艦船開孔流動噪聲控制措施研究

李 生，華如南，徐 俊

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430074；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

艦船開孔流動噪聲控制措施研究

李 生1，華如南2，徐 俊2

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430074；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

基于計算流體軟件，采用大渦模擬方法計算了給定來流速度條件下表面開孔的非定常流場，分析了流場的非定常流頻譜特性，采用邊界元方法模擬了噪聲源特征，對各種流動噪聲控制措施進(jìn)行了對比分析。計算結(jié)果表明，開孔形式的改變會直接影響流噪聲的水平，設(shè)計結(jié)果可以為艦船流水孔的降噪設(shè)計提供參考。

流水孔；流噪聲；控制措施；大渦模擬

0 引 言

艦船表面存在著諸多不同形式的開孔，這些開孔的存在會使原本光滑船體的流動噪聲顯著增大，因此，針對艦船開孔水動力噪聲采取控制措施具有十分重要的意義。表面開孔附近流體會呈現(xiàn)豐富的流體力學(xué)現(xiàn)象。開孔處存在部分內(nèi)流與外流交換，在孔壁面處存在流體附著、脫落、分離及尾跡流的相互干涉。流場的高度非定常性會產(chǎn)生各種尺度的旋渦及湍流引發(fā)的脈動，作用于艇體外表面導(dǎo)致壓力波動，破壞表面湍流附面層內(nèi)的流動進(jìn)而形成流動噪聲。依據(jù)Lighthill流動聲學(xué)理論以及Powell[1]的渦聲理論，開孔中的渦流導(dǎo)致孔壁面的壓力脈動，是典型的偶極子型聲源，同時脫落渦及孔內(nèi)漩渦將產(chǎn)生四極子噪聲。部分學(xué)者將開孔內(nèi)流噪聲問題簡化為空腔流動發(fā)聲問題，并主要集中于壓力脈動及聲輻射方面。Rossiter等[2]提出了空腔振蕩的流聲共振反饋模型，并提出一個半經(jīng)驗公式用于預(yù)測振蕩頻率。

隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和計算流體動力學(xué)/計算氣動聲學(xué)（CFD/CAA，Computational Fluid Dynamics/Computational Aeroa-coustics）理論的進(jìn)步，準(zhǔn)確模擬復(fù)雜流場及相應(yīng)聲場現(xiàn)象成為可能，學(xué)者們針對開孔流動或流動噪聲進(jìn)行了一定的研究。張楠等[3]采用RANS模擬了帶有 2 種不同形式流水孔潛體的內(nèi)外流場，主要分析了流水孔引起的阻力增量。賴煥新等[4]采用大渦模擬-聲學(xué)比擬相結(jié)合的方法研究三維開式空腔的非定常可壓縮過流及其相關(guān)的氣動聲學(xué)問題。李曉東等[5]求解二維非定常雷諾平均N-S方程，采用頻散相關(guān)保持格式及無反射邊界條件計算了空腔的流激振蕩發(fā)聲現(xiàn)象，通過與實驗對比驗證了聲輻射指向性的正確。耿冬寒等[6]為了研究空腔產(chǎn)生的水動力噪聲，對氣動聲學(xué)理論與研究方法進(jìn)行了分析，確定了大渦模擬-等效聲源混合法。萬振華等[7]進(jìn)行了方腔流致振蕩及噪聲的數(shù)值研究。這些研究主要集中在流動噪聲理論及計算方法方面，而對噪聲控制措施研究較少。

本文基于Fluent流體計算軟件，采用大渦模擬方法計算了一定來流速度條件下表面開孔的非定常流場，分析了流場的非定常流頻譜特性，采用邊界元方法模擬了噪聲源特征，進(jìn)行了各種流動噪聲控制措施的對比分析。

1 計算方法和程序驗證

1.1 計算方法

開孔流噪聲計算采用CFD/CAA混合求解方法，首先對模型進(jìn)行定常流場計算，將定常解作為非定常流動的初始條件，當(dāng)非定常求解過程趨于穩(wěn)定之后，開始進(jìn)入聲學(xué)計算模塊。首先是存儲足夠多個時間步長上的物面壓力脈動值，作為FW-H方程的聲源輸入項。

為了高效、準(zhǔn)確捕捉非定常流動信息，流場計算采用大渦模擬方法。大渦模擬方法的基本思想為運用空間濾波的方法將流動變量劃分為大尺度量和小尺度量兩部分，濾波方程如下式：

