水路運輸

LESPowell

張楠，李亞，王志鵬，等

基于LES與Powell渦聲理論的孔腔流激噪聲數值模擬研究

張楠，李亞，王志鵬，等

目的：孔腔流激噪聲是水動力噪聲的重要組成部分。在工業領域的實際應用中，孔腔流動常誘導各類振蕩，能夠引起結構振動與疲勞，激發很強的噪聲，而且由于從孔腔中向外拋射較大尺度的渦而造成物體壓力脈動和阻力的急劇增加。孔腔流動包含了剪切層不穩定性，湍流與結構和流動噪聲之間的相互作用等流固耦合、流聲耦合復雜現象，給理論分析、數值模擬和試驗測量帶來了很大的挑戰。本文致力于建立基于LES與Powell渦聲理論的孔腔流激噪聲數值模擬方法。方法：采用大渦模擬結合動態Smagorinsky亞格子模型對孔腔周圍非定常流場進行模擬，從流動計算結果中萃取聲源項輸入到Powell渦聲方程中來計算流激噪聲，聲學遠場解通過格林函數求解密度攝動得到。時間項采用二階隱式格式離散，動量方程采用限界中心差分格式離散，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。利用代數多重網格方法加速收斂。采用FFT結合Hanning窗處理非定常信號時間序列。算例全部在無錫超算中心通過并行計算完成求解。結果：聲源項對于網格形式與疏密程度比較敏感，在網格劃分時要特別注意網格長寬比，且要疏密得當，在渦量變化大的區域要加密網格。圓柱/機翼組合體流激噪聲基準檢驗試驗是校驗計算方法的良好選擇。計算方法對于諧音峰幅值、共振頻率、斯特洛哈爾數的計算誤差分別為：－4.6%、5.3%、5.2%；計算得到的寬帶噪聲譜型分布及幅值也與試驗結果吻合得較好，在800～1180 Hz頻段以及1700～3400 Hz頻段，計算結果與試驗結果吻合得非常好，差異在1～3 dB，在4000 Hz以上的高頻頻段，計算準確度有所下降，幅值誤差最大可達10 dB。整體計算效果是令人滿意的。隨后又選擇方腔流激噪聲測試結果來驗證所建立的計算方法。方腔內的旋渦產生、輸運并相互干擾，構成了主要的發聲根源。流激噪聲的計算誤差為2.0～8.8 dB，計算與試驗吻合較好。最后對于帶兩型格柵的孔腔流激噪聲進行計算?？浊涣骷ぴ肼暱偮暭売嬎阏`差在1～3 dB之內。三個水速下孔腔流激噪聲譜型與幅值都與試驗吻合較好，計算誤差在1～6 dB。在500 Hz以下低頻段，孔腔1流激噪聲要顯著大于孔腔2；在500～10 KHz的高頻段，孔腔1流激噪聲小于孔腔2。隨著流速的增高，孔腔1與孔腔2流激噪聲差異越來越小，可以等量齊觀。孔腔1的渦旋結構遷移速度和變化率都要小于孔腔2，因而頻譜特征在低頻段更為顯著，造成低頻段孔腔1的流激噪聲比孔腔2大的現象。由此可知，工業領域孔腔的治理工作是比較復雜的，要綜合考慮不同頻段的影響，還要兼顧流體動力特性。結論：渦聲方程的聲源項空間分布具有緊致特征，適用于大尺度渦誘發的流激噪聲，目前亟需在此方面開展相應的研究。詳細闡釋了Powell渦聲理論的內涵，推導了相應的數學公式，然后利用大渦模擬方法結合Powell渦聲方程計算了圓柱/機翼組合體、方腔與兩型孔腔的渦旋流場與輻射噪聲，結果表明數值計算方法切實可行，計算結果可靠。上述研究結果是流聲耦合領域的重要組成部分，并有益于未來新型潛艇的設計與優化研究。

來源出版物：船舶力學, 2015, 19(11): 1393-1408

入選年份：2015