泵噴推進器導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響

盧丁丁, 付 建

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泵噴推進器導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響

盧丁丁1, 付 建2

(1. 海軍裝備部, 陜西西安, 710077; 2. 海軍潛艇學(xué)院, 山東青島, 266199)

泵噴推進器由于導(dǎo)管的存在, 使其聲場的產(chǎn)生與傳播較螺旋槳有很大不同。為掌握該推進器的聲學(xué)性能,指導(dǎo)推進器的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計, 文中結(jié)合點源模型和邊界元方法完成了泵噴推進器導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子的聲場預(yù)報, 分析了導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響。對導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場而言, 其聲場特性與螺旋槳有相似之處, 寬帶聲源級指向性呈8字形。由于導(dǎo)管散射效應(yīng)的存在, 轉(zhuǎn)子的入射聲場與散射聲場存在較大差異, 使得導(dǎo)管對徑向測點處轉(zhuǎn)子聲場影響較大, 對軸向測點處轉(zhuǎn)子聲場的影響可以忽略。

泵噴推進器; 導(dǎo)管; 轉(zhuǎn)子; 聲場; 點源模型; 邊界元法

0 引言

泵噴推進器是由導(dǎo)管、定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的組合式推進裝置。泵噴推進器與螺旋槳相比, 流體動力特性以及噪聲產(chǎn)生、傳播方式均存在較大差異, 導(dǎo)管將泵噴推進器流場分解成內(nèi)外流場, 其相應(yīng)的聲場亦被分為內(nèi)外兩部分, 內(nèi)聲場通過導(dǎo)管口向外傳播, 相對于自由空間而言其指向性明顯不同[1-2]。國內(nèi)外對泵噴流體動力性能預(yù)報與分析的相關(guān)研究相對較多[3-5], 而和噪聲性能相關(guān)的研究很少[2,6-7]。由于泵噴一般工作于一定水深條件下且減速導(dǎo)管可以有效抑制空泡的發(fā)生, 因此轉(zhuǎn)子作為主要做功部件, 其壁面脈動壓力引起的負載噪聲是推進器噪聲的最主要貢獻者。轉(zhuǎn)子位于導(dǎo)管內(nèi)部, 如何準確計算導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子的輻射聲場, 分析導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響, 對低噪聲泵噴推進器轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

泵噴葉輪屬于旋轉(zhuǎn)聲源, 旋轉(zhuǎn)聲源的聲場主要是依據(jù)聲類比方程或點源模型求解。聲類比方程適用于旋轉(zhuǎn)機械的自由聲場計算, 不能考慮推進器導(dǎo)管對葉輪聲場的影響[8-9]; 點源模型即把旋轉(zhuǎn)葉輪等效為若干個旋轉(zhuǎn)點聲源, 所有旋轉(zhuǎn)點聲源聲場總和即為旋轉(zhuǎn)葉輪聲場, 可以計算任意邊界條件下的旋轉(zhuǎn)聲源輻射聲場[10-11]。此外, 前人對管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源聲場仿真所做研究多以點聲源為研究對象[10-11], 文中研究的對象是分布式聲源。作者在前人工作基礎(chǔ)上, 進一步完善了點源模型在旋轉(zhuǎn)機械自由聲場計算中的應(yīng)用, 并以泵噴推進器為對象, 計算了考慮導(dǎo)管散射時的葉輪聲場, 并分析了導(dǎo)管對葉輪聲場的影響。

1 導(dǎo)管內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源計算方法

在數(shù)值方法中, 由于邊界元法只需在導(dǎo)管邊界面上劃分網(wǎng)格, 不受形狀、邊界條件的限制, 在導(dǎo)管聲場的數(shù)值計算中應(yīng)用最為廣泛[12-13]。文中基于點源模型和邊界元方法完成導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子輻射聲場的計算和分析。

