仿真计算方法进行瞬态声学边界元仿真计算；S5，基于多物理场流-固-声耦合仿真方法，对系统管路及水舱的流场、流致噪声和振动噪声等进行定性、定量分析。2.根据权利要求1所述的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤s1中的高压吹除系统管路包括管路、电磁阀(电液球阀)、舷侧阀和水舱，所述三维几何模型包含流体域和固体域。3.根据权利要求1所述的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤s2中的有限元网格包括流场仿真有限元网格和瞬态结构振动有限元网格；所述边界条件包括材料特征参数、出入口边界条件、壁面边界条件。4.根据权利要求2或3所述的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤s3中的流体力学仿真计算具体包括：对典型工况下高压吹除系统管路中的可压缩理想空气和液态水两相容积比率的变化；压力场、速度场、涡量场、压力波动剧烈部位的压力脉动进行量化分析以及关键部位对比，电磁阀和电液球阀开启、关闭过程对高压吹除系统管路及水舱内气液两相流动特性的影响。5.根据权利要求1所述的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S4-11具体过程为：通过求解声波的连续方程、运动方程、能量方程、物态方程以及声波的Helmholtz波动方程，获取吹除系统内的流致噪声的声压级及声压级频率响应；基于高压吹除系统管路内的流致噪声结果，建立水舱隔声量仿真计算声学有限元模型。6.根据权利要求4所述的潜艇高压吹除管路系统多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S4-21具体包括：基于所述步骤S3中获得的高压吹除系统管路瞬态流场特性结果，基于多物理场耦合仿真计算方法，对各种典型工况下高压吹除系统管路及其内部的流场进行单向流-固耦合仿真研究，对电磁阀(电液球阀)开启、全开和关闭过程中系统管路的流致振动进行仿真分析；获取浸没于流体中或者包含流体的结构表面被流体流动产生的交替变化的激励力所诱发的高压吹除系统管路的固有频率和振型、瞬态振动位移量、等效应力应...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，申胜男，崔福浩，杨韵，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42