基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法及系统

1.本发明涉及水下航行器数值分析技术领域，尤其是涉及一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法及系统。


背景技术：

2.拖曳线列阵声呐作为一种反潜装备，目前已经被各国海军应用于日益安静的水下航行器探测，它可以远离工作母船，并且具有诸多优点如噪声低、可变深、可充分利用水文条件、孔径相对不受限制。这使其不仅可以具有较大的作用距离，还可以适应于不同的工作环境。大量实验表明，流噪声严重制约拖曳线列阵声呐的性能发挥，拖曳线列阵布阵的空间增益计算及抗噪声处理均需要流噪声的时空相关特性。因此，拖曳线列阵布阵流噪声的时空相关特性具有着非常重要的实际意义。当拖拽线列阵正常工作时会以一定速度拖拽，为了确保拖线阵其需要处于水平状态，此时，拖拽线列阵护套将与海水相对运动，这时会在其外表面形成边界层，而该边界层内会出现压力和速度脉动的湍流流态，进而形成水动力噪声。该水动力噪声即为流噪声，它是拖拽线列阵声呐的主要自噪声源。从流噪声的产生机理上来看，一类流噪声是由拖线阵边界层压力脉动引起的，且可能由脉动的迁移峰值直接传递，也可能经过护套管的耦合激励而发生再辐射。然而，目前已有的相关数值分析方法均无法准确实现拖拽线列阵的边界层压力脉动求解分析和设计需求。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法及系统，可以较为准确地定量及定性分析具有巨大长度和极小直径拖曳线缆的边界层压力脉动和流噪声问题，有效地填补了目前针对拖拽线列阵流噪声预测和分析的工程需求，并可为不同探测需求任务下的拖曳平台和拖曳线缆系统设计研制提供必要的理论支持和技术储备。
4.第一方面，本发明的实施例提供了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，所述基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法包括：
5.对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到所述水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆对应的拖曳线缆模型；
6.通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算，得到所述流体计算的计算结果；通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果；将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息；
7.将所述拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。
8.根据本发明实施例的方法，至少具有如下有益效果：
9.通过对水下航行器和拖曳线缆进行构建，得到的水下航行器对应的拖曳平台围壳
模型和拖曳线缆对应的拖曳线缆模型，能够准确地数值模拟水下航行器和拖曳线缆；通过对拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算和拖曳线缆模型的固体计算以及将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，能够通过理论精确计算拖曳线缆模型周围的流场信息，能够针对拖曳线缆系统周围的脉动压力进行求解和噪声分析，提高基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的精确性；最后通过将拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报，进行了针对拖拽线列阵流噪声预测和分析，为不同探测需求任务下的拖曳平台和拖曳线缆系统提供精确的理论分析方法，得到精确的远场声场的预报，准确地定量及定性分析具有巨大长度和极小直径拖曳线缆的边界层压力脉动和流噪声问题。
10.根据本发明的一些实施例，所述流体计算基于有限体积法开发，所述通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算包括：基于欧拉网格离散，采用三维不可压缩navier-stokes方程数值求解所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流场，其中，所述方程中的无粘通量选择roe格式，并采用van albada限制器通过3阶muscl方法进行差值；所述方程中的粘性通量采用2阶中心格式离散，所述方程中的时间推进采用lu-sgs格式进行。
11.根据本发明的一些实施例，所述通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果，包括：
12.将所述拖曳线缆模型的边界条件设置为无滑移、等壁温，并采用所述边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟所述拖曳线缆模型的结构动力学，得到模拟所述拖曳线缆模型的控制点位移；
13.通过求解包含所述拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量来计算所述拖曳线缆模型的控制点速度；
14.将所述拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度作为所述固体计算的计算结果。
15.根据本发明的一些实施例，所述采用所述边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟所述拖曳线缆模型的结构动力学，包括：
16.将所述拖曳线缆模型模拟为质点、弹簧和阻尼的耦合模型；
17.在所述质点、弹簧和阻尼的耦合模型中根据牛顿第二定律，计算所述拖曳线缆模型的控制点的控制方程；其中，所述控制点的控制方程的计算公式包括：
[0018][0019]
其中，km、cm和cn分别表示弹性系数、切向和法向方向的阻尼系数，δlk表示弹簧的变化量，ek表示相邻质量节点的单位向量，v
i,j
表示质量节点的速度，n
i,j
表示柔性结构表明的法向向量，δp
i,j
、g
i,j
、t
i,j
和f
i,j
分别表示柔性结构内外的压力、重力、链接结构的拉力和惯性水动力。
[0020]
根据本发明的一些实施例，所述将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息，包括：