聲學(xué)量的計算采用Lighthill理論。利用廣義函數(shù)理論，在Lighthill方程基礎(chǔ)上發(fā)展的FW-H方程

其中壓應(yīng)力張量為

1.2 程序驗證

為了驗證計算方法的有效性，計算了文獻(xiàn)[8]中的三維空腔結(jié)構(gòu)流動問題。為了捕捉到高頻流動噪聲，時間步長取10–5s。計算網(wǎng)格數(shù)目約800萬，全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計算了來流速度分別為U=9 m/s和30 m/s兩種情況，得到壓力頻譜如圖1和圖2所示。U=9 m/s算例的前 3 階模態(tài)頻率分別為12.43 Hz，24.72 Hz，37.43 Hz；U=30 m/s算例的40.44 Hz，81.17 Hz，121.91 Hz。結(jié)果與文獻(xiàn)[8]對比可見，計算得到的模態(tài)頻率與文獻(xiàn)中的結(jié)果吻合較好，說明了目前計算方法的可靠性。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)加強形式的影響

本節(jié)計算了 2 種不同結(jié)構(gòu)加強形式的開孔流噪聲及激勵特性，這 2 種結(jié)構(gòu)加強形式分別為沿流向方向結(jié)構(gòu)加強以及橫向方向結(jié)構(gòu)加強，如圖3所示。

不同結(jié)構(gòu)加強方式開孔的監(jiān)測點脈動壓力頻譜如圖4所示，監(jiān)測點位于開孔中心，流體激勵頻譜主要線譜見表1。從圖表中可以看出：沿流向方向結(jié)構(gòu)加強開孔引起的流體激勵頻率成分更為復(fù)雜，且幅值較高，因此，從降低流體激勵引起的結(jié)構(gòu)振動噪聲的角度考慮，建議開孔結(jié)構(gòu)加強采用橫向加強的結(jié)構(gòu)形式。

不同結(jié)構(gòu)加強方式開孔的輻射噪聲頻譜如圖5所示，圖中監(jiān)測點取開孔中心正上方100 m處，其主要線譜頻率分布如表2所示。從頻譜圖中可以看出：2種結(jié)構(gòu)加強方式對輻射噪聲總級影響不大；2 種結(jié)構(gòu)加強方式下，一階線譜頻率發(fā)生了改變；2 種結(jié)構(gòu)開孔輻射噪聲存在部分相同成分的線譜頻率，也有不同的頻率成分。

通過對比分析不同結(jié)構(gòu)加強方式，相同大小開孔引起的流噪聲以及流體激勵特性，可以得出以下結(jié)論：開孔沿橫向或流向方向結(jié)構(gòu)加強對流體直發(fā)聲輻射噪聲總級影響不大；沿流向方向結(jié)構(gòu)加強開孔引起的流體激勵頻率更加豐富，且幅值較高，建議開孔結(jié)構(gòu)加強方式采用橫向加強方式。

表 1 脈動壓力主要線譜頻率分布表（Hz）

2.2 開孔流噪聲控制措施及效果分析

針對開孔引起的流體直發(fā)聲以及流體激勵中的強線譜，本節(jié)探索開孔流噪聲的控制措施，通過數(shù)值計算分析該控制措施的降噪效果。

2.2.1 增裝導(dǎo)流體

本節(jié)計算的 2 種帶導(dǎo)流板的開孔模型如圖6所示。

不同高度導(dǎo)流體及無導(dǎo)流體情況下的開孔流致輻射噪聲頻譜如圖7（a）所示，監(jiān)測點位于開孔中心正上方100 m處。從圖中可以看出：開孔前緣增加導(dǎo)流體后，其輻射噪聲在各個頻帶內(nèi)均較無導(dǎo)流體情況有所降低；導(dǎo)流體高度越高，開孔流致輻射噪聲越低。圖7（b）為增裝不同高度導(dǎo)流體開孔引起的脈動壓力頻譜分布，其主要線譜頻率見表3。從圖表中可以看出，導(dǎo)流體高度增加后，主要流體激勵頻率向更低頻率發(fā)展，且幅值明顯增強。

接著分析開孔前緣增加導(dǎo)流體可以顯著降低開孔流噪聲的原理。如圖8所示，從圖中可以看到剪切層流體通過導(dǎo)流體之后，部分流體越過孔腔開孔，到達(dá)開孔后方，從而降低了由于剪切層流體撞擊孔腔后緣引起的流體振蕩反饋噪聲。

2.2.2 增裝圓形擋板

本節(jié)計算的 3 種帶導(dǎo)流板的開孔模型如圖9所示。

不同高度圓形擋板引起的開孔流致輻射噪聲頻譜如圖10（a）所示，監(jiān)測點位于開孔中心正上方100 m處。從圖中可以看出：開孔下方增設(shè)圓形擋板后，其輻射噪聲在各個頻帶內(nèi)均較無擋板情況均有所降低；圓形擋板高度越高，開孔流致輻射噪聲越低。圖10（b）為增裝不同高度圓形擋板開孔引起的脈動壓力頻譜分布，其主要線譜頻率見表4。從圖表中可以看出：隨著圓形擋板高度增加，脈動壓力頻譜幅值明顯增大，但主要線譜頻率變化不大。

