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薄壳框架湿舱LUUV流激振动声辐射特性研究

张玄,  朱敏,  段浩,  张明,  贺志荣,  杨壮滔

张玄, 朱敏, 段浩, 等. 薄壳框架湿舱LUUV流激振动声辐射特性研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0155
引用本文: 张玄, 朱敏, 段浩, 等. 薄壳框架湿舱LUUV流激振动声辐射特性研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0155
ZHANG Xuan, ZHU Min, DUAN Hao, ZHANG Ming, HE Zhirong, YANG Zhuangtao. Study on Flow-Induced Vibration and Acoustic Radiation Characteristics of LUUV with Internal Frame-Stiffened Thin-Shell Wet Compartments[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0155
Citation: ZHANG Xuan, ZHU Min, DUAN Hao, ZHANG Ming, HE Zhirong, YANG Zhuangtao. Study on Flow-Induced Vibration and Acoustic Radiation Characteristics of LUUV with Internal Frame-Stiffened Thin-Shell Wet Compartments[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0155

薄壳框架湿舱LUUV流激振动声辐射特性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0155
基金项目: 国家重点研发计划资助(2025YFF0517604).
详细信息
    作者简介:

    张玄:张 玄(2001-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器减振降噪设计

    通讯作者:

    朱 敏(),女, 主要研究方向为.

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

Study on Flow-Induced Vibration and Acoustic Radiation Characteristics of LUUV with Internal Frame-Stiffened Thin-Shell Wet Compartments

  • 摘要: 大型无人水下航行器(LUUV)正逐渐成为各国争相发展的重点装备, 并且LUUV普遍采用薄壳框架式湿舱结构, 其在航行过程由脉动压力激发壳体振动所产生的辐射噪声具有能量高、衰减慢的特点。为了支撑此类航行器的减振降噪设计, 有必要对其流激振动声辐射特性进行研究。文中基于改进延迟分离涡模拟(IDDES)模型和有限元/自动匹配层(FEM/AML)耦合法, 构建了针对薄壳框架湿舱LUUV的低频噪声分析方法, 研究了航行器在1 000 Hz内的流激振动声辐射特性。研究表明: 航行器在航行时, 其壁面脉动压力能量主要集中在低频部分; 由于湿舱受到双面附加水质量的影响, 航行器的低频振型主要表现为湿舱的局部模态; 随着航速增加, 航行器的辐射声功率整体抬升; 增加湿舱壳体厚度可降低部分低频振动响应, 但可能因为湿舱壳体双面水负载产生的附加质量, 导致辐射声功率总级的降幅有限; 相较于金属材料, 湿舱壳体采用碳纤维时的LUUV拥有较高的辐射声功率水平。文中研究分析了航速、湿舱壳体厚度和材料变化对航行器辐射噪声的影响规律, 可为LUUV的隐身设计提供参考。

     

  • 图  1  LUUV流激振动声辐射特性研究流程图

    Figure  1.  Flow chart of research on acoustic radiation characteristics of luuv flow induced vibration

    图  2  矩形试验段尺寸与测点布置示意图

    Figure  2.  Dimensions and measurement point layout of the rectangular test section

    图  3  矩形试验段CFD网格与边界条件设置

    Figure  3.  CFD grid and boundary condition settings for rectangular test section

    图  4  矩形试验段壁面脉动压力谱的试验与仿真对比

    Figure  4.  Comparison of experiment and simulation of wall pulsating pressure spectrum in rectangular test section

    图  5  平板CFD网格及边界条件

    Figure  5.  Flat plate CFD grid and boundary conditions

    图  6  简支平板声学有限元网格

    Figure  6.  Acoustic finite element mesh of simply supported flat plate

    图  7  湍流激励平板的辐射声功率级文中计算值与文献计算值对比

    Figure  7.  Comparison of the calculated radiated sound power level of a turbulent flow-excited flat plate between the values in this paper and those in the literature

    图  8  不同结构网格尺寸的平板流激振动辐射声功率级

    Figure  8.  Radiated sound power levels of flow-induced vibration of a flat plate with different structural grid sizes

    图  9  文中所研究LUUV的结构示意图

    Figure  9.  The structural schematic diagram of the LUUV studied in the article

    图  10  LUUV CFD流场尺寸与边界条件

    Figure  10.  LUUV CFD flow field dimensions and boundary conditions

    图  11  LUUV CFD整体网格与细节图

    Figure  11.  Overall grid and detailed diagram of LUUV CFD

    图  12  LUUV壁面脉动压力测点位置

    Figure  12.  LUUV wall pulsating pressure measurement point location

    图  13  不同网格方案下2#测点脉动压力功率谱密度级

    Figure  13.  Pulsating pressure power spectral density level at measuring point 2# under different grid schemes

    图  14  不同壁面测点在各航速下的PSD级

    Figure  14.  PSD levels at different wall measurement points under various speeds