[0021]
通过多个时间步的固体计算的计算结果和流体计算的计算结果耦合，得到最后一个时间步的流体计算的计算结果，在每个所述时间步的固体计算的计算结果和流体计算的
计算结果中，执行以下方法：将当前所述时间步的固体计算得到的控制点信息传递到当前所述时间步的流体计算中，得到流场力；将所述流场力传递到下一个所述时间步的固体计算；所述控制点信息包括所述拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度；
[0022]
将最后一个所述时间步的流体计算的计算结果作为所述拖曳线缆模型周围的流场信息。
[0023]
根据本发明的一些实施例，所述声压的波动方程，包括：
[0024][0025]
其中，p表示压强，x、y、z表示坐标位置，t表示时间，c表示声波在介质中的传播速度。
[0026]
根据本发明的一些实施例，所述通过求解包含所述拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量的计算公式，包括：
[0027]vv
＝v
f,t-v
f,n
+vv[0028]
其中，vf、vv、vv分别表示流体单元、虚拟单元、拖曳线缆模型节点的速度，v
f,t
和v
f,n
分别表示流体单元速度的切向和法向分量。
[0029]
第二方面，本发明的实施例提供了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统，所述基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统包括：
[0030]
模型构建模块，用于对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到所述水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆对应的拖曳线缆模型；
[0031]
流固耦合计算模块，用于通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算，得到所述流体计算的计算结果；通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果；将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息；
[0032]
远场声场预报模型构建模块，用于将所述拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。
[0033]
第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如第一方面所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。
[0034]
第四方面，本发明的实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。
[0035]
需要注意的是，本发明的第二至四方面与现有技术之间的有益效果与第一方面的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的有益效果相同，此处不再细述。
[0036]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
[0037]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
[0038]
图1是本发明一实施例提供的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的流程图；
[0039]
图2是本发明一实施例提供的通过拖曳线缆模型的固体计算得到固体计算的计算结果的流程图；
[0040]
图3是本发明一实施例提供的采用边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟拖曳线缆模型的结构动力学的流程图；
[0041]
图4是本发明一实施例提供的将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理得到拖曳线缆模型周围的流场信息的流程图；
[0042]
图5是本发明一实施例提供的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型的示意图；
[0043]
图6是本发明一实施例提供的求解包含拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量的示意图；
[0044]
图7是本发明一实施例提供的将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理得到拖曳线缆模型周围的流场信息的示意图；
[0045]
图8是本发明一实施例提供的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型的实际放大图；
[0046]
图9是本发明一实施例提供的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型的周围流场的示意图；
[0047]
图10是本发明一实施例提供的一种拖曳线缆模型的周围流场的实际放大图；
[0048]
图11是本发明一实施例提供的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统的结构图；
[0049]
图12是本发明一实施例提供的一种电子设备的结构图。
具体实施方式
[0050]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0051]
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0054]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，并非全部实施例。
[0055]
参照图1，在本发明的一些实施例中，提供了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分
析方法，包括：
[0056]
步骤s100、对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆对应的拖曳线缆模型。
[0057]