1.1 點源模型理論

任何噪聲源都可以看作由多個具有適當相位、幅值和位置的點聲源組成。結(jié)合點源模型理論, 當葉片尺寸同分析頻率對應(yīng)波長相比足夠小時, 可將單個葉片作為緊致聲源處理; 如果單個葉片不能作為緊致聲源處理時, 可以將葉片沿徑向和軸向劃分為若干部分, 每一部分作為緊致聲源處理[12]。根據(jù)點源模型理論將每個旋轉(zhuǎn)點聲源沿運動軌跡離散為旋轉(zhuǎn)圓周上均勻分布的一系列具有相位差的靜止點聲源(見圖1), 每個離散聲源做相應(yīng)處理, 使得不同時刻靜止點聲源按照沿旋轉(zhuǎn)點聲源運動軌跡的排列順序依次發(fā)聲, 從而模擬點聲源在旋轉(zhuǎn)過程中的發(fā)聲過程, 時域聲源可進一步變換為頻域聲源[12]。

1.2 邊界元方法

邊界元法分為直接邊界元法和間接邊界元法。直接邊界元法采用具有明確物理意義的量(如聲壓和振速)作為變量求解, 適用于封閉空間的內(nèi)聲場或外聲場求解; 間接邊界元法以振動位移和聲學(xué)勢函數(shù)作為變量求解, 適用于封閉空間或非封閉空間的聲場求解。間接邊界元方法可以從直接邊界元方法推導(dǎo)出來, 因此本節(jié)主要介紹有入射波條件下的直接邊界元聲場求解方法。

導(dǎo)管內(nèi)點聲源聲場P為入射聲場P和散射聲場P的疊加, 即

文中借鑒Seol等人計算導(dǎo)管槳噪聲的方法[14], 基于Helmholtz方程預(yù)報簡單聲源的非自由聲場, 并應(yīng)用邊界元法求解Helmholtz方程。Helmholtz方程解的積分形式可以表示為

(2)

導(dǎo)管作為剛性壁面, 在入射聲波確定后, 由式(2)可以首先計算出結(jié)構(gòu)表面聲壓, 然后由式(3)可計算出對應(yīng)的散射聲場和總聲場。

2 分析對象

圖2為所分析的魚雷用泵噴模型。在計算轉(zhuǎn)子負載噪聲之前, 首先要獲得轉(zhuǎn)子壁面的脈動壓力信息, 文中采用CFD方法完成“魚雷+泵噴”的瞬態(tài)流場模擬, 對應(yīng)的流場計算模型如圖3所示(為雷體長度)。

對流場計算域進行離散時, 泵噴壁面第1層網(wǎng)格厚度控制在/1 000左右(為泵噴進口直徑), 以準確模擬固體壁面的脈動壓力信息; 瞬態(tài)流場計算時, 泵噴轉(zhuǎn)子與定子的動靜耦合選用滑移網(wǎng)格模型, 湍流模擬方法選擇分離渦模型, 時間步長定為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.3°所需時間。設(shè)定泵噴轉(zhuǎn)速和對應(yīng)的來流速度, 進行系統(tǒng)的瞬態(tài)流場計算, 待流場穩(wěn)定后提取轉(zhuǎn)子壁面脈動壓力信息, 即可進行聲場計算。

3 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場的計算與分析

3.1 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場的仿真方法

應(yīng)用點源理論和邊界元法求解泵噴轉(zhuǎn)子聲場時, 首先將泵噴轉(zhuǎn)子壁面流體網(wǎng)格上的壓力映射到轉(zhuǎn)子聲場網(wǎng)格, 然后將轉(zhuǎn)子分塊離散, 每個分塊等效為一個偶極子, 根據(jù)瞬態(tài)流場計算時間步長將旋轉(zhuǎn)偶極子沿運動軌跡離散為有限個有固定相位差的偶極子, 最后考慮泵噴靜止壁面的聲反射、散射作用, 即得到轉(zhuǎn)子對應(yīng)聲場。導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子噪聲的計算模型如圖4所示。

3.2 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場的計算

泵噴轉(zhuǎn)子聲場計算對應(yīng)的場點布置如圖5所示, 指向性場點在水平方向360°范圍內(nèi), 場點之間間隔3°。

葉頻(blade passing frequency, BPF)是轉(zhuǎn)子線譜噪聲的主要來源, 因此以葉頻處的聲場特性為對象做進一步分析。圖6即為10BPF以內(nèi)導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場所對應(yīng)的寬帶聲源級指向性。由圖6可知, 轉(zhuǎn)子噪聲在軸向測點寬帶聲源級最高, 這與螺旋槳噪聲指向性類似, 主要是由于轉(zhuǎn)子的軸向載荷要遠大于水平方向和垂直方向的載荷, 使得軸向聲場最強, 指向性呈類8字形分布。

