基于格子Boltzmann方法的潜艇泵喷推进器流噪声预报研究

潜艇泵喷推进器流噪声预报是开发低噪声潜艇的关键技术之一。泵喷推进器的复杂结构和水下工作状态使常规流噪声预报方法受制于流体微可压条件、复杂动态边界、大规模计算量的处理等诸多瓶颈，而这些瓶颈恰恰是近些年发展起来的格子Boltzmann(LB)方法的优势所在。鉴于此, 本项目将采用LB方法这一先进数值模拟方法，结合GPU并行计算等高性能计算手段，对潜艇泵喷推进器不同工作状态下的流噪声产生传播机理进行研究。主要包括：发展适合潜艇泵喷推进器流噪声预报的LB模型和边界处理格式；考察泵喷推进器的几何参数、工作状态参数等对噪声场的声源强度分布、辐射方向、频率特性等的影响规律；探讨不同噪声源(单极子、偶极子和四极子等)对总体噪声的贡献。本项目的研究可以为潜艇泵喷推进器流噪声提供合理高效的预报方法，为人们深入认识此类复杂的水下噪声现象提供新的途径，为发展相应的水下消声降噪技术提供有益的理论指导。

水下流噪声数值预报是发展低噪声潜艇的关键技术之一，格子Boltzmann(LB)方法在模拟水下流噪声方面具有巨大的潜在优势。本项目初步发展了一种针对潜艇泵喷推进器流噪声为例的基于格子Boltzmann方法水下流噪声建模和模拟方法，并在此基础上对其产生传播机理进行了详细探讨。研究成果主要有如下三个方面：(1) 流噪声LB建模方面，针对一般对流扩散方程分别建立了具有二阶精度的LB矩形模型和含源项的LB模型；结合PML边界处理格式建立了一种多松弛LB直接模拟模型；结合FWH方程建立了基于LB的混合模拟模型；实现了相应的CPU-GPU版本的算法程序；数值模拟结果表明了方法的有效性；(2) 动态边界处理方面，构建了一种基本消除了边界数值滑移的多松弛浸入式LB边界处理格式；构建了一种能实现边界低虚拟压力波动的尖锐界面浸入式LB边界处理格式，并将该格式拓展到多相情形。数值模拟结果和理论分析证明了方法的可靠性，并为进一步模拟涉及空泡噪声问题奠定基础；(3) 流噪声产生传播机理方面，研究了平面波、正弦波等在流体介质中传播规律，作为泵喷推进器的一个简单模型，探讨了旋转椭圆柱周围流噪声产生传播原理。