步骤s200、通过拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算，得到流体计算的计算结果；通过拖曳线缆模型的固体计算，得到固体计算的计算结果；将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，得到拖曳线缆模型周围的流场信息。
[0058]
步骤s300、将拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。
[0059]
通过步骤s100对水下航行器和拖曳线缆进行构建，得到的水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆对应的拖曳线缆模型，能够准确地数值模拟水下航行器和拖曳线缆；通过步骤s200对拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算和拖曳线缆模型的固体计算以及将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，能够通过理论精确计算拖曳线缆模型周围的流场信息，能够针对拖曳线缆系统周围的脉动压力进行求解和噪声分析，提高基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的精确性；最后通过步骤s300将拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报，进行了针对拖拽线列阵流噪声预测和分析，为不同探测需求任务下的拖曳平台和拖曳线缆系统提供精确的理论分析方法，得到精确的远场声场的预报，准确地定量及定性分析具有巨大长度和极小直径拖曳线缆的边界层压力脉动和流噪声问题。
[0060]
在本发明的一些实施例中，流体计算基于有限体积法开发，通过拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算包括：基于欧拉网格离散，采用三维不可压缩navier-stokes方程数值求解拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流场，其中，方程中的无粘通量选择roe格式，并采用van albada限制器通过3阶muscl方法进行差值；方程中的粘性通量采用2阶中心格式离散，方程中的时间推进采用lu-sgs格式进行。
[0061]
需要说明的是，流体计算需在计算区域的入口边界赋来流参数，出口边界采用外插处理。
[0062]
通过上述设置的流体计算能够提高流体计算的精度，提高基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的准确性。
[0063]
参照图2，在本发明的一些实施例中，通过拖曳线缆模型的固体计算，得到固体计算的计算结果，包括：
[0064]
步骤s211、将拖曳线缆模型的边界条件设置为无滑移、等壁温，并采用边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟拖曳线缆模型的结构动力学，得到模拟拖曳线缆模型的控制点位移。
[0065]
需要说明的是，拖曳平台所采用的拖缆系统包括拖缆、线列阵和尾绳，线列阵为其中主要部件，其总体长度可达约400m-1000m。水下航行器如潜艇长度通常约几十米至百米量级，而其拖缆系统与水下航行器长度相比可达数倍至数十倍，另外，拖曳线缆系统的结构细长，如线列阵直径约为0.08m，尾绳直径可达0.02m，而拖曳平台水下航行器直径达数十米，尺寸相差巨大，因此以水下航行器围壳为拖曳平台，通过采用流固耦合浸入边界方法在其尾部添加拖曳线缆，由于拖曳线缆各部分直径相差较小，所以线缆系统可以简化为均一的质量-弹簧-阻尼结构模型。
[0066]
步骤s212、通过求解包含拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量来计算拖曳线缆模型的控制点速度。
[0067]
需要说明的是，参照图6，流固耦合计算时，浸入边界法直接利用非共形笛卡尔坐标进行数值模拟，笛卡尔体网格可以复杂外形结构建立，将外形边界切割笛卡尔网格而浸入其中，物体外形用浸入边界所表示。由于笛卡尔网格并没有与固体边界所共形，这个浸入边界将需要修改其附近的方程来加入此边界条件，浸入边界法主要应用于低雷诺数和中等雷诺数情况。对于水下可压缩流体、高雷诺数情况下，由于边界附近的边界层精确求解要求，为了处理高雷诺数条件下的柔性边界，本实施例采用了一种简易浸入边界技术，通过近似求解包含柔性结构边界的虚拟单元的速度向量，通过构建虚拟单元与流体单元的关系，使其满足边界附近的法向速度为零。
[0068]
步骤s213、将拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度作为固体计算的计算结果。
[0069]
通过质量-弹簧-阻尼模型模拟拖曳线缆模型，通过求解包含拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量计算拖曳线缆模型的控制点速度，有效处理了高雷诺数条件下的柔性边界，满足了边界层精确求解要求，提高了后续流固耦合处理的精确度。
[0070]
参照图3，在本发明的一些实施例中，采用边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟拖曳线缆模型的结构动力学，包括：
[0071]
步骤s2111、将拖曳线缆模型模拟为质点、弹簧和阻尼的耦合模型。
[0072]
步骤s2112、在质点、弹簧和阻尼的耦合模型中根据牛顿第二定律，计算拖曳线缆模型的控制点的控制方程；其中，控制点的控制方程的计算公式包括：
[0073][0074]
其中，km、cm和cn分别表示弹性系数、切向和法向方向的阻尼系数，δlk表示弹簧的变化量，ek表示相邻质量节点的单位向量，v
i,j
表示质量节点的速度，n
i,j
表示柔性结构表明的法向向量，δp
i,j
、g
i,j
、t
i,j
和f
i,j
分别表示柔性结构内外的压力、重力、链接结构的拉力和惯性水动力。
[0075]
需要说明的是，拖曳线缆模型基于拉格朗日点进行描述，其固体计算采用质量-弹簧-阻尼模型来模拟拖曳线缆的结构动力学，同时对于典型质量节点k＝4，对于端部的质量节点k＝3，拖曳线缆固体计算的时间推进采用显性2阶runge-kutta格式。
[0076]
通过质点、弹簧和阻尼的耦合模型中根据牛顿第二定律模拟计算拖曳线缆模型的控制点的控制方程，能够通过数值模拟简化控制点的位移计算，减轻计算复杂度的同时提高精准度。
[0077]
参照图4，在本发明的一些实施例中，将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，得到拖曳线缆模型周围的流场信息，包括：