    图  15  完整2s样本与3段重叠样本平均的辐射声功率级

    Figure  15.  The average radiated sound power level of the complete 2 s sample and the 3 s overlapping sample

    图  16  LUUV声学与结构有限元网格

    Figure  16.  Acoustic and structural finite element mesh of the LUUV

    图  17  LUUV湿模态振型图

    Figure  17.  Wet mode shapes of the LUUV

    图  18  不同航速下各测点壳体表面的振动速度级

    Figure  18.  Vibration velocity levels on the hull surface at various measurement points under different navigation speeds

    图  19  9 kn航速下壳体均方振速级

    Figure  19.  Mean square vibration velocity level of the hull at a speed of 9 kn

    图  20  LUUV壳体振速云图

    Figure  20.  Vibration velocity contour plot of LUUV shell

    图  21  不同航速下的LUUV流激振动辐射声功率级

    Figure  21.  Acoustic power level of flow-induced vibration radiation of LUUV at different speeds

    图  22  不同湿舱壳体材料下LUUV的均方振速级

    Figure  22.  Mean square vibration velocity level of LUUV under different wet cabin hull materials

    图  23  不同湿舱壳体材料下LUUV的辐射声功率级

    Figure  23.  Radiated sound power level of LUUV under different wet cabin hull materials

    图  24  不同湿舱壳体厚度下LUUV的均方振速级

    Figure  24.  Mean square vibration velocity level of LUUV under different wet cabin shell thicknesses

    图  25  不同湿舱壳体厚度下LUUV的辐射声功率级

    Figure  25.  Radiated sound power level of LUUV under different wet cabin shell thicknesses

    表  1  LUUV器初始结构参数

    Table  1.   Initial structural parameters of the UUV

    参数数值
    航行器总长/m17.424
    湿舱长度/m12.5
    艉舱长度/m4.924
    舯舱直径/m2.032
    T型材框架尺寸/mm50×60×5×5
    T型材框架数量轴向15根, 周向6根
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    表  2  不同网格数量下的艇体阻力计算结果

    Table  2.   Calculation results of hull resistance under different grid numbers

    网格方案艇体阻力/N相对偏差/%
    网格11 131.961 4—
    网格21 132.288 90.029
    网格31 136.202 10.346
    网格41 136.36280.014
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    表  3  代表频率处的声功率级对比

    Table  3.   Comparison of sound power levels at representative frequencies

    频率/Hz 完整2 s/dB 3段平均/dB 差值/dB
    70 154.73 151.74 2.99
    100 153.65 150.86 2.79
    170 148.56 145.38 3.18
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    表  4  LUUV结构与材料参数

    Table  4.   Structural and material parameters of the LUUV

    名称数值
    艏舱壳体厚度h1/mm4
    舯舱壳体厚度h2/mm4
    艉舱壳体厚度h3/mm10
    ρ/kg/m34510
    E/GPa110
    μ0.34
    η0.005
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    表  5  不同航速下的LUUV辐射声功率总级

    Table  5.   Total sound power level radiated by LUUV at different speeds

    航速/kn辐射声功率总级/dB
    6164.72
    9166.43
    12168.31
    15170.87
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    表  6  仿真研究的合金材料参数

    Table  6.   Alloy material parameters for simulation studies

    钛合金铝合金钢
    Ρ/(kg/m3)4 5102 6607 850
    E/GPa11070.5210
    μ0.340.330.3
    η0.0050.0020.004
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    表  7  仿真研究的碳纤维预浸布材料参数

    Table  7.   Simulation study parameters of carbon fiber prepreg material

    参数 数值 参数 数值
    $ {E}_{1}/\text{GPa} $ 150 $ {G}_{23}/\text{GPa} $ 3.4
    $ {E}_{2}/\text{GPa} $ 9 $ \rho /(\text{kg}/{\text{m}}^{3}) $ 1 650
    $ {G}_{12}/\text{GPa} $ 5.12 $ {\nu }_{12} $ 0.24
    $ {G}_{13}/\text{GPa} $ 5.12 $ \eta $ 0.02
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    表  8  不同湿舱壳体材料下LUUV辐射声功率总级

    Table  8.   Total level of radiated sound power of LUUV under different wet cabin hull materials

    材料辐射声功率总级/dB
    钛合金166.43
    铝合金168.72
    钢159.35
    碳纤维172.11
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    表  9  不同湿舱壳体厚度下的LUUV辐射声功率总级

    Table  9.   Total level of radiated sound power of LUUV under different thicknesses of wet cabin hull

    厚度/mm辐射声功率总级/dB
    4166.43
    6164.84
    8163.22
    10162.90
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-09-11
  • 修回日期:  2026-10-21
  • 录用日期:  2026-10-26
  • 网络出版日期:  2026-11-13
图(25) / 表(9)

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