通海管路排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)聲學(xué)特性的影響分析

張生樂，賈曉丹，夏 苑，徐建龍，潘國(guó)雄

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

艦船內(nèi)部含有大量的通海管路系統(tǒng)，承擔(dān)著海水介質(zhì)流通、交換的作用[1-3]。排出口結(jié)構(gòu)是通海管路系統(tǒng)的重要組成部分，更是艦船連接舷內(nèi)外的關(guān)鍵。由于通海管路系統(tǒng)內(nèi)部海水的湍流效應(yīng)和激勵(lì)作用，以及外部海水的沖擊作用，使得排出口位置產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致艦船噪聲增大[4-8]。目前，艦船排出口結(jié)構(gòu)形式多樣，有長(zhǎng)方體、圓柱體，棱柱體等等，這些排出口結(jié)構(gòu)的主要作用是將艦船內(nèi)部流體介質(zhì)排出到舷外[9]。由于排出口結(jié)構(gòu)形式直接影響到艦船整體振動(dòng)噪聲強(qiáng)弱，那么究竟哪一種結(jié)構(gòu)形式的排出口減振降噪效果最佳，也是值得研究的熱點(diǎn)問題之一。

本文通過開展排出口結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化對(duì)聲學(xué)性能的影響分析，明確排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，分析不同結(jié)構(gòu)形式的排出口對(duì)振動(dòng)噪聲的影響，得出排出口優(yōu)化結(jié)構(gòu)。對(duì)比外流場(chǎng)條件下排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的聲學(xué)特性，驗(yàn)證排出口優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性及降噪效果。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路分析

1.1 幾何建模

結(jié)合實(shí)船海水管路排出口及相鄰結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，采用計(jì)算軟件Ansys Workbench 中的DM 建立整個(gè)計(jì)算域的幾何模型，如圖1 所示。該幾何模型包括出水腔、進(jìn)水腔、出水管、進(jìn)水管、補(bǔ)水管，外流域，其中出水腔和外流域之間含有出水腔柵欄孔，進(jìn)水腔和外流域之間含有進(jìn)水腔柵欄孔。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

1.2 網(wǎng)格劃分

為保證仿真計(jì)算精度，將整個(gè)計(jì)算域的幾何模型劃分成多個(gè)區(qū)域，依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在不同區(qū)域之間設(shè)置交界面進(jìn)行匹配，并保證相互匹配的2 個(gè)交界面上的網(wǎng)格數(shù)目相近。對(duì)流動(dòng)情況復(fù)雜和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。最終整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)約為500 萬，具體網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格模型示意圖Fig.2 Mesh models

1.3 聲源面和邊界條件設(shè)置

在整個(gè)計(jì)算域中，選擇流域內(nèi)的交界面作為聲源面，共10 個(gè)面，如圖3 所示。

出水管相當(dāng)于外流域進(jìn)水位置，設(shè)定為速度入口。進(jìn)水管相當(dāng)于外流域出水位置，設(shè)定為壓力出口。由于外流域體積非常大，以至于可忽略其對(duì)流場(chǎng)的影響，故整個(gè)計(jì)算域采用固壁邊界條件。在非定常計(jì)算過程中，聲頻率與計(jì)算步長(zhǎng)和數(shù)據(jù)寫頻率[10]有如下關(guān)系：

圖3 聲源面Fig.3 Sound source

式中：f 為頻率；m 為數(shù)據(jù)寫頻率；△t 為時(shí)間步長(zhǎng)，考慮到計(jì)算的最高頻率擬控制在10 kHz 以內(nèi)，故時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為Δt=5.0×10－5s，每個(gè)時(shí)間步最大迭代次數(shù)設(shè)為20。

1.4 工況選擇

結(jié)合實(shí)際艦船管路排出口噪聲輻射情況，在此選擇5 種工況進(jìn)行仿真計(jì)算。補(bǔ)水管關(guān)閉，出水孔流速如表1 所示。

