均勻流中螺旋槳無空泡噪聲數值預報方法驗證分析

朱江波，傅江妍，陳 曦，馮 觀

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

均勻流中螺旋槳無空泡噪聲數值預報方法驗證分析

朱江波，傅江妍，陳 曦，馮 觀

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

為了分析敞水螺旋槳噪聲性能，以某一螺旋槳為研究對象，采用大渦模擬方法對其敞水水動力性能進行計算，所得結果與試驗值誤差較小；然后運用基于無限元方法的聲學軟件Actran對螺旋槳的無空泡噪聲進行數值模擬，并對特征點頻譜曲線、螺旋槳聲壓云圖、聲指向性與衰減特性進行分析，得到單極子噪聲特性-徑向聲壓級高于軸向聲壓級，并且隨著距槳中心距離的增大，聲壓級衰減速度減小，徑向與軸向聲壓級差距縮小；驗證數值預報方法的有效性，為船槳一體噪聲數值模擬提供參考。

螺旋槳；Actran；無空泡噪聲；噪聲試驗；敞水

0 引 言

艦船噪聲主要是由機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲等部分組成的。近年來，隨著機械設計和制造水平的提高，以及新技術的采用，機械噪聲已經得到有效的控制，因此作為現階段艦船主要噪聲的螺旋槳噪聲，日益引起人們的重視。

對于螺旋槳噪聲的預報大致分為 2 種：一種是利用勢流理論程序預報；另一種就是利用粘流軟件進行數值模擬。Seol H等[1–2]用面元法和噪聲分析方法計算了螺旋槳無空泡及空泡噪聲；朱錫清等[3–5]結合非定常升力面理論和聲類比方法對船舶螺旋槳的頻線譜噪聲和寬帶譜噪聲進行研究；楊瓊方[6–8]采用流場大渦模擬（large eddy simulation，LES）和聲場邊界元數值聲學的弱耦合方法在頻域內進行了螺旋槳噪聲分析；王超等[9–10]研究了DTRC4119在均勻流中聲壓特性；宋晗等[11]通過Kappel槳與傳統螺旋槳噪聲對比試驗，對低噪聲螺旋槳的設計進行了探索。

本文選取某一螺旋槳作為計算對象，通過Fluent軟件進行了螺旋槳水動力性能計算，采用MRF模型計算螺旋槳定常敞水水動力性能，采用大渦模擬和滑移網格技術得到螺旋槳均勻流流場信息，最終在Actran軟件中完成聲學仿真。通過試驗數據與數值仿真的對比，從定量的角度說明采用基于大渦模擬與Actran耦合的方法能夠預報螺旋槳的水動力噪聲。

1 數學模型

1.1 大渦模擬SGS模型

大渦模擬通過濾波函數將紊流中的大、小尺度渦進行分離，并采用不同的方式進行處理，是介于直接模擬（DNS）和RANS之間的一種新型、可行的數值模擬方法。大渦模擬的控制方程由連續性方程和經濾波函數處理而得的非定常N-S方程組成：

式中：σij為分子粘性引起的應力張量；τij為亞格子應力（簡稱SGS應力）。

假設SGS應力為：

式中：μt為亞格子尺度的渦粘系數。Smagorinsky定義求解公式如下：

式中：?i為沿i軸方向的網格尺度；CS為Smagorinsky常數。

1.2 Lighthill聲學類比理論

Lighthill聲學類比理論考慮的模型是：在一個無限大的聲場內，介質均勻且為靜態，該聲場內包含一個有限大的湍流流動區域V，作為聲源區。在遠離湍流區域V的外部流場中，流體密度的波動與聲波相似。

Lighthill聲類比理論是基于流體力學基本方程NS方程推導而得的[12]。

1.3 ACTRAN聲學原理

基于聲學有限元/無限元技術的Actran軟件是20世紀90年代末推出的，它通過對結構和聲場建立離散化模型，利用Lighthill聲類比方法求解湍流區的流致噪聲，通過聲學的波動方程模擬噪聲的傳播。

