均勻流中螺旋槳無空泡噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法驗(yàn)證分析

朱江波，傅江妍，陳 曦，馮 觀

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108)

均勻流中螺旋槳無空泡噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法驗(yàn)證分析

朱江波，傅江妍，陳 曦，馮 觀

(中國艦船研究設(shè)計(jì)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(duì)象，采用大渦模擬方法對(duì)其敞水水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與試驗(yàn)值誤差較??；然后運(yùn)用基于無限元方法的聲學(xué)軟件Actran對(duì)螺旋槳的無空泡噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)特征點(diǎn)頻譜曲線、螺旋槳聲壓云圖、聲指向性與衰減特性進(jìn)行分析，得到單極子噪聲特性-徑向聲壓級(jí)高于軸向聲壓級(jí)，并且隨著距槳中心距離的增大，聲壓級(jí)衰減速度減小，徑向與軸向聲壓級(jí)差距縮??；驗(yàn)證數(shù)值預(yù)報(bào)方法的有效性，為船槳一體噪聲數(shù)值模擬提供參考。

螺旋槳；Actran；無空泡噪聲；噪聲試驗(yàn)；敞水

0 引 言

艦船噪聲主要是由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲、水動(dòng)力噪聲等部分組成的。近年來，隨著機(jī)械設(shè)計(jì)和制造水平的提高，以及新技術(shù)的采用，機(jī)械噪聲已經(jīng)得到有效的控制，因此作為現(xiàn)階段艦船主要噪聲的螺旋槳噪聲，日益引起人們的重視。

對(duì)于螺旋槳噪聲的預(yù)報(bào)大致分為 2 種：一種是利用勢(shì)流理論程序預(yù)報(bào)；另一種就是利用粘流軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。Seol H等[1–2]用面元法和噪聲分析方法計(jì)算了螺旋槳無空泡及空泡噪聲；朱錫清等[3–5]結(jié)合非定常升力面理論和聲類比方法對(duì)船舶螺旋槳的頻線譜噪聲和寬帶譜噪聲進(jìn)行研究；楊瓊方[6–8]采用流場(chǎng)大渦模擬（large eddy simulation，LES）和聲場(chǎng)邊界元數(shù)值聲學(xué)的弱耦合方法在頻域內(nèi)進(jìn)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(tǒng)螺旋槳噪聲對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)低噪聲螺旋槳的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。

本文選取某一螺旋槳作為計(jì)算對(duì)象，通過Fluent軟件進(jìn)行了螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算，采用MRF模型計(jì)算螺旋槳定常敞水水動(dòng)力性能，采用大渦模擬和滑移網(wǎng)格技術(shù)得到螺旋槳均勻流流場(chǎng)信息，最終在Actran軟件中完成聲學(xué)仿真。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真的對(duì)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(yù)報(bào)螺旋槳的水動(dòng)力噪聲。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 大渦模擬SGS模型

大渦模擬通過濾波函數(shù)將紊流中的大、小尺度渦進(jìn)行分離，并采用不同的方式進(jìn)行處理，是介于直接模擬（DNS）和RANS之間的一種新型、可行的數(shù)值模擬方法。大渦模擬的控制方程由連續(xù)性方程和經(jīng)濾波函數(shù)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(yīng)力張量；τij為亞格子應(yīng)力（簡稱SGS應(yīng)力）。

假設(shè)SGS應(yīng)力為：

式中：μt為亞格子尺度的渦粘系數(shù)。Smagorinsky定義求解公式如下：

式中：?i為沿i軸方向的網(wǎng)格尺度；CS為Smagorinsky常數(shù)。

1.2 Lighthill聲學(xué)類比理論

Lighthill聲學(xué)類比理論考慮的模型是：在一個(gè)無限大的聲場(chǎng)內(nèi)，介質(zhì)均勻且為靜態(tài)，該聲場(chǎng)內(nèi)包含一個(gè)有限大的湍流流動(dòng)區(qū)域V，作為聲源區(qū)。在遠(yuǎn)離湍流區(qū)域V的外部流場(chǎng)中，流體密度的波動(dòng)與聲波相似。

