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流固耦合对水下结构声辐射影响研究

引言

随着海洋开发活动的日益频繁，水下结构物的应用愈发广泛，如潜艇、水下航行器、海洋平台等。这些结构在工作过程中，其振动和声辐射特性备受关注。一方面，过大的振动可能影响结构自身的安全性与稳定性；另一方面，强烈的声辐射不仅会干扰水下声学设备的正常工作，还可能对海洋生物造成危害。流固耦合现象在水下结构中普遍存在，流体与固体之间的相互作用显著影响着结构的振动和声辐射特性。深入研究流固耦合对水下结构声辐射的影响，对于优化水下结构设计、降低结构振动和声辐射水平具有重要的理论与实际意义。

流固耦合基本理论

流固耦合的定义与分类

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉形成的学科分支，主要研究变形固体在流场作用下的行为，以及固体位形对流场的影响。依据耦合机理，流固耦合问题可分为两类。第一类，耦合作用仅发生在流体与固体的交界面上，通过界面上的力平衡和位移协调条件实现方程耦合，如常见的气动弹性、水动弹性问题。以水下航行器为例，其在水中航行时，水流对壳体产生压力，使壳体发生变形，而壳体变形又反过来影响水流的流动状态，这种相互作用主要在壳体与水的交界面处体现。第二类，流体域与固体域部分或全部重叠，难以清晰划分，需针对具体物理现象建立特殊的本构方程，耦合效应通过描述问题的微分方程体现，例如在研究血液在血管中流动时，血液（流体）与血管壁（固体）相互作用，二者在一定程度上相互渗透，其耦合作用需通过特殊的本构方程来描述。

流固耦合的数值求解方法

浸入边界法：该方法由Peskin和McQueen于1972年提出，最初用于模拟人类心脏中的血液流动。其核心思想是将复杂结构的边界视为Navier-Stokes动量方程中的一种体力，采用简单的笛卡尔网格，避免了贴体网格生成的难题，显著提高了计算效率。经过多年发展，浸入边界法在生物流体、流固耦合、物体绕流以及多相流等诸多领域得到了广泛应用。在研究鱼类游动时的流固耦合问题中，可利用浸入边界法将鱼体边界处理为体力，在笛卡尔网格下模拟水流与鱼体的相互作用，分析鱼体游动时的受力和变形情况。

动边界法：这是工程技术领域应用最为广泛的流固耦合求解方法。为描述边界的移动，常采用流体方程的任意拉格朗日—欧拉（ALE）形式，该形式能够直接处理移动边界和耦合面（包括自由表面），但需要确定一种连续的计算网格移动方式。动边界法的流固耦合计算主要关注两个关键问题：一是耦合系统方程的时间积分算法，根据物理问题的相对时间尺度，可分为显式算法和隐式算法；二是流固耦合面的处理方法，涉及流体网格与固体网格间的载荷传递、几何变形传递以及不同时间步长上解的同步问题。在模拟船舶在波浪中的运动时，使用动边界法，通过ALE形式的方程处理船舶与水的耦合面，根据时间积分算法求解耦合系统方程，同时妥善处理耦合面上的各种信息传递问题，从而准确模拟船舶在波浪中的流固耦合响应。

水下结构的流固耦合振动特性

常见水下结构形式及其流固耦合特点

圆柱壳结构：圆柱壳结构是水下航行器、潜艇等的常见结构形式。在流固耦合作用下，其振动特性较为复杂。当受到外部激励（如水流激励、内部设备振动激励等）时，圆柱壳会产生径向、周向和轴向的振动。由于流体的存在，会对圆柱壳的振动产生附加质量和附加阻尼效应。附加质量使得圆柱壳的等效质量增加，从而改变其固有频率；附加阻尼则消耗振动能量，影响振动的衰减特性。对于水下航行器的圆柱壳结构，在高速航行时，水流引起的附加质量和附加阻尼对其振动特性的影响更为显著，可能导致航行器的振动加剧或振动模态发生改变。

板结构：在海洋平台、船舶甲板等结构中，板结构广泛应用。在流固耦合环境下，板的振动不仅与自身的材料特性、几何尺寸有关，还与流体的流速、密度等因素密切相关。当流体流经板结构时，会在板表面产生压力分布，引发板的弯曲振动。而且，板的振动会反过来影响流体的流动，形成复杂的相互作用。例如，船舶甲板在海浪的冲击下，板的振动会改变海浪与甲板接触区域的水流速度和压力分布，这种流固耦合作用可能导致甲板的疲劳损伤。

加筋结构：为提高水下结构的强度和稳定性，常采用加筋结构，如加筋圆柱壳、加筋板等。加筋结构在流固耦合作用下，筋条与基体结构之间的相互作用会进一步增加振动特性的复杂性。筋条能够改变结构的刚度分布，影响结构的固有频率和振动模态。同时，流体对加筋结构的作用也不同于普通结构，流体与筋条和基体结构的相互作用会产生复杂的流场和应力分布。以加筋圆柱壳为例，在流固耦合作用下，筋条处的应力集中现象更为明显，其振动特性与未加筋的圆柱壳有很大差异。

流固耦合对水下结构振动特性的影响因素分析

流体参数：

流速：流速的变化对水下结构的振动有显著影响。当流速较低时，流体对结构的作用力主要表现为粘性阻力，对结构振动的影响相对较小。随着流速的增加，流