表1 五種工況Tab.1 Five working conditions

1.5 計(jì)算結(jié)果比較

為保證不同出水孔流速下頻譜分析中頻率分辨率的一致性，同時(shí)考慮時(shí)域信號(hào)周期的范圍，截取的總時(shí)間段均是0.7 s，聲分析結(jié)果如圖4～圖6 所示。由圖4 可知，隨著出水孔流速的增大，對(duì)應(yīng)的聲壓逐漸增大。由圖5 可知，在不同出水孔流速下，整個(gè)頻段內(nèi)的聲壓級(jí)分布趨勢(shì)相同，均存在波峰和波谷，且低頻區(qū)域均是噪聲的主要來源。由圖6 可知，出水孔流速與總聲壓級(jí)擬合曲線的斜率較大，值約為1。說明出水孔流速大小對(duì)總聲壓級(jí)的影響較大，也說明出水孔流速的減小會(huì)導(dǎo)致總聲壓級(jí)的降低，并且降低的幅值較大。

由于排出口結(jié)構(gòu)噪聲的最直接聲源是出水腔內(nèi)的射流，射流經(jīng)過柵欄孔流入外流域，在舷外形成射流混合噪聲。根據(jù)Fisher 等理論，降低射流速度，是減小聲強(qiáng)最有效的途徑。但是，艦船在實(shí)際航行過程中，由于出水孔流速受到實(shí)際工況的制約，出水孔流速無法變小，因此考慮在保證出水孔流速不變的條件下，采用優(yōu)化通海管路系統(tǒng)排出口結(jié)構(gòu)的方法，降低出水腔內(nèi)流速，達(dá)到降低整個(gè)通海管路系統(tǒng)水動(dòng)力噪聲的目的，進(jìn)而起到降低艦船振動(dòng)噪聲的效果。

圖4 時(shí)域圖對(duì)比Fig.4 Comparison of time-domain

圖5 頻譜圖對(duì)比Fig.5 Comparison of spectrograms

圖6 總聲壓級(jí)對(duì)比Fig.6 Comparison of OSPLs

2 排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述排出口結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，在此提出另外4 種排出口結(jié)構(gòu)形式。其中結(jié)構(gòu)1 在出水腔內(nèi)加裝導(dǎo)流裝置，并形成網(wǎng)格模型，如圖7 所示。結(jié)構(gòu)2 將出水管與出水腔的交界面和柵欄孔所在圓面直接相連，建立出水腔的網(wǎng)格模型，如圖8 所示。結(jié)構(gòu)3 改變出水管與出水腔交界面的位置，使交界面與柵欄孔所在圓面平行且兩個(gè)面的圓心保持在同一高度上；同時(shí)，將出水管的彎管換成直管，避免彎管轉(zhuǎn)角對(duì)水流偏移的影響。結(jié)構(gòu)3 的具體網(wǎng)格模型如圖9 所示。結(jié)構(gòu)4 將出水腔由方腔改成喇叭口形式，將出水管與出水腔的交界面與船外殼出水腔柵欄孔所在圓面直接相連，形成喇叭口。在出水腔柵欄孔的中間位置加裝1 個(gè)等腰三棱柱形式的導(dǎo)流裝置，在出水腔上部加裝4 個(gè)等邊三棱柱形式的導(dǎo)流裝置。結(jié)構(gòu)4 的具體網(wǎng)格模型如圖10 所示。

圖7 導(dǎo)流裝置網(wǎng)格模型Fig.7 Mesh model of guide device

圖8 結(jié)構(gòu)2 網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model of structure two

圖9 結(jié)構(gòu)3 網(wǎng)格模型Fig.9 Mesh model of structure three

圖10 結(jié)構(gòu)4 網(wǎng)格模型Fig.10 Mesh model of structure four

3 無外流場(chǎng)條件下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

在上述工況4 條件下，仿真計(jì)算另外4 種排出口結(jié)構(gòu)下的流體分布情況，得出同一截面位置的速度矢量圖，如圖11 所示。從圖11（a）可以看出，出水腔內(nèi)流場(chǎng)分布明顯不均勻，導(dǎo)流裝置附近流速較大，出水腔內(nèi)還存在明顯漩渦。出水管內(nèi)產(chǎn)生了回流，這可能導(dǎo)致出水管內(nèi)流速變大，進(jìn)而導(dǎo)致出水腔內(nèi)局部流速變大。因此，出水腔內(nèi)加裝導(dǎo)流裝置，并未達(dá)到減小出水腔內(nèi)水流紊亂程度，降低出水腔內(nèi)水流速度的目的。從圖11（b）可以看出，出水腔內(nèi)水流存在明顯的偏移現(xiàn)象，即集中沿著出水腔的底部運(yùn)動(dòng)，從柵欄孔下部流出，并在腔室內(nèi)其他形成漩渦。從圖11（c）可以看出，水流也存在明顯的偏移現(xiàn)象。水流從出水管流入出水腔，沿上壁面集中從柵欄孔上部流出，在出水腔下部形成漩渦，并只有少量水流出。同時(shí)，水流在筆直的出水管中仍發(fā)生了偏移，這說明偏移并不是由出水管的彎管部分導(dǎo)致的。從圖11（d）可以看出，柵欄孔附近水流分布相對(duì)較為均勻，且流速相對(duì)較小。從整體上來說，當(dāng)排出口設(shè)定為結(jié)構(gòu)4時(shí)，出水腔內(nèi)水流速度相對(duì)較小，且分布相對(duì)較為均勻，即該排出口結(jié)構(gòu)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖11 另外4 種排出口結(jié)構(gòu)的流體速度矢量圖Fig.11 Flow velocity vectors for another four discharge ports

