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基于光纤传感的湍流边界层脉动压力测量研究

摘要

水下航行体在航行的过程中，其表面会形成一层湍流边界层，湍流边界层中的涡

旋相互作用产生脉动压力。脉动压力不仅会激励航行体结构振动产生噪声，而且会作

为声源发出流噪声向外扩散，严重破坏了水下航行体的隐蔽性。因此，对脉动压力的

测量和研究有着非常重要的意义。为了实现对湍流边界层脉动压力进行测量并且实现

高波数范围测量，本文基于光纤F-P干涉仪传感原理制作了一个脉动压力传感阵列，并

将其运用到实验管道系统中进行测量，结合流体仿真对湍流边界层脉动压力进行了分

析。

首先，针对实验管道进行几何建模，并且确定传感阵列中各个传感单元之间的相

对位置以及阵列在实验管道中的安装位置，在相应的位置设定监测点；采用大涡模拟

的方法，对不同流速条件下监测点的压力数据进行流体力学仿真计算，将计算得到的

脉动压力时空数据转化为波数-频率谱，对不同组合的监测点阵列、不同流速条件下的

波数-频率谱进行分析。

其次，采用固体力学仿真的方法计算了传感单元相关参数对传感单元灵敏度和固

有频率的影响，确定了传感单元的参数，并且计算了相邻传感单元间距对彼此的串扰

的影响；根据固体力学仿真确定的参数以及流体力学计算中监测点的排布制作脉动压

力传感阵列，并且对传感阵列进行了校准。

最后，将实验管道安装在低噪声实验管道系统中，并将脉动压力传感阵列齐平的

安装在实验管道内部，并且搭建了传感阵列解调系统，对实验管道管壁处的脉动压力

进行测量。通过在不同条件下的脉动压力的测量，计算出传感阵列所对应的波数-频率

谱，验证了在同样条件下流体力学仿真计算所得到的结论，说明了本文制作的脉动压

力传感阵列的实用性。

本文基于光纤传感的原理制作了脉动压力传感阵列，保证传感阵列高灵敏度的同

时较电学传感器缩小了传感单元尺寸，实现了对湍流边界层脉动压力的高空间分辨率

的测量。

关键词：湍流边界层；脉动压力传感阵列；法布里-珀罗干涉仪；大涡模拟

基于光纤传感的湍流边界层脉动压力测量研究

Abstract

Duringthenavigationofunderwatervehicle,aturbulentboundarylayerwillformonits

surface,andthevortexinteractionintheturbulentboundarylayerwillgeneratefluctuating

pressure.Thefluctuatingpressurenotonlystimulatesthestructuralvibrationoftheunderwater

vehicletogeneratenoise,butalsoactsasasoundsourcetoemitflownoisethatspreadsoutward,

seriouslydamagingtheconcealmentoftheunderwatervehicle.Therefore,themeasurement

andresearchoffluctuatingpressureareofgreatsignificance.Inordertomeasurethefluctuating

pressureintheturbulentboundarylayerandrealizethemeasurementofhighwavenumber

range,thispapermakesafluctuatingpressuresensorarraybasedonthesensingprincipleof

fiberF-Pinterferometer,andappliesittotheexperimentalpipelinesystemformeasurement.

Combinedwithfluidsimulation,thefluctuatingpressurei