對于噪聲分析來說，計算步驟如圖1所示。

2 計算前處理

2.1 螺旋槳模型及計算域的建立

螺旋槳基本尺寸如表1所示，與空泡水筒試驗槳模尺寸一致。首先利用Matlab程序導出槳葉型值點，然后再將其導入ICEM中，把點連成線，由線生成面。螺旋槳模型如圖2所示。

表1 螺旋槳主要參數Tab.1 Main parameters of propeller

為了在CFD軟件中模擬螺旋槳敞水實驗，還需建立虛擬的槳外流域，根據滑移網格技術的特點，將螺旋槳計算域分為靜止的部分（即大域）和繞槳軸旋轉的部分（即小域），取外流域入口距槳中心3D，尾流出口距離槳中心5D，徑向為螺旋槳直徑的6倍。外流場計算域與螺旋槳分開建立模型，二者之間通過interface進行數據傳遞，外部大域模型如圖3所示。

2.2 網格劃分及邊界條件設定

由于螺旋槳和大域幾何形狀較規整，在劃分網格時采用全結構化網格。根據螺旋槳周期性特點，首先劃分單個槳葉的網格，然后進行旋轉，得到小域整體網格如圖4所示。為了適應槳葉形狀的變化，適當進行C網劃分，保證網格質量，并且此種方式還可以達到在槳葉表面進行局部加密，控制網格數量的作用。

對于該計算槳在靠近槳葉導邊隨邊及葉面的地方，均進行加密，控制槳葉表面第 1 層網格厚度約在0.3 mm左右，網格厚度以1.1倍速率遞增，以滿足LES對網格的要求如圖5所示，整體計算域網格約為280萬。

在螺旋槳的敞水計算中，入口和出口邊界分別設為速度入口和壓力出口；圓柱體表面設為對稱面；小域繞槳軸以900 r/min的角速度繞槳軸旋轉，通過改變進流速度來實現不同的進速系數；首先采用SST湍流模型進行定常運算，待獲得穩定流場后，改用LES湍流模型進行非定常運算。定常計算過程中選用（MRF）模型，非定常水動力性能計算過程選用滑移網格（Moving Mesh）模型。

3 螺旋槳水動力性能計算

3.1 敞水性能計算驗證

首先對敞水中的螺旋槳水動力性能進行大渦模擬計算。通過改變來流速度改變螺旋槳的進速系數，圖6所示為螺旋槳的水動力性能計算值與試驗值的對比。

從圖6可看出，轉矩系數隨著進速系數的增大出現相對較大的誤差，是由于在高進速系數時產生的轉矩相對較小，受到小的擾動就會產生較大的影響；計算所得數據與實驗數據吻合較好，誤差控制在5%以下。

總的來說，所采用的計算模型及方法能夠有效地預報螺旋槳的水動力性能。

3.2 設計工況計算驗證

螺旋槳在均勻流場中進行噪聲試驗工況如表2所示。良好的CFD采樣對于Actran噪聲計算至關重要，螺旋槳轉速n=15，旋轉 1 周的時間約為0.067 s，為保證采樣的準確性，采樣總時間最好是 2 個周期以上，即大于0.134 s。

由表3中的數據可知，推力和轉矩計算值和試驗值高度吻合，表明了在設計工況處水動力性能預報的準確性，為后續的聲學計算提供了保障。

表2 設計工況Tab.2 Design condition

表3 計算值與試驗值對比Tab.3 Comparison between theoretical value and experimental value

螺旋槳在敞水均勻流場中工作，以軸向速度分量為最大，徑向和周向分量相對較小。圖7所示為Y=0處XZ平面的無量綱軸向速度。

觀察發現該切面處速度云圖顯示出在槳轂緊后方的位置里流速減小明顯，形成一條低速區，而在槳葉后方形成了 2 條狹長高速區。在低速帶內流場較高速帶復雜，槳后流場較槳前復雜。

4 螺旋槳噪聲數值預報

4.1 聲學模型與網格劃分

通過大渦模擬獲得穩定的非定常流場后，需要創建聲學網格，包括聲源區和聲傳播區，其中聲源區取自CFD計算區域，略小于CFD計算區域，以消除邊界影響，聲傳播區則根據需要設置，如圖8所示。