當(dāng)工況仍設(shè)定為工況4 時(shí)，仿真計(jì)算得出的排出口原始結(jié)構(gòu)和另外4 種結(jié)構(gòu)下的總聲壓級(jí)如表2 所示。

表2 總聲壓級(jí)對(duì)比Tab.2 Comparison of OSPLs

由表2 可以看出，在1.44 Hz～10 kHz，5 Hz～10 kHz 和10 Hz～10 kHz 三個(gè)分析頻段范圍內(nèi)，與排出口原始結(jié)構(gòu)的總聲壓級(jí)相比，結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)3 的總聲壓級(jí)在有的頻段范圍內(nèi)偏高，在有的頻段范圍內(nèi)偏低；結(jié)構(gòu)2 的總聲壓級(jí)均偏高；結(jié)構(gòu)4 的總聲壓級(jí)均偏低，其中在1.44 Hz～10 kHz 頻段內(nèi)，最大降噪效果達(dá)到4.15 dB。故再次證實(shí)結(jié)構(gòu)4 為排出口的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

4 外流場(chǎng)條件下聲學(xué)效果對(duì)比

水動(dòng)力噪聲實(shí)質(zhì)上是由流場(chǎng)中大大小小的漩渦產(chǎn)生的。在有無外流場(chǎng)條件下，排出口結(jié)構(gòu)內(nèi)部的漩渦狀態(tài)不同，內(nèi)部的脈動(dòng)壓力也不同，導(dǎo)致噪聲大小也不同。因此，為了更準(zhǔn)確地對(duì)比排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的聲學(xué)效果，在排出口處設(shè)置一個(gè)沿流向14.4 m、垂向12 m、橫向6 m 的流域，稱為外流域。外流域入口距聲源面4 m，出口距聲源面8 m，垂向距聲源面5 m。具體幾何模型，如圖12 所示。外流域入口速度取3.087 m/s，出口為壓力出口，其他面設(shè)為對(duì)稱面。然后仿真計(jì)算不同工況下，排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后（即原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)條件下對(duì)比）的聲學(xué)情況。

圖12 外流場(chǎng)下仿真模型Fig.12 Geometric model in outer flow field

圖13 給出了不同工況下，排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的頻譜圖對(duì)比?？梢悦黠@看出，排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的聲壓級(jí)變化趨勢(shì)相同。從整體上來說，排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的聲壓級(jí)明顯低于排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的聲壓級(jí)，表明排出口的優(yōu)化結(jié)構(gòu)在全頻段內(nèi)均具有較好的降噪效果。

圖13 頻譜圖對(duì)比Fig.13 Comparison of spectrograms

5 結(jié) 語

本文對(duì)通海管路排出口結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較了不同結(jié)構(gòu)形式下的聲學(xué)特性，得出研究結(jié)論如下：

1）通過優(yōu)化排出口結(jié)構(gòu)形式，降低出水腔內(nèi)流速，進(jìn)而達(dá)到降低通海管路系統(tǒng)水動(dòng)力噪聲的優(yōu)化。

2）排出口結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)化方案為：將出水腔由方腔改成喇叭口形式，將出水管與出水腔的交界面與船外殼出水腔柵欄孔所在圓面直接相連，形成喇叭口。在出水腔柵欄孔的中間位置加裝1 個(gè)等腰三棱柱形式的導(dǎo)流裝置，在出水腔上部加裝4 個(gè)等邊三棱柱形式的導(dǎo)流裝置。

3）在有、無外流場(chǎng)條件下，排出口優(yōu)化結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性明顯優(yōu)于其原始結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性，表明排出口優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有較好的降噪效果。