艏側(cè)推流激振動噪聲的數(shù)值模擬探索

沈冠之 吳靜萍 董 勇 伍蓉暉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (廣州航通船舶有限公司2) 江門 529145) (廣州文沖船廠有限責任公司3) 廣州 510727)

0 引 言

大多數(shù)研究船、近海工程船往往需要通過艏側(cè)推器進行動態(tài)定位[1]，但是頻繁的艏側(cè)推使用，產(chǎn)生的高強度噪聲對在附近艙室工作或休息的船員的活動造成嚴重的干擾，出現(xiàn)顯著的噪聲問題.這里的艏側(cè)推噪聲主要指側(cè)推管道的振動噪聲，而管道振動的激勵載荷主要來源于作用在管壁的流體脈動壓力.艏側(cè)推管道內(nèi)流體流動復雜，首先進入管內(nèi)的流動是有旋的非均勻流動，這一非均勻的流動前行通過旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，流場中出現(xiàn)復雜的旋渦流動和螺旋流流動，致使強烈的流動脈動壓力與管壁結(jié)構的耦合作用，產(chǎn)生高強度的流激振動噪聲.

流激振動噪聲的預報可以通過數(shù)值計算的方法來實現(xiàn).吳思遠等[2]采用ANSYS和Virtual. Lab. Acoustic軟件計算了由螺旋槳葉片振動引起的噪聲.首先采用計算流體力學(CFD)對螺旋槳進行數(shù)值模擬，提取螺旋槳表面的脈動壓力，對螺旋槳進行振動響應分析，最后把響應作為聲輻射的邊界條件，采用邊界元方法計算螺旋槳葉片的聲輻射.

近幾年數(shù)值模擬方法在結(jié)構振動噪聲和流噪聲的研究中起到了重要的作用.鄒春平等[3]結(jié)合有限元方法和邊界元方法解決了船舶水下輻射噪聲問題.首先利用Ansys軟件計算水體與船體相互作用的耦合振動，然后將船體振動位移作為聲場邊界條件，在Sysnoise軟件中計算水下輻射噪聲.楊瓊方等[4]利用大渦模擬(large eddy simulation,LES)的CFD方法和邊界元數(shù)值聲學弱耦合方法，在頻域內(nèi)數(shù)值預測了潛艇后面螺旋槳的非空化水下輻射噪聲.張允等[5]運用大渦模擬(LES)和Lighthill聲學理論對開孔潛體內(nèi)腔流動和流噪聲進行了數(shù)值模擬.Kellett等[6]使用k-ε模型，結(jié)合FW-H方程，數(shù)值預測LNG船的水下輻射噪聲.王超等[7]將大渦模擬(LES)與無限元法(I-FEM)相結(jié)合，對均勻流水下螺旋槳的流噪聲和潛艇流噪聲[8]進行了頻域上的數(shù)值預報.汪利等[9]采用LES方法結(jié)合FW-H方程計算和分析了螺旋槳的近場脈動壓力和遠場聲輻射特性.張成等[10]采用大渦模擬求解螺旋槳流場壓力信息，利用LightHill聲類比理論對流場壓力進行變換，由此計算噪聲分布情況，并利用試驗對數(shù)值計算精度進行了驗證.

本文僅考慮非均勻的水流從側(cè)推管道入口進入，流過螺旋槳、支撐桿，產(chǎn)生復雜的旋渦和螺旋流動，作用在管壁的脈動壓力激勵管壁振動，進而引發(fā)的噪聲問題.對某海輔船，計算工況為海輔船倒車及螺旋槳低速旋轉(zhuǎn)(無空化).首先采用大渦模擬(LES)方法船舶倒車時艏部繞流流動和艏側(cè)推管道內(nèi)流過螺旋槳的流動，并從而得到水流作用在側(cè)推管壁上的時域脈動壓力，然后采用有限元方法計算脈動壓力激勵管壁結(jié)構的振動響應，最后采用聲學邊界元方法計算側(cè)推管壁的振動聲場.文中給出了流動作用在螺旋槳葉片和管壁上的壓力云圖；沿管道流動方向在管壁內(nèi)外各取五個空間點，給出了5點作為管道聲源近場的A計權聲壓級.

1 數(shù)值計算理論基礎

1.1 CFD大渦模擬模型

φ(x′)G(x,x′)dx′

(1)

式中：D為流場區(qū)域；G為決定過濾尺寸的函數(shù)；x′和x分別為濾波前后的向量.

