内部含液舱的水下圆柱壳结构耦合振动与声辐射特性研究

For the vibration and acoustic radiation of underwater vehicle, the interaction between structures and the external fluid fields have been studied widely. However, in an underwater vehicle, there are always various types of liquid tanks, which contain fluid with a free surface. Moreover, the internal fluid is coupled with structure and external flow fields, making it easy to form local acoustic highlight. However, at present there are still few reports about coupled vibration and acoustic radiation based on this coupled system.. In this research, aimed at underwater cylindrical shell partially filled with internal fluid, the coupled vibration and acoustic radiation are analyzed by using theoretical analysis, numerical calculation and model test. The intrinsic physical relationships between the characteristic parameters, such as fluid compressibility, internal fluid free surface sloshing, the height of internal liquid level in tanks, tank position and internal fluid viscosity, and sound-vibration characteristics of coupled system are revealed, which will provide the theoretical basis for the vibration and noise prediction and control of submerged cylindrical shell that contains internal tanks.. Based on the project research, the vibroacoustic model of the submerged cylindrical shell with internal tanks is established in theory, and the vibroacoustic mechanism of submerged structures under the coupling of internal fluid and external fluid is revealed, and the research can also be used to guide the acoustic design and acoustic performance assessment of underwater vehicle and other structures with tanks. This research has important theoretical significance and application value.

针对水下航行器的振动与声辐射问题，目前已有大部分研究只涉及其与外部流场的相互作用。然而水下航行器内部往往还含有各类液舱，液舱内带有自由液面的液体与壳体及外部流场耦合振动，易形成局部声学亮点，目前对此类内、外流场与结构的声振耦合问题，尚缺乏必要的认识和深入的研究。. 本研究以内部含液舱的水下圆柱壳为对象，采用理论分析、数值仿真和模型试验等手段分析水下圆柱壳在内、外部流体介质共同作用下的耦合振动与声学特性，揭示流体压缩性、内部自由液面晃荡、液舱液面高度、液舱位置、内部流体粘性等参数与耦合系统声振特性的内在物理联系，为含液舱水下圆柱壳的声振预报和控制提供理论依据。. 通过本项目研究，在理论上建立起含内部液舱的水下圆柱壳的声振理论模型，揭示内、外液体耦合作用下水下结构的声振机理，研究成果可用于指导含液舱水下航行器的声学设计和评估，具有重要的理论意义和工程应用价值。

针对水下航行器的振动与声辐射问题，目前已有的大部分研究只涉及其与外部流场的相互作用。然而水下航行器内部往往还含有各类液舱，壳体内部带有自由液面的液体与壳体及外部流场耦合振动，易形成局部声学亮点，影响水下航行器的声隐身性。.本研究以内部含液体的水下圆柱壳为对象，采用理论分析、数值仿真和模型试验等手段分析圆柱壳在内、外部流体介质共同作用下的耦合振动与声学特性。研究建立了水平任意充液深度的二维及三维刚性圆柱壳液体晃荡运动的理论模型并提出了求解该模型的半解析法。在此基础上进一步建立了考虑液面晃荡效应的三维弹性圆柱壳耦合声振理论模型，实现了半解析法对液体晃荡频率及圆柱壳耦合系统的振动频率和响应进行统一求解。通过和有限元法及其他研究文献对比，验证了理论模型和求解方法的准确性。开展了内部部分充液圆柱壳的晃荡响应的模型试验，通过试验模型进一步验证了理论模型的正确性。研究发现当自由液面晃荡频率与充液圆柱壳的结构耦合频率比较接近时，自由液面晃荡效应对充液圆柱壳结构振动存在一定的影响，且圆柱壳的自由液面晃荡频率也会受到圆柱壳弹性的影响。针对内部部分充粘性液体的壳体,分析得到了粘性液体对圆柱壳耦合振动的影响特性。.进一步对含有内部液舱的部分充液水下圆柱壳的耦合声振模型和声振特性开展了研究。考虑内部隔板的面内振动和弯曲振动，建立了考虑晃荡效应的内部带水平隔板的充液圆柱壳的声振理论模型并实现内部液面晃荡、内部结构振动及壳体振动与声辐射的统一求解。通过分析得到了流体压缩性、内部自由液面晃荡、液舱液面高度、内部流体粘性等参数与耦合系统声振特性的内在物理联系，为含液舱水下圆柱壳的声振预报和控制提供理论基础。.通过本项目研究，在理论上建立起含内部液舱的水下圆柱壳的声振理论模型，揭示内、外液体耦合作用下水下结构的声振机理，研究成果可用于指导含内部液体的水下航行器的声学设计和评估，具有重要的理论意义和工程应用价值。