[0078]
步骤s221、通过多个时间步的固体计算的计算结果和流体计算的计算结果耦合，得到最后一个时间步的流体计算的计算结果，在每个时间步的固体计算的计算结果和流体计算的计算结果中，执行以下方法：将当前时间步的固体计算得到的控制点信息传递到当前时间步的流体计算中，得到流场力；将流场力传递到下一个时间步的固体计算；控制点信
息包括拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度；
[0079]
步骤s222、将最后一个时间步的流体计算的计算结果作为拖曳线缆模型周围的流场信息。
[0080]
需要说明的是，参照图7，为了同时计算流场(流体)和结构(固体)，弱耦合方法被应用到该计算中，在计算的每一个时间步(n),从结构计算(n＝0时，拖曳线缆模型)中得到的控制点信息被传递到该计算步的流场计算中，而弱耦合方法又使得流场计算中获得的流场力被用于下一个时间步(n+1)的结构计算中，然后随着时间步的增加而进行循环迭代。
[0081]
通过流固耦合处理解决了流固声耦合问题难以得到相应的解析的问题，使基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法具有耗费小和不受环境因素影响的优点，同时流固声耦合难以处理的问题也得到了有效解决，提高了基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的精确性。
[0082]
在本发明的一些实施例中，声压的波动方程，包括：
[0083][0084]
其中，p表示压强，x、y、z表示坐标位置，t表示时间，c表示声波在介质中的传播速度。
[0085]
需要说明的是，可以用分离变量法进行求解，获得其有效声压，并由此最终得到声源区和传播区内的声压级。需要特别指出的是，声比拟方法对远场声场成功预报的先决条件是声源区流场的精确求解。
[0086]
通过声压的波动方程对远场声场成功预报的先决条件是声源区流场的精确求解，因此通过精确的数值模拟精确得到的拖曳线缆模型周围的流场信息，再将精确的的拖曳线缆模型周围的流场信息输入声压的波动方程，保证了基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的准确性，同时简化了基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的计算复杂度，提高了基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的性能。
[0087]
在本发明的一些实施例中，通过求解包含拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量的计算公式，包括：
[0088]vv
＝v
f,t-v
f,n
+vv[0089]
其中，vf、vv、vv分别表示流体单元、虚拟单元、拖曳线缆模型节点的速度，v
f,t
和v
f,n
分别表示流体单元速度的切向和法向分量。
[0090]
通过本实施例的求解包含拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量的计算公式，有效处理了高雷诺数条件下的柔性边界，满足了边界层精确求解要求，提高了基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的准确性。
[0091]
参照图5、图8、图9和图10，为了方便本领域技术人员理解，本发明的一个具体实施例，提供了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，包括：
[0092]
第一步、以水下航行器围壳为拖曳平台，通过采用流固耦合浸入边界方法在其尾部添加拖曳线缆，由于拖曳线缆各部分直径相差较小，所以线缆系统可以简化为均一的质量-弹簧-阻尼结构模型，得到拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型。
[0093]
第二步、对拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围进行流体计算、固体计算以及流固耦合处理，得到拖曳线缆模型周围的流场信息。
[0094]
流体计算基于有限体积法开发，通过拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算包括：基于欧拉网格离散，采用三维不可压缩navier-stokes方程数值求解拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流场，其中，方程中的无粘通量选择roe格式，并采用van albada限制器通过3阶muscl方法进行差值；方程中的粘性通量采用2阶中心格式离散，方程中的时间推进采用lu-sgs格式进行。拖曳线缆模型的边界条件设置为无滑移、等壁温。流体计算需在计算区域的入口边界赋来流参数，出口边界采用外插处理。
[0095]
拖曳线缆模型基于拉格朗日点进行描述，其固体计算采用质量-弹簧-阻尼模型来模拟拖曳线缆的结构动力学，同时对于典型质量节点k＝4，对于端部的质量节点k＝3，拖曳线缆固体计算的时间推进采用显性2阶runge-kutta格式。将拖曳线缆模型模拟为质点、弹簧和阻尼的耦合模型。在质点、弹簧和阻尼的耦合模型中根据牛顿第二定律，计算拖曳线缆模型的控制点的控制方程；其中，控制点的控制方程的计算公式包括：
[0096][0097]
其中，km、cm和cn分别表示弹性系数、切向和法向方向的阻尼系数，δlk表示弹簧的变化量，ek表示相邻质量节点的单位向量，v
i,j
表示质量节点的速度，n
i,j
表示柔性结构表明的法向向量，δp
i,j
、g
i,j
、t
i,j
和f
i,j
分别表示柔性结构内外的压力、重力、链接结构的拉力和惯性水动力。
[0098]
流固耦合计算时，浸入边界法直接利用非共形笛卡尔坐标进行数值模拟，笛卡尔体网格可以复杂外形结构建立，将外形边界切割笛卡尔网格而浸入其中，物体外形用浸入边界所表示。由于笛卡尔网格并没有与固体边界所共形，这个浸入边界将需要修改其附近的方程来加入此边界条件，浸入边界法主要应用于低雷诺数和中等雷诺数情况。对于水下可压缩流体、高雷诺数情况下，由于边界附近的边界层精确求解要求，为了处理高雷诺数条件下的柔性边界，本实施例采用了一种简易浸入边界技术，通过近似求解包含柔性结构边界的虚拟单元的速度向量，通过构建虚拟单元与流体单元的关系，使其满足边界附近的法向速度为零，即获得：
[0099]vv
＝v
f,t-v
f,n