在FLUENT中有限體積離散化本身就提供了過濾條件，定義為

φ(x′)dx′,x′∈υ

(2)

式中：υ為網(wǎng)格尺度；V為計算單元的體積.

過濾函數(shù)G(x,x′)定義為

(3)

這個理論主要用于不可壓縮流體，過濾不可壓縮N-S方程，將得到以下方程.

3)業(yè)務流程的再造：智能礦井不同于手工管理、半信息化管理和數(shù)據(jù)孤島嚴重的信息化管理模式，以大數(shù)據(jù)分析的需求為依據(jù)，以安全生產(chǎn)管理的核心業(yè)務流為主線，再造業(yè)務流程，確保工作流程、軟件系統(tǒng)或模塊、數(shù)據(jù)以及相應技術之間的深度融合。

(4)

(5)

本文應用Smagorinsky-Lilly模型來模擬亞格子應力.

(6)

1.2 聲學邊界元法

在大渦模擬計算完成后，提取側(cè)推管壁上的脈動壓力作為激勵進行管壁振動響應計算，然后采用邊界元方法計算艙內(nèi)噪聲場[12].

結(jié)構振動在可壓縮、無黏性、非流動的介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲壓波動方程為

(7)

式中：p為瞬時聲壓；t為時間變量；2為拉氏算符；c為流體介質(zhì)中的聲速.在流固交界面S上需滿足如下邊界條件：

(8)

式中：Un和Vn為S面上結(jié)構的法向位移和空氣質(zhì)點的法向振速；?為圓頻率；ρf為空氣密度；n為S的外法向單位矢量.

在結(jié)構表面進行離散求解，可以由結(jié)構表面的法向振速得到聲場中任意一點的聲壓.

2 艏側(cè)推和船體拓撲結(jié)構

研究對象為某船舶公司建造的65 m錨泊/采油/供應三用海輔船.艏側(cè)推附近的艏部型線見圖1，表1為該船的主尺度.

該船配有雙艏側(cè)推，本文僅選取了其中一個作為例子進行仿真計算.圖2為其中一個艏側(cè)推管道的外形示意圖，管道直徑1.8 m，長度約8 m.螺旋槳靠近側(cè)推管道中部.螺旋槳的直徑是1.65 m，為四葉槳.實船艏側(cè)推位于雙層底，兩側(cè)設計了壓載水艙，上部暴露于艏側(cè)推機艙.為了討論艏側(cè)推輻射噪聲方便，假設艏側(cè)推完全處于空氣艙內(nèi)，并稱其為艏側(cè)推艙.艏側(cè)推和艏側(cè)推艙見圖2.

表1 船體主尺度 m

圖1 船艏部型線

圖2 艏側(cè)推構造示意

在圖2中標出了艙內(nèi)考察點位置和管壁內(nèi)外五個特征點沿管長方向的位置，其中3號點在螺旋槳上方；同時，三角標志代表加強側(cè)推管壁的肘板，在中心線兩側(cè)2.5 m處.

3 流場的數(shù)值計算

3.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

倒車的工況采用船體不動、水從船尾流向船首的方式來模擬.建立船中到船首的前半部分，水流從平行中體開始流入.船首和艏側(cè)推模型見圖3.

圖3 船首和艏側(cè)推模型

網(wǎng)格劃分是CFD模擬過程中比較耗時的環(huán)節(jié)，也是直接影響模擬精度和效率的因素之一.對于固體壁面附近和流動劇烈變化的區(qū)域，網(wǎng)格進行加密.在船體周圍和艏側(cè)推管道路內(nèi)采用加密的非結(jié)構網(wǎng)格，在離船體較遠的區(qū)域采用較稀疏的結(jié)構網(wǎng)格見圖4.

圖4 CFD網(wǎng)格及邊界條件

對計算域的邊界設定邊界條件，上游是速度入口；下游是壓強出口；船體表面、側(cè)推管道壁面、螺旋槳葉片和輪轂表面以及槳轂表面設定為無滑移壁面.自由液面設置為對稱面，兩個側(cè)面也設為對稱面.

3.2 計算參數(shù)設置

計算域的邊界條件中，速度入口速度為2 m/s，模擬該船倒車工況，壓力出口設置為常壓.采用Fluent中的動網(wǎng)格技術對螺旋槳的旋轉(zhuǎn)進行仿真，兩個域之間利用INTERFACE邊界進行連接，轉(zhuǎn)動域以150 r/min的速度旋轉(zhuǎn).