下面分析開孔下方設(shè)置圓形擋板可明顯改善開孔流噪聲的機理。如圖11所示，從圖中可以看到，來流經(jīng)過開孔，撞擊開孔后緣分成 2 股流體，一股向開孔后方運動，另一股向開孔內(nèi)部流動。擋板的主要作用是“引流”，引導(dǎo)向開孔內(nèi)部運動的流體流動更加光順，減少腔內(nèi)非穩(wěn)定渦旋的產(chǎn)生，降低腔內(nèi)流體直發(fā)生。其次，擋板減少了腔內(nèi)的渦旋與剪切層來流的碰撞，抑制來流剪切層流體受擾動引起的直發(fā)聲。

表 3 脈動壓力主要線譜頻率分布表（Hz）

表 4 脈動壓力主要線譜頻率分布表

3 結(jié) 語

本文以艦船表面開孔為研究對象，通過對不同開孔形式的流體激勵及流噪聲特性進(jìn)行數(shù)值仿真計算，得到以下結(jié)論：開孔沿橫向或流向方向結(jié)構(gòu)加強對流體直發(fā)聲輻射噪聲總級影響不大；沿流向方向結(jié)構(gòu)加強開孔引起的流體激勵頻率更加豐富，且幅值較高，建議開孔結(jié)構(gòu)加強方式采用橫向加強方式；在開孔前緣增加導(dǎo)流體、開孔下方增設(shè)圓形擋板均能有效的降低流體直發(fā)聲，且隨著導(dǎo)流體的高度增加，圓形擋板越深，流體直發(fā)聲的降噪效果越明顯；增設(shè)導(dǎo)流體的降噪方式使得流體主要激勵頻率往更低頻發(fā)展；增設(shè)圓形擋板對流體激勵頻率影響不大，但擋板高度越高，脈動壓力幅值明顯增加，采用此種降噪方式需綜合考慮流激結(jié)構(gòu)振動噪聲的影響。

[1]POWELL A. Theory of vortex sound [J]. J. Acoust. Soc. Am,1964, 36: 177–195.

[2]ROSSITER J. E. Wind tunnel experiments of the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds[R].ARCR&M. TR3438, 1964.

[3]張楠, 沈泓萃, 姚惠之, 等. 帶流水孔潛體流場數(shù)值模擬[J]. 船舶力學(xué), 2004, 8(1): 1–11.ZHANG Nan, SHEN Hong-cui, YAO Hui-zhi et al. Numerical simulation of flow around a submerged body with flood hole[J].Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(1): 1–11.

[4]賴煥新, 周邵萍, 羅開紅. 空腔的非定常可壓縮過流及相關(guān)氣動聲學(xué)問題[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2007, 28(5): 755–758.LAI Huan-xin, ZHOU Shao-ping, LUO Kai-hong. Threedimensional unsteady compressible flow over an open cavity and relevant aero-acoustics[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(5): 755–758.

[5]李曉東, 劉靖東, 高軍輝. 空腔流激振蕩發(fā)聲的數(shù)值模擬研究[J]. 力學(xué)學(xué)報, 2006, 38(5): 599–604.LI Xiao-dong, LIU Jing-dong, GAO Jun-hui. Numerical simulation of flow-induced oscillation and sound generation in a cavity[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(5): 599–604.

[6]耿冬寒, 劉正先. 大渦模擬-Lighthill等效聲源法的空腔水動噪聲預(yù)測[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2010, 31(2): 182–187.GENG Dong-han, LIU Zheng-xian. Predicting cavity hydrodynamic noise using a hybrid large eddy simulation-Lighthill’s equivalent acoustic source method[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(2): 182–187.

[7]萬振華, 周林, 孫德軍. 方腔流致振蕩及噪聲的數(shù)值研究[J].空氣動力學(xué)報, 2012, 30(3): 291–298.WAN Zhen-hua, ZHOU Lin, SUN De-jun. Numerical study of flow-induced oscillation and noise of cavity[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2012, 30(3): 291–298.

[8]ARUNAJATESAN S, SINHA N. Modeling approach for reducing Helmholtz resonance in submarine structures[C]//AIAA Aeroacoustics Conference, 2005–2858.

Control measures for hydrodynamic noise of water hole on ship

LI Sheng1, HUA Ru-nan2, XU Jun2

(1. Military Representative Office of Navy in 719 Research Institute, Wuhan 430074, China;2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to study the characteristics of hydrodynamic noise of water hole, the flow field round the three-dimensional water hole model was numerical simulated based on the large eddy simulation. Then the flow noise was calculated by the boundary element method and the control measures of flow noise was analyzed. It is shown that the change of water hole parameters would directly affect the level of flow noise, which could provide reference for noise reduction design of water hole on ship.

water hole；flow noise；control measure；large eddy simulation

TN911

A

1672 – 7649(2017)09 – 0035 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.007

2016 – 10 – 10

李生(1979– )，男，工程師，研究方向為減振降噪。