+vv[0100]
其中，vf、vv、vv分别表示流体单元、虚拟单元、拖曳线缆模型节点的速度，v
f,t
和v
f,n
分别表示流体单元速度的切向和法向分量。
[0101]
为了同时计算流场(流体)和结构(固体)，弱耦合方法被应用到该计算中，在计算的每一个时间步(n),从结构计算(n＝0时，拖曳线缆模型)中得到的控制点信息被传递到该计算步的流场计算中，而弱耦合方法又使得流场计算中获得的流场力被用于下一个时间步(n+1)的结构计算中，然后随着时间步的增加而进行循环迭代。
[0102]
第三步、将得到的拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项代入声压的波动方程得到远场声压的预报，声压的波动方程包括：
[0103][0104]
其中，p表示压强，x、y、z表示坐标位置，t表示时间，c表示声波在介质中的传播速度。该过程可以用分离变量法进行求解，获得其有效声压，并由此最终得到声源区和传播区
内的声压级。需要特别指出的是，声比拟方法对远场声场成功预报的先决条件是声源区流场的精确求解。
[0105]
参照图11，本发明的一个实施例，还提供了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统，包括模型构建模块1001、流固耦合计算模块1002和远场声场预报模型构建模块1003，其中：
[0106]
模型构建模块1001，用于对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆对应的拖曳线缆模型。
[0107]
流固耦合计算模块1002，用于通过拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算，得到流体计算的计算结果；通过拖曳线缆模型的固体计算，得到固体计算的计算结果；将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，得到拖曳线缆模型周围的流场信息。
[0108]
远场声场预报模型构建模块1003，用于将拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。
[0109]
需要说明的是，由于本实施例中的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统与上述的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本装置实施例，此处不再详述。
[0110]
参考图12，本发明的另一个实施例，还提供了一种电子设备，该电子设备6000可以是任意类型的智能终端，例如手机、平板电脑、个人计算机等。
[0111]
具体的，电子设备6000包括：一个或多个控制处理器6001和存储器6002，图12中以一个控制处理器6001与一个存储器6002为例，控制处理器6001和存储器6002可以通过总线或者其他方式连接，图12中以通过总线连接为例。
[0112]
存储器6002作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的一种电子设备对应的程序指令/模块；
[0113]
控制处理器6001通过运行存储在存储器6002中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。
[0114]
存储器6002可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的使用所创建的数据等。此外，存储器6002可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器6002可选包括相对于控制处理器6001远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该电子设备6000。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0115]
在一个或者多个模块存储在存储器6002中，当被该一个或者多个控制处理器6001执行时，执行上述方法实施例中的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，例如执行以上描述的图1至图4的方法步骤。
[0116]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态
存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0117]
需要说明的是，由于本实施例中的一种电子设备与上述的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本装置实施例，此处不再详述。
[0118]
本发明的一个实施例，还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行：如上述实施例的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。
[0119]
需要说明的是，由于本实施例中的一种计算机可读存储介质与上述的一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本装置实施例，此处不再详述。
[0120]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储数据(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的数据并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何数据递送介质。
