水面滑行艇的流場與流噪聲數(shù)值計(jì)算與研究*

余紅

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院,廣東珠海 519090)

0 引言

初期的水面滑行艇對抗水流場阻力的主要辦法是增強(qiáng)推進(jìn)作用力,增大滑行艇能耗。受計(jì)算工具的限制初期的水面滑行艇動(dòng)力控制系統(tǒng)沒有對水流場數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。隨著數(shù)字化及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,可以通過數(shù)值來模擬建立附近的水流場模型,從而減小航行船體阻力,提高航行速率,增強(qiáng)續(xù)航能力。

課題組成員深入研究了RNGk-ε、標(biāo)準(zhǔn)k-ε等幾種常用模型,使用仿真軟件對流場及流噪聲數(shù)值變換進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析。

1 水流場及流噪聲數(shù)值計(jì)算模型

1.1 R NGk - ε模型

受海面、地形、風(fēng)力及水流速等多因素影響,沒有一個(gè)水流場模型能適應(yīng)所有環(huán)境。本文根據(jù)實(shí)效性和精確性等性能要求,選擇了對理想水流場N-S方程數(shù)值計(jì)算精度進(jìn)行改進(jìn)后的RNGk-ε模型,對其進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

RNGk-ε模型中水流場的動(dòng)力方程為：

計(jì)算水流場與滑行艇碰撞時(shí)的損耗率ε的方程為：

兩個(gè)方程式中,Gk代表水流場水平方向產(chǎn)生的動(dòng)能、Gb代表水流場垂直方向產(chǎn)生的動(dòng)能,YM代表水流梯度的能耗遞減比[1],理想狀態(tài)下 C1ε=1.37,C2ε=1.74。

1.2 流噪聲數(shù)值計(jì)算模型

通過文獻(xiàn)查閱我們得出滑行艇的流噪聲模型可借用水面聲學(xué)傳播的相關(guān)理論及公式,使用維納-霍夫方程結(jié)合項(xiàng)目組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滑行艇的流噪聲模型。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定V為水面滑行艇水流區(qū)域,實(shí)驗(yàn)得出滑行艇的流噪聲波動(dòng)大小受監(jiān)測距離的影響較大,監(jiān)測點(diǎn)與滑行艇距離越近流噪聲波動(dòng)越大,反之波動(dòng)越小,其波動(dòng)方程為：

方程式中,α0代表流噪聲速率,類似于聲音在水中的理論傳播速率[2],'ρ代表理想狀態(tài)下,滑行艇航行的擾動(dòng)系數(shù),結(jié)合水聲傳輸?shù)膭?dòng)力方程：

最終得到流噪聲的密度方程為：

式中,Tij為噪聲流的衰減系數(shù)。

1.3 水流場與流噪聲的約束條件

海洋的不均勻性與多變性都會(huì)影響滑行艇水流場,因此在進(jìn)行水流場與流噪聲數(shù)學(xué)建模時(shí),我們對船舶的體積形狀進(jìn)行一定的約束[3],其約束條件為：

水面上船舶航行中,因?yàn)樗魍ㄟ^船體的動(dòng)能及密度的變化很大,所以無法以整船的數(shù)據(jù)來反映水流場及流噪聲情況,實(shí)驗(yàn)中我們以船頭為標(biāo)點(diǎn),選取一定距離的水流來比對分析,主要分析固定動(dòng)能k和ε衰減量下的水流場。

項(xiàng)目研究中,我們對滑行艇的水流場和流噪聲數(shù)學(xué)建模中的邊界定義如下：

(1)將離滑行艇頭部指定距離處(實(shí)驗(yàn)時(shí)取的是整個(gè)船舶身長)的水流設(shè)定為入口,獲取該位置的流速及動(dòng)能；

表2 水流阻力仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of water flow resistance

(2)將離滑行艇尾部2倍船舶身長的距離設(shè)為水流的出口,獲取該位置的流速及動(dòng)能；

(3)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中水流場的采集區(qū)域離船體較遠(yuǎn),因此衰減系數(shù)恒定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水流場計(jì)算結(jié)果分析

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的是壓縮滑行艇模型,模型高寬長分別為180cm,250cm,480cm,水流場入口位于滑行艇頭部540cm處口,距離滑行艇尾部1080cm處選取為出口。在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型中,選取網(wǎng)格點(diǎn)89000個(gè),V水流=5m/s,R=1.65231×107,為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)定e水流恒定的情況下計(jì)算不同網(wǎng)格點(diǎn)水流場的精度,計(jì)算步長為0.7×10-5s。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在水槽中部署了6個(gè)水聲傳感器,具體位置如表1：

使用RNGk-ε模型、k-ε和SSTk-ε來計(jì)算水流阻力,得到如下結(jié)果：

2.2 流噪聲計(jì)算結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中以船重心為計(jì)算坐標(biāo)中心[4]來計(jì)算滑行艇流噪聲,坐標(biāo)軸如圖1：

圖1 船滑行艇流噪聲坐標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the noise coordinate of the ship planing boat flow

圖1中,X軸表示重心到船頭方向,Y軸與X軸垂直,Z軸表示實(shí)驗(yàn)船體的寬度方向。理論上流噪聲會(huì)沿船體邊緣影響船舶設(shè)備信號(hào)的發(fā)送與接收,為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性,我們在船體中心邊緣放置水聲器,并且將模擬水壓值恒定為1uPa,最后得到船體中心邊緣處流噪聲的脈動(dòng)壓力隨頻率的變化圖像為,如圖2：

圖2 流噪聲脈動(dòng)壓力仿真圖Fig.2 Flow noise pulsating pressure simulation diagram

3 結(jié)語

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對主流水面滑行艇水流場模型進(jìn)行分析比對后選擇了RNGk-ε模型,使用維納-霍夫方程結(jié)合項(xiàng)目組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滑行艇的流噪聲模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真分析。