船舶声学设备气泡性能评估方法与流程

本发明涉及船舶声学设备气泡性能评估，尤其是一种船舶声学设备气泡性能评估方法。

背景技术：

1、船舶声学环境中的气泡主要来源于两个方面，一是船首波破碎产生的空气进入水中，形成密集的气泡云，这些气泡随着水流沿船体底部向后方流动，如果进入声学换能器的安装位置，就会形成遮蔽；二是船舶在高速航行时，换能器基阵表面或船体突出物附近的局部压力降至汽化压力以下，从而产生空泡导致声学噪声。

2、在船舶航行过程中，船舶声学环境中的气泡会对船舶声学设备（如声呐、多波束测深仪、adcp等）造成干扰：船体周围的气泡群流动会对声学设备发射和接收声波信号产生一定的干扰，尤其在高速航行或恶劣海况下，气泡是影响声学设备效能的关键物理因素，通常表现为信号中断、测深失真或量程大幅缩减；此外，气泡下行扫掠现象对探测类船舶尤为关键，会极大地降低声学设备的工作效率、工作深度以及工作带宽。

3、现有技术中，针对气泡对船舶声学设备的干扰问题，通常依赖于经验判断和有限的水池模型试验，采用加装导流罩、船体线型优化等手段进行处理。然而，船舶声学设备是船舶进行水下探测、海底地形测绘、导航作业的核心装备，缺乏对船舶声学设备进行系统化、定量化的评估手段，不仅制约船载声学设备性能的进一步提升，还影响相关船舶总体设计中声学设备的选型、布置及外形优化工作；因此，亟需一种能够精准评估船舶声学设备气泡性能的方法，以实现对船舶声学设备的气泡性能进行定性与定量分析。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的船舶声学设备气泡性能评估方法，通过提取特征流线并对特征流线进行压力梯度分析，从而实现对船舶声学设备气泡性能的定性与定量分析，实现对船舶声学设备气泡性能的精准评估。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种船舶声学设备气泡性能评估方法，包括如下步骤：

4、s1.对船舶在不同航速下的流场进行精细仿真，在船舶上划分出局部加密区，仿真过程中，对局部加密区进行局部加密，从而捕捉局部加密区内的流场梯度；

5、s2.在船舶上划分出特征提取关键区，在特征提取关键区布置种子点群，提取经过种子点群的特征流线，通过追踪特征流线的覆盖范围，从而进行船舶声学设备气泡性能的初步评估；

6、s3.提取特征流线上各离散点的三维空间数据，对特征流线进行压力梯度分析，将三维空间数据映射为一维弧长函数，从而获取沿特征流线路径的一维压力系数分布曲线；

7、s4.根据一维压力系数分布曲线，结合声学设备气泡性能评估判别准则，对船舶声学设备气泡性能进行最终评估。

8、作为上述技术方案的进一步改进：

9、s1中，采用rans方法求解船舶全局流场，采用vof方法处理自由液面兴波，采用dbfi方法处理船舶六自由度运动，从而实现对对船舶在不同航速下流场的精细仿真。

10、s1中，所述局部加密区包括船首兴波区域和船底边界层。

11、s2中，所述特征提取关键区包括船首波破碎区域和声学设备换能器安装窗口表面区域。

12、s2中，对船舶声学设备气泡性能进行初步评估时，评估船首波破碎区域的特征流线是否经过声学设备换能器安装窗口，评估声学设备换能器安装窗口表面区域的特征流线是否平滑。

13、s3中，所述特征流线上各离散点的三维空间数据包括坐标、速度分量和无量纲压力系数。

14、s3中，所述一维压力系数分布曲线的表达式如下：

15、

16、表示一维压力系数分布曲线的弧长；

17、表示对应离散点的横轴坐标；

18、表示对应离散点的纵轴坐标；

19、表示对应离散点的竖轴坐标；

20、表示无量纲压力系数；

21、表示对应离散点处压力；

22、表示无穷远处静水压力；

23、表示流体密度；

24、表示来流速度。

25、基于一维压力系数分布曲线，获取综合指标函数船舶声学设备气泡性能进行定量分析，综合指标函数的表达式如下：

26、

27、式中，表示评估控制区域在流线上的终点；

28、表示评估控制区域在流线上的起点；

29、表示权重函数；

30、表示无量纲压力系数；

31、表示一维压力系数分布曲线的弧长。

32、所述声学设备气泡性能评估判别准则包括：

33、当特征流线的覆盖范围显示全部特征流线绕过特征提取关键区时，判定风险等级为安全；

34、当特征流线的覆盖范围显示部分特征流线经过特征提取关键区边缘时，判定风险等级为低风险；

35、当特征流线的覆盖范围显示全部或部分特征流线覆盖特征提取关键区时，判定风险等级为中风险或高风险；

36、当特征流线的覆盖范围显示全部或部分特征流线进入回流区，或者，特征流线的覆盖范围显示全部或部分特征流线进入分离区时，判定风险等级为极限风险。

37、当判定风险等级为中风险或高风险时，根据一维压力系数分布曲线，若覆盖特征提取关键区的特征流线所经过的流场区段处于等压区时，判定风险等级为中风险；

38、若覆盖特征提取关键区的特征流线所经过的流场区段处于增长区时，判定风险等级为高风险。

39、本发明的有益效果如下：

40、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置四个步骤，能够系统性分析船舶航行时船体表面的特征流线分布与压力梯度变化，对声学设备所处环境的气泡风险进行定性与定量相结合的深入分析，为船舶设计阶段的声学设备选型与安装位置优化，提供更为科学、客观的决策依据和参考。

41、本发明通过设置高精度流场数值仿真、特征流线提取、压力梯度分析的步骤，能够全面了解船舶航行过程中声学设备附近的气泡分布和运动规律，为船舶声学设备的气泡性能评估提供了一套系统、定量化的手段；与现有技术相比，本发明的评估方法不再依赖经验判断和有限的水池模型试验，而是通过科学的数值分析和评估准则，为船舶设计过程中声学设备的布置及外形优化提供了更为可靠的依据，大幅降低船舶设计成本和风险。

1.一种船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s1中，采用rans方法求解船舶全局流场，采用vof方法处理自由液面兴波，采用dbfi方法处理船舶六自由度运动，从而实现对对船舶在不同航速下流场的精细仿真。

3.如权利要求1所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s1中，所述局部加密区包括船首兴波区域和船底边界层。

4.如权利要求1所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s2中，所述特征提取关键区包括船首波破碎区域和声学设备换能器安装窗口表面区域。

5.如权利要求4所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s2中，对船舶声学设备气泡性能进行初步评估时，评估船首波破碎区域的特征流线是否经过声学设备换能器安装窗口，评估声学设备换能器安装窗口表面区域的特征流线是否平滑。

6.如权利要求1所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s3中，所述特征流线上各离散点的三维空间数据包括坐标、速度分量和无量纲压力系数。

7.如权利要求6所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：s3中，所述一维压力系数分布曲线的表达式如下：

8.如权利要求7所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：基于一维压力系数分布曲线，获取综合指标函数船舶声学设备气泡性能进行定量分析，综合指标函数的表达式如下：

9.如权利要求1所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：所述声学设备气泡性能评估判别准则包括：

10.如权利要求9所述的船舶声学设备气泡性能评估方法，其特征在于：当判定风险等级为中风险或高风险时，根据一维压力系数分布曲线，若覆盖特征提取关键区的特征流线所经过的流场区段处于等压区时，判定风险等级为中风险；