Lighthill聲類比理論是基于流體力學(xué)基本方程N(yùn)S方程推導(dǎo)而得的[12]。

1.3 ACTRAN聲學(xué)原理

基于聲學(xué)有限元/無限元技術(shù)的Actran軟件是20世紀(jì)90年代末推出的，它通過對(duì)結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)建立離散化模型，利用Lighthill聲類比方法求解湍流區(qū)的流致噪聲，通過聲學(xué)的波動(dòng)方程模擬噪聲的傳播。

對(duì)于噪聲分析來說，計(jì)算步驟如圖1所示。

2 計(jì)算前處理

2.1 螺旋槳模型及計(jì)算域的建立

螺旋槳基本尺寸如表1所示，與空泡水筒試驗(yàn)槳模尺寸一致。首先利用Matlab程序?qū)С鰳~型值點(diǎn)，然后再將其導(dǎo)入ICEM中，把點(diǎn)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(shù)Tab.1 Main parameters of propeller

為了在CFD軟件中模擬螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)，還需建立虛擬的槳外流域，根據(jù)滑移網(wǎng)格技術(shù)的特點(diǎn)，將螺旋槳計(jì)算域分為靜止的部分（即大域）和繞槳軸旋轉(zhuǎn)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?yàn)槁菪龢睆降?倍。外流場(chǎng)計(jì)算域與螺旋槳分開建立模型，二者之間通過interface進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，外部大域模型如圖3所示。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

由于螺旋槳和大域幾何形狀較規(guī)整，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。根據(jù)螺旋槳周期性特點(diǎn)，首先劃分單個(gè)槳葉的網(wǎng)格，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到小域整體網(wǎng)格如圖4所示。為了適應(yīng)槳葉形狀的變化，適當(dāng)進(jìn)行C網(wǎng)劃分，保證網(wǎng)格質(zhì)量，并且此種方式還可以達(dá)到在槳葉表面進(jìn)行局部加密，控制網(wǎng)格數(shù)量的作用。

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

在螺旋槳的敞水計(jì)算中，入口和出口邊界分別設(shè)為速度入口和壓力出口；圓柱體表面設(shè)為對(duì)稱面；小域繞槳軸以900 r/min的角速度繞槳軸旋轉(zhuǎn)，通過改變進(jìn)流速度來實(shí)現(xiàn)不同的進(jìn)速系數(shù)；首先采用SST湍流模型進(jìn)行定常運(yùn)算，待獲得穩(wěn)定流場(chǎng)后，改用LES湍流模型進(jìn)行非定常運(yùn)算。定常計(jì)算過程中選用（MRF）模型，非定常水動(dòng)力性能計(jì)算過程選用滑移網(wǎng)格（Moving Mesh）模型。

3 螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算

3.1 敞水性能計(jì)算驗(yàn)證

首先對(duì)敞水中的螺旋槳水動(dòng)力性能進(jìn)行大渦模擬計(jì)算。通過改變來流速度改變螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)，圖6所示為螺旋槳的水動(dòng)力性能計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。

從圖6可看出，轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著進(jìn)速系數(shù)的增大出現(xiàn)相對(duì)較大的誤差，是由于在高進(jìn)速系數(shù)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，受到小的擾動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大的影響；計(jì)算所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，誤差控制在5%以下。

總的來說，所采用的計(jì)算模型及方法能夠有效地預(yù)報(bào)螺旋槳的水動(dòng)力性能。

3.2 設(shè)計(jì)工況計(jì)算驗(yàn)證

螺旋槳在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行噪聲試驗(yàn)工況如表2所示。良好的CFD采樣對(duì)于Actran噪聲計(jì)算至關(guān)重要，螺旋槳轉(zhuǎn)速n=15，旋轉(zhuǎn) 1 周的時(shí)間約為0.067 s，為保證采樣的準(zhǔn)確性，采樣總時(shí)間最好是 2 個(gè)周期以上，即大于0.134 s。

