基于BEM的通海閥流噪聲與流激振動噪聲數值模擬對比研究

方 超，馬士虎，蔡標華，俞 健

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

船舶通海系統的注排水流量由通海閥調節，通海閥噪聲是主要的噪聲源。由于閥門節流的作用，流體介質在閥門內流動會產生壓力波動，流體介質的不穩定流動是流噪聲產生的根源。通海系統銅質管材在流體力作用下會導致彈性變形，結構與流體相互作用產生耦合振動，結構振動向海水中輻射噪聲，即為流激振動噪聲。通海系統管路與舷外海水直接相通，流噪聲和流激振動噪聲直接通過管口向外輻射。

針對通海閥流噪聲和流激振動噪聲2種噪聲的主次問題，本文將對某船海水系統通海閥流噪聲和流激振動噪聲分別進行數值模擬，通過將2種噪聲的數值計算結果進行對比，分析通海閥主要噪聲源，以從噪聲產生機理出發，對不同噪聲源成因應用相應噪聲抑制措施。

1 研究對象和數學模型

1.1 研究對象

該船通海系統在兩艙壁間的平面布置如圖1所示，通海閥通過銅質管道連接位于兩剛性艙壁之間，海水在舷外與艙內壓差的作用下通過通海閥進入浮力調整水艙，從而調整船舶浮力。

通海閥為輕質球閥，閥芯通徑為80 mm，閥門重量對系統整體重量影響較小；艙壁間連接通海閥的管道為壓力銅管，長度均為300 mm，內徑為100 mm，壁厚為7 mm，銅管簡化為均質材料，材料參數：密度為8 900 kg/m3，彈性模量為，泊松比為

1.2 流固耦合數學模型[1]

流固耦合的基本原理是建立在流體力學和固體力學的基本理論之上，因此對流固耦合的結構進行分析需要從流體力學和固體力學出發。流體和固體的兩相運動過程中，流體運動對固體表面產生力學作用，反之，固體又反作用于流體，改變流體的運動狀態[2–3]。在流體和固體界面上，流體和固體具有共同的運動作用力和速度，可以把固體視作彈性體，其動力學離散方程可表示為：

1）流體控制方程

通海閥內流體流動要遵循三大基本物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[4–5]，直角坐標系下，三大基本物理守恒定律方程為：

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

2）固體控制方程

固體部分的守恒方程可以由牛頓第二定律導出：

由溫差引起的熱變形：

3）流固耦合基本方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固耦合交界面處，應該滿足流體與固體應力、位移、熱流量、溫度等變量的相等或守恒[6–7]。流固耦合分析采用的基本控制方程可以表示如下：

2 流場計算

2.1 計算模型及參數設置

本文運用Fluent軟件進行瞬態流場計算，流場計算結果作為聲源信息用于聲場計算，流體介質的沖擊和脈動是流噪聲和流激振動噪聲產生的根源，因此準確的CFD瞬態計算是獲得精準噪聲計算結果的基礎。

結構離散：流場計算時，通海閥開度為60°，對通海閥及管道結構進行適當簡化，簡化后建立的閥門及管道結構三維模型如圖2所示。利用ICEM軟件對簡化后的幾何模型進行網格劃分，管道及通海閥模型網格數目最終為263萬，滿足網格無關性和精度要求。

圖2 閥門及管道三維模型Fig.2 Three dimensional model of valve and pipeline

參數設置：參考壓力為一個標準大氣壓，根據通海系統噪聲突出工況的特點，通海閥進口壓力設為1.8 MPa，水艙背壓為一個標準大氣壓，因此出口邊界條件設為壓力出口，其值設為0。湍流模型選擇LES大渦模擬模型，求解器選擇耦合式求解器，時間步長設為5×10–5s，仿真時間為 0.01 s。

2.2 流場計算結果

通海閥壓力和速度分布如圖3所示，由于通海閥的節流作用，閥內海水流速最大值達到61.62 m/s，通海閥后壓力迅速降低，閥門處流場的劇烈變化對閥門以及管道結構產生強烈的沖擊，導致閥門及管壁振動并向外輻射噪聲，同時通海閥及管道壁面流體高紊流度的壓力脈動引起流噪聲。流噪聲和流激振動噪聲通過管口向外輻射，對通海系統的噪聲性能造成影響。

圖3 通海閥壓力和速度分布圖Fig.3 Distribution of pressure and velocity of hull valve

3 流噪聲與流激振動噪聲計算

3.1 流噪聲計算

研究表明[8–10]，管內流動噪聲源主要來自壁面的偶極子源和雷諾應力的四極子源。在高馬赫數下，四極子聲源項的量級與主要聲源項相同，不可忽略；在低馬赫數下，偶極子聲源的貢獻遠遠大于四極子聲源，四極子聲源在計算中可忽略不計。通海閥內海水流動為低馬赫數流動，因此管道及閥門壁面偶極子源是主要噪聲源。

本文采用CFD計算與聲學邊界元相結合的方法分別求解流噪聲：通過CFD瞬態流場計算，提取壁面的壓力脈動信號，作為偶極子源映射至聲學邊界元網格，求解Helmholtz方程得到流噪聲管內聲場特性。