3.3 導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響分析

由于導(dǎo)管作為剛性壁面, 其散射效應(yīng)會對轉(zhuǎn)子的輻射聲場產(chǎn)生一定影響, 圖7為考慮導(dǎo)管聲散射效應(yīng)前后部分頻率點處轉(zhuǎn)子的聲源級指向性對比。由圖7可知, 考慮導(dǎo)管散射效應(yīng)后, BPF處的轉(zhuǎn)子聲場在90°和255°處變化較大, 其中90°處聲壓降低了6.8 dB; 3BPF處聲場除在90°和270°附近有較小變化外, 其余測點噪聲基本不受影響; 10BPF聲場在75°和250°附近變化較大。

圖8為BPF處總聲場、入射聲場和散射聲場的近場聲壓分布云圖。從聲壓最大幅值上而言, 散射聲場要遠低于入射聲場; 從聲壓分布上講, 散射聲場和入射聲場之和即總聲場與入射聲場存在較大差異。

為深入分析導(dǎo)管聲散射效應(yīng)對轉(zhuǎn)子聲場的影響, 將轉(zhuǎn)子對應(yīng)的每個離散偶極子按照力的矢量方向分解為,和3個分量, 并計算所有偶極子的不同方向分量所對應(yīng)的入射聲場和散射聲場的聲源級指向性, 如圖9所示。

由圖9可知, 由于指向性場點所在平面與軸垂直, 使得在平面的入射聲場較弱, 且指向性基本呈圓形;和對應(yīng)的入射聲場聲壓指向性分別是關(guān)于軸和軸對稱的8字形, 這與自由場條件下偶極源的聲場指向性一致?？紤]導(dǎo)管聲散射作用后,對應(yīng)的散射聲場在大部分測點處強于入射聲場;對應(yīng)的散射聲場在90°附近較強, 且與入射聲場強度相當;的散射聲場在軸向低于入射聲場, 而在徑向高于入射聲場, 使得散射聲場對軸向測點總聲場的影響很小; 由于徑向測點處的聲場主要是由貢獻, 軸向測點處的聲場主要由貢獻, 因此考慮導(dǎo)管散射后, 軸向測點的聲壓基本不變, 而徑向測點聲壓變化較大。

由上述計算分析結(jié)果可知, 導(dǎo)管的存在會對轉(zhuǎn)子聲場產(chǎn)生較大影響, 尤其是在徑向測點, 可稱其為“側(cè)壁屏蔽效應(yīng)”; 由于導(dǎo)管長度較短其對軸向測點噪聲的影響可以忽略; 雖然散射聲場強度要遠低于入射聲場, 但考慮導(dǎo)管散射效應(yīng)之后的轉(zhuǎn)子聲場與自由聲場的聲壓分布存在較大差異。

4 結(jié)束語

通過分析可知, 點源模型和邊界元方法的聯(lián)合應(yīng)用可以解決導(dǎo)管內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源聲場的計算問題, 文中用該方法完成了導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場的計算和分析, 并且考慮泵噴導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的散射效應(yīng)后, 轉(zhuǎn)子的入射聲場和散射聲場存在較大差異, 導(dǎo)管對徑向測點處轉(zhuǎn)子聲場影響較大, 對軸向測點處轉(zhuǎn)子聲場的影響可以忽略。

文中主要針對推進器的中低頻噪聲進行分析, 在高頻段導(dǎo)管對轉(zhuǎn)子聲場的影響更為突出, 由于硬件條件限制, 尚未對該部分開展相關(guān)研究。利用該方法指導(dǎo)低噪聲泵噴尤其是泵噴轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計將是下一步主要工作。

[1] 劉業(yè)寶. 水下航行器泵噴推進器設(shè)計方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.

[2] 劉敏, 張寧, 李新汶, 等. 泵噴推進器導(dǎo)管對噪聲傳播特性的影響[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(8): 20-23. Liu Min, Zhang Ning, Li Xin-wen, et al. Studies of the Effects of Pump-jet Propeller Duct on Noise Propagation Characteristic[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(8): 20-23.