與水聽器位置相對應，在距槳中心徑向0.6 m處設置特征點監測，同時在通過螺旋槳盤面垂直的平面上距離槳中心0.44 m，0.88 m處，分別各取24個測點平均分布于螺旋槳周圍，然后計算各點處總聲壓級來分析螺旋槳聲指向性；同時從槳中心X=0 m到X=1.1 m， Y=0 m到Y=1.1 m均勻布置5個測點，然后計算各點處的總聲壓級來分析螺旋槳的衰減特性。

4.2 噪聲計算結果分析

4.2.1 特征點頻譜曲線及聲壓云圖

聲場計算支持的最大頻率fmax與流場計算時間步長?t有關，可按下式進行計算：

由于時間步長設置為0.000 25 s，故對應有效頻率上限為2 000 Hz，參考聲壓為1 μPa。

一般水聽器的頻響范圍為0.1～120 000 Hz，普通模型試驗中實際測量范圍可達0.1～80 000 Hz，但是對于數值計算高頻曲線將消耗大量的時間，且螺旋槳噪聲主要集中在中低頻，所以在此選取試驗值0.1～2 000 Hz與數值模擬對比。

由圖10可看出，數值計算所得的頻譜曲線中可觀測到較為明顯的葉頻BPF信息，但隨著頻率的增大葉頻信息無法清晰地觀測。

圖11為不同頻率時通過螺旋槳軸向剖面聲壓云圖。

頻率不同時，聲壓分布云圖也存在著很大的差異，在以上云圖中均體現出均勻流單極子噪聲特性，并且在接近一階葉頻的77 Hz云圖中其最大值大于其他頻率下的最大值，與頻譜曲線趨勢相一致。

4.2.2 聲指向性及衰減特性

螺旋槳周圍R=0.44 m處與R=0.88 m總聲壓指向性分布如圖11所示，各點聲壓級大小相近，但徑向位置聲壓級要略大于軸向位置，另外螺旋槳的旋轉推水作用導致槳后位置聲壓級要略大于槳前位置，聲指向性呈向槳后傾斜的“8”字形分布，符合單極子噪聲特性。

從槳中心X=0 m到X=1.1 m，Y=0 m到Y=1.1 m均勻布置5個測點，然后計算各點處的總聲壓級所得的螺旋槳的衰減特性曲線如圖13所示。

在相同進速下，遠離螺旋槳槳軸中心，無論在軸向上還是在徑向上，螺旋槳無空泡噪聲隨著距離的增大而減小，這是由于螺旋槳旋轉與湍流流場相互作用，存在大量渦脫落，隨著距離的增加，渦會逐漸耗散消失；離螺旋槳槳軸中心相同距離的監測點，徑向上的總聲壓級要高于軸向上的總聲壓級，但隨著距離的增加，兩者之間的差距逐漸減小。

5 結 語

本文針對低噪聲螺旋槳進行了數值模擬，研究分析了其敞水水動力性能與聲學性能，通過與試驗對比，從定量的角度驗證了大渦模擬與聲學軟件Actran相結合計算螺旋槳噪聲可行，為進一步預報艦船乃至船槳一體噪聲性能打下了基礎。

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The numerical analysis of non-cavitations noise of the propeller in steady flow

ZHU Jiang-bo, FU Jiang-yan, CHEN Xi, FENG Guan
(China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China)

In order to analyze the open water propeller noise performance, Author used one propellers model as the research object, used large eddy simulation method to calculate its open water hydrodynamic performance, the results obtained with the experimental error is small; then used the acoustic software ACTRAN based on infinite element method to calculate its non-cavitations noise simulation, and analyzed spectral curve of characteristic point; further analyzed the propeller sound pressure contours, sound directivity and sound attenuation characteristics, obtained the monopole noise characteristics - the radial sound pressure level is higher than the radial axial sound pressure level, and with increasing distance from the center of the propeller, the sound pressure level decay rate decreases, SPL radial and axial narrow the gap; verify the validity of numerical prediction method, provides reference for ship and propeller integrated noise simulation.

propeller；Actran；non-cavitations noise；noise experiments；open water

U661.31

A

1672 – 7619(2017)06 – 0023 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.005

2016 – 09 – 14

朱江波(1984 – )，男，碩士，工程師，研究方向為船舶推進技術。