噪聲計算邊界元網格如圖4所示，通海閥附近網格進行局部加密，流噪聲監測面設在通海閥進口法蘭處，監測面中心設置監測點。流噪聲（100 Hz和200 Hz）在監測面聲壓級分布如圖5所示，由計算結果可知，監測面100 Hz聲壓級整體高于200 Hz聲壓級；通海閥進口截面軸心附近聲壓分布相對均勻，聲壓級最高位置靠近管道壁面。

圖4 通海閥及管道模型聲學網格Fig.4 The acoustic grid of sea valve and pipeline model

圖5 監測面流噪聲聲壓分布云圖Fig.5 Acoustic pressure contours of flow noise on monitoring surface

3.2 流激振動噪聲計算

1）模態計算

本文對艙壁間管道和閥門結構進行模態分析，模態計算時管道閥門簡化為殼結構。海水對結構振動的作用不可忽略，計算脈動壓力激勵結構振動時應該基于考慮海水影響的“濕模態”，即模態計算時管道內海水質量作為附加質量處理[5]。

通海閥及管道結構經過簡化后有限元模型如圖6所示。進出口管道是在艙壁中穿過，可以看作是固定端，因此在進出口管端單元節點上施加全約束；重力的施加比較簡單，在Virtual.Lab模態分析模塊中定義重力的方向和加速度，取值9.81 m/s2。

圖6 通海閥及管道模態計算有限元網格Fig.6 Finite element model of hull valve and piping

圖7 管道及通海閥前8階三維模態振型云圖Fig.7 The first 8 3D modal shapes contours of piping and hull valve

表1 前8階模態固有頻率和最大振幅Tab.1 Natural frequency and amplitudes of the first 8 modes

管道及通海閥前8階模態振型圖如圖7所示，前8階模態固有頻率和最大振幅如表1所示。從前8階模態振型圖可以看出：結構最容易激發的振動部位是在通海閥及其附近管道，高階模態要比低階模態的振動幅度更大，隨著階次的增高，通海閥兩側位置稍遠的不易被激振的進出口管道也逐漸產生振動變形。總體來看，對于低階模態的振動，通海閥更容易激振，振動變形較大；對于高階模態，通海閥不易激振，通海閥兩側管道更容易激振，且振動幅度比低階模態振動幅度大；無論高階或者低階模態，靠近兩側艙壁位置的管道始終振動不大。

因此，根據振型圖分析，結構的薄弱部位，即最容易激振、產生振動變形的部位是通海閥以及靠近通海閥的兩側管道，通海閥附近需要進行加固以減小振動。

2）流激振動噪聲計算

基于通海閥與管道流場和模態計算結果，提取瞬態流場計算的壁面壓力脈動作為流體對結構的激勵源，在Virtual.Lab軟件中進行通海閥流激振動計算，然后利用聲學邊界元法計算結構振動向海水介質中輻射的噪聲。流激振動噪聲監測面同樣設在通海閥進口法蘭處，監測面中心設置監測點。

流激振動噪聲在監測面聲壓分布如圖8所示，通海閥及管道結構振動產生的輻射噪聲在通海閥進口截面軸心附近聲壓分布相對均勻，聲壓級最高位置同樣是靠近管道壁面。

圖8 監測面流激振動噪聲聲壓分布云圖Fig.8 Acoustic pressure contours flow induced vibration noise on monitoring surface

3.3 計算結果對比分析

監測點流噪聲和流激振動噪聲頻譜分布如圖9所示，100～2 000 Hz頻率范圍內，流噪聲聲壓級隨頻率增大呈快速減小趨勢并逐漸趨于小范圍內波動，而流激振動噪聲則隨頻率增大無明顯變化規律。根據聲壓級頻域分布信息可以計算得到流噪聲和流激振動噪聲在監測點處的總聲壓級分別為238.9 dB和138.8 dB，流噪聲較流激振動噪聲在監測點處聲壓級高100.1 dB，因此流激振動噪聲完全湮沒在流噪聲中。

圖9 監測點流噪聲與流激振動噪聲聲壓級頻譜曲線Fig.9 Sound pressure level spectrum curve of flow noise and flow induced vibration noise on monitoring point

由此可知，流噪聲是通海系統的主要噪聲源，對通海系統進行噪聲治理時，應該優先考慮流噪聲的治理。

4 結 語

通過對通海閥流噪聲和流激振動噪聲的數值模擬，可以得出以下結論：

1）對于低階模態的振動，通海閥更容易激振，振動變形較大；對于高階模態，通海閥不易激振，兩側管道更容易激振，且振動幅度比低階模態振動幅度大；無論高階或者低階模態，靠近兩側艙壁位置的管道始終振動不大；

2）通海閥進出口壓差為1.8 MPa，閥門開度為60°時，閥門進口法蘭處管道截面中心流噪聲和流激振動噪聲分別為238.9 dB，138.8 dB，流激振動噪聲遠小于流噪聲。高壓差條件下，流噪聲是通海系統主要噪聲源，對通海系統噪聲進行治理時應優先考慮流噪聲的治理。

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