[3] Suryanarayana C, Satyanarayana B, Ramji K, et al. Performance Evaluation of an Underwater Body and Pumpjet by Model Testing in Cavitation Tunnel[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2010, 2(2): 57-67.

[4] Suryanarayana C, Satyanarayana B, Ramji K, et al. Experiment Evaluation of Pumpjet Propulsor for an Axi- symmetric Body in Wind Tunnel[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2010, 2(1): 24-33.

[5] 潘光, 胡斌, 王鵬, 等. 泵噴推進器定常水動力性能數(shù)值模擬[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 47(6): 932-937. Pan Guang, Hu Bin, Wang Peng, et al. Numerical Simulation of Steady Hydrodynamic Performance of a Pumpjet Propulsor[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2013, 47(6): 932-937.

[6] 趙兵, 尹韶平, 高涌, 等. 魚雷泵噴射推進器流動干涉發(fā)聲機理研究[J]. 魚雷技術(shù), 2009, 17(2): 1-4. Zhao Bing, Yin Shao-ping, Gao Yong, et al. Study on Noise Generation Mechanism of Flow Interference for Torpedo Pump Jet Propulsor[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(2): 1-4.

[7] 周友明, 張寧, 劉敏, 等. 幾何參數(shù)對組合式推進器流噪聲水平的影響[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(8): 24-28. Zhou You-ming, Zhang Ning, Liu Min, et al. Research on the Relationship of Integrated Propulsor′s Gemetrical Parameters with Flow Noise[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(8): 24-28.

[8] Kato C, Yamade Y, Wang H, et al. Numerical Prediction of Sound Generated from Flows with a Low Mach Number[J]. Computers＆Fluids, 2007, 36(1): 53-68.

[9] Rama K S, Rama K A, Ramji K. Reduction of Motor Fan Noise Using CFD and CAA Simulations[J]. Applied Acoustics, 2011, 72(12): 982-992.

[10] Choi H L, Duck J L. Development of the Numerical Method for Calculating Sound Radiation from a Rotating Dipole Source in an Opened Thin Duct[J]. Journal of Sound and Vibration, 2006, 295(3-5): 739-752.

[11] Dunn M H, Tweed J, Farassat F. The Application of a Boundary Integral Equation Method to the Prediction of Ducted Fan Engine Noise[J]. Journal of Sound and Vibration, 1999, 227(5): 1019-1048.

[12] 付建, 王永生. 點源模型在旋轉(zhuǎn)聲源聲場計算中的推廣應(yīng)用[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2014, 35(6): 312-317. Fu Jian, Wang Yong-sheng. Extended Application of the Point Source Model for the Acoustic Field Solution of the Rotating Source[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(6): 312-317.

[13] Kucukcoskun K. Prediction of Free and Scattered Acoustic Fields of Low-speed Fans[D]. Lyon: Ecole Centrale de Lyon, 2012.

[14] Seol H, Jung B, Suh J C, et al. Prediction of Non-cavi- tating Underwater Propeller Noise[J]. Journal of Sound and Vibration, 2002, 257(1): 131-156.

(責任編輯: 許 妍)

Effect of Pump-jet Propulsor Duct on Sound Field of Rotor

LU Dingding, FU Jian

(1. Navy Armament Department, Xi′an 710077, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

The sound field generation and propagation of a pump-jet propulsor is quite different from that of a propeller because of the existence of the duct. In order to understand the sound performance of the pump-jet propulsor for its acoustic optimization design, the point source model and boundary element method are used to forecast the sound field of rotor in the duct, and the effect of the duct on the sound field is analyzed. The characteristic of rotor sound field in the duct is similar to that of the propeller, and the directivity of wide-band acoustic source level shows 8 shape. The incident sound field and scattering sound field of the rotor are quite different due to the scattering effect of the duct, resulting a remarkable effect of the duct on the sound field of the rotor in radial direction, and a neglectable effect in axial direction.

pump-jet propulsor; duct; rotor; sound field; point source model; boundary element method

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.002

TJ630.33; U664.34

A

1673-1948(2016)06-0407-05

2016-09-11;

2016-10-15.

盧丁丁(1986-), 男,博士, 工程師, 主要研究方向為魚雷總體技術(shù).