水路運(yùn)輸

LESPowell

張楠，李亞，王志鵬，等

基于LES與Powell渦聲理論的孔腔流激噪聲數(shù)值模擬研究

張楠，李亞，王志鵬，等

目的：孔腔流激噪聲是水動(dòng)力噪聲的重要組成部分。在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，孔腔流動(dòng)常誘導(dǎo)各類振蕩，能夠引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)與疲勞，激發(fā)很強(qiáng)的噪聲，而且由于從孔腔中向外拋射較大尺度的渦而造成物體壓力脈動(dòng)和阻力的急劇增加?？浊涣鲃?dòng)包含了剪切層不穩(wěn)定性，湍流與結(jié)構(gòu)和流動(dòng)噪聲之間的相互作用等流固耦合、流聲耦合復(fù)雜現(xiàn)象，給理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量帶來了很大的挑戰(zhàn)。本文致力于建立基于LES與Powell渦聲理論的孔腔流激噪聲數(shù)值模擬方法。方法：采用大渦模擬結(jié)合動(dòng)態(tài)Smagorinsky亞格子模型對(duì)孔腔周圍非定常流場(chǎng)進(jìn)行模擬，從流動(dòng)計(jì)算結(jié)果中萃取聲源項(xiàng)輸入到Powell渦聲方程中來計(jì)算流激噪聲，聲學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)解通過格林函數(shù)求解密度攝動(dòng)得到。時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式格式離散，動(dòng)量方程采用限界中心差分格式離散，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。利用代數(shù)多重網(wǎng)格方法加速收斂。采用FFT結(jié)合Hanning窗處理非定常信號(hào)時(shí)間序列。算例全部在無錫超算中心通過并行計(jì)算完成求解。結(jié)果：聲源項(xiàng)對(duì)于網(wǎng)格形式與疏密程度比較敏感，在網(wǎng)格劃分時(shí)要特別注意網(wǎng)格長(zhǎng)寬比，且要疏密得當(dāng)，在渦量變化大的區(qū)域要加密網(wǎng)格。圓柱/機(jī)翼組合體流激噪聲基準(zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)是校驗(yàn)計(jì)算方法的良好選擇。計(jì)算方法對(duì)于諧音峰幅值、共振頻率、斯特洛哈爾數(shù)的計(jì)算誤差分別為：－4.6%、5.3%、5.2%；計(jì)算得到的寬帶噪聲譜型分布及幅值也與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，在800～1180 Hz頻段以及1700～3400 Hz頻段，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好，差異在1～3 dB，在4000 Hz以上的高頻頻段，計(jì)算準(zhǔn)確度有所下降，幅值誤差最大可達(dá)10 dB。整體計(jì)算效果是令人滿意的。隨后又選擇方腔流激噪聲測(cè)試結(jié)果來驗(yàn)證所建立的計(jì)算方法。方腔內(nèi)的旋渦產(chǎn)生、輸運(yùn)并相互干擾，構(gòu)成了主要的發(fā)聲根源。流激噪聲的計(jì)算誤差為2.0～8.8 dB，計(jì)算與試驗(yàn)吻合較好。最后對(duì)于帶兩型格柵的孔腔流激噪聲進(jìn)行計(jì)算?？浊涣骷ぴ肼暱偮暭?jí)計(jì)算誤差在1～3 dB之內(nèi)。三個(gè)水速下孔腔流激噪聲譜型與幅值都與試驗(yàn)吻合較好，計(jì)算誤差在1～6 dB。在500 Hz以下低頻段，孔腔1流激噪聲要顯著大于孔腔2；在500～10 KHz的高頻段，孔腔1流激噪聲小于孔腔2。隨著流速的增高，孔腔1與孔腔2流激噪聲差異越來越小，可以等量齊觀。孔腔1的渦旋結(jié)構(gòu)遷移速度和變化率都要小于孔腔2，因而頻譜特征在低頻段更為顯著，造成低頻段孔腔1的流激噪聲比孔腔2大的現(xiàn)象。由此可知，工業(yè)領(lǐng)域孔腔的治理工作是比較復(fù)雜的，要綜合考慮不同頻段的影響，還要兼顧流體動(dòng)力特性。結(jié)論：渦聲方程的聲源項(xiàng)空間分布具有緊致特征，適用于大尺度渦誘發(fā)的流激噪聲，目前亟需在此方面開展相應(yīng)的研究。詳細(xì)闡釋了Powell渦聲理論的內(nèi)涵，推導(dǎo)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，然后利用大渦模擬方法結(jié)合Powell渦聲方程計(jì)算了圓柱/機(jī)翼組合體、方腔與兩型孔腔的渦旋流場(chǎng)與輻射噪聲，結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算方法切實(shí)可行，計(jì)算結(jié)果可靠。上述研究結(jié)果是流聲耦合領(lǐng)域的重要組成部分，并有益于未來新型潛艇的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。

來源出版物：船舶力學(xué), 2015, 19(11): 1393-1408

入選年份：2015