仿真計算過程中，首先采用k-ω湍流模型進行定常計算，獲得穩(wěn)定流場后，改用LES模型進行非定常計算，時間步長設置為0.000 2 s，計算總時長為1 s，為螺旋槳旋轉(zhuǎn)兩圈半的時間.計算過程中輸出側(cè)推管壁上的脈動壓力，作為流激噪聲計算中的激勵力.

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1壓力分布云圖

圖5和圖6為槳葉和管壁在1 s時的壓力分布情況.

圖5 槳葉壓力分布圖

圖6 管壁壓力分布圖

圖5為葉片吸力和壓力表面的壓力分布云圖，最大壓強為1.54×105Pa，最小壓強為1.12×104Pa.由于支撐桿的存在，壓力分布有點不對稱.最小壓強高于水的空化壓力，所以螺旋槳周圍的流動可以被認為是非空化流動.

圖6為管壁上的瞬時壓力分布.螺旋槳后壓力存在明顯增大，螺旋槳附近出現(xiàn)劇烈變化.

3.3.2脈動壓力頻譜曲線

CFD仿真得到的管壁壓力脈動是時域形式的，通過傅里葉變換將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù).得到不同頻率上的管壁脈動壓力輻值，并分析其頻譜特征.

在CFD計算中，時間步長Δt=2×10-4s，計算步數(shù)N=5 000，所以總時長為t=1 s.可以計算得到傅里葉變換后的最大和最小頻率為fmax=1 Hz.傅里葉變換的頻率間隔為：Δf=fmin=1 Hz.

本文計算的螺旋槳轉(zhuǎn)速為150 r/min，槳葉數(shù)為4，所以螺旋槳的葉頻(blade passing frequency，BPF)為10 Hz.圖7為圖2所示的在管壁內(nèi)五個特征點處的脈動壓力幅值頻譜曲線.

圖7 脈動壓力輻值頻譜曲線

由圖7可知，槳葉的葉頻(blade passing frequency，BPF)及各倍葉頻.同時，3號點(螺旋槳正上方)處的葉頻脈動壓力幅值最大.

4 噪聲仿真

水流的脈動壓力作用在側(cè)推管壁上引起管壁的振動，然后產(chǎn)生了影響船員生活的噪聲.由于時域噪聲預報方法對計算機要求較高，大部分噪聲預報以頻域的方式進行.將CFD仿真得到的頻域脈動壓力數(shù)據(jù)作為作用在管壁上的流載荷，應用有限元方法計算管壁的振動響應，然后采用邊界元方法對聲場進行計算聲場.

結(jié)構網(wǎng)格見圖8，在圖2所示的肘板位置處和管道進出口與船體表面相交處定義約束，結(jié)構阻尼參考文獻[11]取0.04進行振動響應分析.

圖8 結(jié)構網(wǎng)格

圖9 聲學網(wǎng)格

聲壓級計算結(jié)果不僅展示出圖2的在管壁外聲源近場的五個指定點的總聲壓級，而且為了研究側(cè)推噪聲對艙室內(nèi)船員生活工作的影響，在側(cè)推管道中心正上方3 m處取一場點作為艙內(nèi)考察點(見圖2)，給出其A計權聲壓級.

表4為5個指定點的總聲壓級和艙內(nèi)考察點的A計權聲壓級.

表4 近場點總聲壓級和艙內(nèi)考察點的A計權聲壓級

由表4可知，2點的聲壓級最大，這可能是由于支撐桿后復雜的旋渦流動所造成的.

根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標準》規(guī)定，工作地點處的噪聲標準為85 dB.在本文計算的工況下，艙內(nèi)考察點的A計權聲壓級為113.3 dB，說明該船的艏側(cè)推噪聲已經(jīng)明顯超標，需要采取降噪措施.

5 結(jié) 束 語

通過計算流體力學(CFD)、計算結(jié)構力學(CSD)和計算聲學(CA)的商業(yè)軟件對某海輔船的艏側(cè)推流激振動噪聲作了數(shù)值模擬的探索，首先計算了艏側(cè)推流場并提取脈動壓力，然后計算管壁振動響應，對噪聲進行分析.脈動壓力幅值頻譜曲線展示出在螺旋槳的葉頻和倍葉頻處出現(xiàn)峰值，說明螺旋槳葉頻和倍葉頻是噪聲的主要頻率；該船在本文計算的低速倒車和低轉(zhuǎn)速側(cè)推的工況下，噪聲超標，需要降噪.