[0121]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0122]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法包括：对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到所述水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆对应的拖曳线缆模型；通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算，得到所述流体计算的计算结果；通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果；将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息；将所述拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。2.根据权利要求1所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述流体计算基于有限体积法开发，所述通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算包括：基于欧拉网格离散，采用三维不可压缩navier-stokes方程数值求解所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流场，其中，所述方程中的无粘通量选择roe格式，并采用van albada限制器通过3阶muscl方法进行差值；所述方程中的粘性通量采用2阶中心格式离散，所述方程中的时间推进采用lu-sgs格式进行。3.根据权利要求1所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果，包括：将所述拖曳线缆模型的边界条件设置为无滑移、等壁温，并采用所述边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟所述拖曳线缆模型的结构动力学，得到模拟所述拖曳线缆模型的控制点位移；通过求解包含所述拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量来计算所述拖曳线缆模型的控制点速度；将所述拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度作为所述固体计算的计算结果。4.根据权利要求3所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述采用所述边界条件对应的质量-弹簧-阻尼模型模拟所述拖曳线缆模型的结构动力学，包括：将所述拖曳线缆模型模拟为质点、弹簧和阻尼的耦合模型；在所述质点、弹簧和阻尼的耦合模型中根据牛顿第二定律，计算所述拖曳线缆模型的控制点的控制方程；其中，所述控制点的控制方程的计算公式包括：其中，k
m
、c
m
和c
n
分别表示弹性系数、切向和法向方向的阻尼系数，δl
k
表示弹簧的变化量，e
k
表示相邻质量节点的单位向量，v
i,j
表示质量节点的速度，n
i,j
表示柔性结构表明的法向向量，δp
i,j
、g
i,j
、t
i,j
和f
i,j
分别表示柔性结构内外的压力、重力、链接结构的拉力和惯性水动力。5.根据权利要求1所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息，包括：
通过多个时间步的固体计算的计算结果和流体计算的计算结果耦合，得到最后一个时间步的流体计算的计算结果，在每个所述时间步的固体计算的计算结果和流体计算的计算结果中，执行以下方法：将当前所述时间步的固体计算得到的控制点信息传递到当前所述时间步的流体计算中，得到流场力；将所述流场力传递到下一个所述时间步的固体计算；所述控制点信息包括所述拖曳线缆模型的控制点位移和控制点速度；将最后一个所述时间步的流体计算的计算结果作为所述拖曳线缆模型周围的流场信息。6.根据权利要求1所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述声压的波动方程，包括：其中，p表示压强，x、y、z表示坐标位置，t表示时间，c表示声波在介质中的传播速度。7.根据权利要求6所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法，其特征在于，所述通过求解包含所述拖曳线缆模型的虚拟单元的速度向量的计算公式，包括：v
v
＝v
f,t-v
f,n
+v
v
其中，v
f
、v
v
、v
v
分别表示流体单元、虚拟单元、拖曳线缆模型节点的速度，v
f,t
和v
f,n
分别表示流体单元速度的切向和法向分量。8.一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统，其特征在于，所述基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法系统包括：模型构建模块，用于对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到所述水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆对应的拖曳线缆模型；流固耦合计算模块，用于通过所述拖曳平台围壳模型和所述拖曳线缆模型周围的流体计算，得到所述流体计算的计算结果；通过所述拖曳线缆模型的固体计算，得到所述固体计算的计算结果；将所述流体计算的计算结果和所述固体计算的计算结果进行耦合处理，得到所述拖曳线缆模型周围的流场信息；远场声场预报模型构建模块，用于将所述拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。9.一种电子设备，其特征在于：包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如权利要求1至7任一项所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至7任一项所述的基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法。

技术总结
本发明公开了一种基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法及系统，所述方法包括：对水下航行器和拖曳线缆进行建模，得到水下航行器对应的拖曳平台围壳模型和拖曳线缆对应的拖曳线缆模型；通过拖曳平台围壳模型和拖曳线缆模型周围的流体计算，得到流体计算的计算结果；通过拖曳线缆模型的固体计算，得到固体计算的计算结果；将流体计算的计算结果和固体计算的计算结果进行耦合处理，得到拖曳线缆模型周围的流场信息；将拖曳线缆模型周围的流场信息作为源项输入声压的波动方程，得到远场声场的预报。本发明准确地数值模拟分析了具有巨大长度和极小直径拖曳线缆的边界层压力脉动和流噪声问题，提高基于拖曳线列阵的流噪声数值分析方法的精确性。方法的精确性。方法的精确性。


技术研发人员：薛晓鹏 梁步阁 杨德贵 赵党军 田旭东 邹天琪
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/6