由表3中的數(shù)據(jù)可知，推力和轉(zhuǎn)矩計(jì)算值和試驗(yàn)值高度吻合，表明了在設(shè)計(jì)工況處水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的聲學(xué)計(jì)算提供了保障。

表2 設(shè)計(jì)工況Tab.2 Design condition

表3 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.3 Comparison between theoretical value and experimental value

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

觀察發(fā)現(xiàn)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(qū)，而在槳葉后方形成了 2 條狹長高速區(qū)。在低速帶內(nèi)流場(chǎng)較高速帶復(fù)雜，槳后流場(chǎng)較槳前復(fù)雜。

4 螺旋槳噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)

4.1 聲學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

通過大渦模擬獲得穩(wěn)定的非定常流場(chǎng)后，需要?jiǎng)?chuàng)建聲學(xué)網(wǎng)格，包括聲源區(qū)和聲傳播區(qū)，其中聲源區(qū)取自CFD計(jì)算區(qū)域，略小于CFD計(jì)算區(qū)域，以消除邊界影響，聲傳播區(qū)則根據(jù)需要設(shè)置，如圖8所示。

與水聽器位置相對(duì)應(yīng)，在距槳中心徑向0.6 m處設(shè)置特征點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)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(gè)測(cè)點(diǎn)平均分布于螺旋槳周圍，然后計(jì)算各點(diǎn)處總聲壓級(jí)來分析螺旋槳聲指向性；同時(shí)從槳中心X=0 m到X=1.1 m， Y=0 m到Y(jié)=1.1 m均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后計(jì)算各點(diǎn)處的總聲壓級(jí)來分析螺旋槳的衰減特性。

4.2 噪聲計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 特征點(diǎn)頻譜曲線及聲壓云圖

聲場(chǎng)計(jì)算支持的最大頻率fmax與流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間步長?t有關(guān)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

由于時(shí)間步長設(shè)置為0.000 25 s，故對(duì)應(yīng)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(yàn)中實(shí)際測(cè)量范圍可達(dá)0.1～80 000 Hz，但是對(duì)于數(shù)值計(jì)算高頻曲線將消耗大量的時(shí)間，且螺旋槳噪聲主要集中在中低頻，所以在此選取試驗(yàn)值0.1～2 000 Hz與數(shù)值模擬對(duì)比。

由圖10可看出，數(shù)值計(jì)算所得的頻譜曲線中可觀測(cè)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(cè)。

圖11為不同頻率時(shí)通過螺旋槳軸向剖面聲壓云圖。

頻率不同時(shí)，聲壓分布云圖也存在著很大的差異，在以上云圖中均體現(xiàn)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(shì)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(diǎn)聲壓級(jí)大小相近，但徑向位置聲壓級(jí)要略大于軸向位置，另外螺旋槳的旋轉(zhuǎn)推水作用導(dǎo)致槳后位置聲壓級(jí)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(jié)=1.1 m均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后計(jì)算各點(diǎn)處的總聲壓級(jí)所得的螺旋槳的衰減特性曲線如圖13所示。

在相同進(jìn)速下，遠(yuǎn)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(zhuǎn)與湍流流場(chǎng)相互作用，存在大量渦脫落，隨著距離的增加，渦會(huì)逐漸耗散消失；離螺旋槳槳軸中心相同距離的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，徑向上的總聲壓級(jí)要高于軸向上的總聲壓級(jí)，但隨著距離的增加，兩者之間的差距逐漸減小。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)低噪聲螺旋槳進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究分析了其敞水水動(dòng)力性能與聲學(xué)性能，通過與試驗(yàn)對(duì)比，從定量的角度驗(yàn)證了大渦模擬與聲學(xué)軟件Actran相結(jié)合計(jì)算螺旋槳噪聲可行，為進(jìn)一步預(yù)報(bào)艦船乃至船槳一體噪聲性能打下了基礎(chǔ)。

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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?yàn)榇巴七M(jìn)技術(shù)。