通海管路出水管末端管徑對(duì)水動(dòng)力噪聲的影響研究

潘國(guó)雄，賈曉丹，張生樂(lè)，夏 苑，劉 洋

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

艦船上含有大量的輸送水、油、氣等管路系統(tǒng)，其中出水管是通海管路系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著海水介質(zhì)由內(nèi)部流向外界的作用[1-3]。出水管形式多樣，有直管、彎管、變截面管等，其中以均勻等直圓管最為普遍。出水管的振動(dòng)噪聲是由出水管自身機(jī)械振動(dòng)或管路內(nèi)海水介質(zhì)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)產(chǎn)生的[4-6]。在通海管路系統(tǒng)中，出水管管口直接與通海口的出水腔相對(duì)接，出水管末端管口流速直接影響通海口水動(dòng)力噪聲大小。因此，研究通海管路出水管末端管徑對(duì)水動(dòng)力噪聲的影響具有重要意義。

本文選取通海管路出水管末端管徑為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真方法研究了不同管徑尺寸對(duì)水動(dòng)力噪聲的影響，最終得出一種較優(yōu)的通海管路出水管末端管徑尺寸。

1 管徑擴(kuò)大方案設(shè)定

在保證通海管路出水管始端入口流速不變的條件下，為了降低出水管和出水腔連接處交界面的流體速度，進(jìn)而降低通海管路系統(tǒng)的水動(dòng)力噪聲，將出水管末端管徑尺寸進(jìn)行擴(kuò)大，擴(kuò)大倍數(shù)分別設(shè)定為1.05 倍，1.1 倍，1.15 倍，1.2 倍，1.5 倍，1.8 倍和2.0 倍，原始模型和擴(kuò)大1.5 倍模型如圖1 所示。

2 數(shù)值仿真計(jì)算

采用Ansys Workbench 中的DM 進(jìn)行整個(gè)計(jì)算域的幾何建模，該幾何模型包括出水管，進(jìn)水管，補(bǔ)水管，通海口，外流域。然后，采用Ansys Workbench 中的Icem CFD 分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)計(jì)算域的原始模型網(wǎng)格如圖2 所示。

在邊界條件設(shè)置時(shí)，將出水管設(shè)定為速度入口，進(jìn)水管設(shè)定為壓力出口，整個(gè)計(jì)算域采用固壁邊界條件。在柵欄孔附近設(shè)定聲源面。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為5.0×10-5，每個(gè)時(shí)間步最大迭代次數(shù)設(shè)為20，因此，能捕捉到頻率最大值為10 kHz。在計(jì)算過(guò)程中，先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型計(jì)算定常情況下的數(shù)值解。算至收斂后，將定常計(jì)算的最后一步作為初始值導(dǎo)入LES 中進(jìn)行非定常計(jì)算。待LES 計(jì)算至穩(wěn)定后，再打開FWH 聲學(xué)模塊進(jìn)行水動(dòng)力噪聲計(jì)算。

圖 1 原始模型和1.5 倍模型的示意圖Fig. 1 Schematic graph of original model and 1.5 times model

圖 2 原始模型網(wǎng)格劃分Fig. 2 Mesh generation of original model

3 噪聲分析

3.1 工況1

將通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大不同倍數(shù)后，在工況1（出水管始端入口流速設(shè)定為2.25 m/s，補(bǔ)水管關(guān)閉）條件下，仿真計(jì)算得出相應(yīng)的時(shí)域圖、頻譜圖、對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)頻譜圖和總聲壓級(jí)圖，如圖3 所示。

在工況1 條件下，從時(shí)域圖3（a）可知，通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大前（即原始模型）的聲壓幅值明顯高于管徑擴(kuò)大不同倍數(shù)后（即不同倍數(shù)模型）的聲壓幅值。在時(shí)域范圍內(nèi)，出水管末端管徑擴(kuò)大前后的聲壓分布趨勢(shì)各不相同。從頻譜圖3（b）可知，在整個(gè)頻段范圍內(nèi)，通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大前后的聲壓級(jí)分布趨勢(shì)相同，且均存在波峰和波谷。從對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)頻譜圖3（c）可知，在出水管末端管徑擴(kuò)大前后，低頻區(qū)域均是噪聲的主要來(lái)源，并且出水管末端管徑擴(kuò)大后，主要是對(duì)低頻段的聲壓級(jí)起到降低效果。在總聲壓級(jí)圖3（d）中，將原始模型的擴(kuò)大倍數(shù)取為1，其他模型的擴(kuò)大倍數(shù)均用相應(yīng)數(shù)字表示，比如1.05 倍模型對(duì)應(yīng)數(shù)字1.05。在仿真計(jì)算范圍內(nèi)，通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大不同倍數(shù)后均有降噪效果，但是降噪效果并不是隨著擴(kuò)大倍數(shù)的增大呈現(xiàn)出線性關(guān)系，而是當(dāng)出水管末端管徑擴(kuò)大1.1 倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的總聲壓級(jí)最小。

圖 3 工況1 噪聲對(duì)比Fig. 3 Comparison of noise in working condition one

3.2 工況2

為了進(jìn)一步分析通海管路出水管末端管徑在不同擴(kuò)大倍數(shù)下的聲學(xué)性能，選取工況2（出水管始端入口流速為2.038 m/s，補(bǔ)水管關(guān)閉）條件下，再次進(jìn)行水動(dòng)力噪聲仿真計(jì)算。現(xiàn)將出水管末端管徑擴(kuò)大前后的時(shí)域圖、頻譜圖、對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)頻譜圖如圖4 所示。

圖 4 工況2 噪聲對(duì)比Fig. 4 Comparison of noise in working condition two

在工況2 條件下，從時(shí)域圖4（a）可知，通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大前后的聲壓幅值無(wú)明顯變化規(guī)律，擴(kuò)大模型對(duì)應(yīng)的聲壓幅值與原始模型對(duì)應(yīng)的聲壓幅值相比，有的聲壓幅值偏高，有的聲壓幅值偏低，這說(shuō)明出水管末端管徑擴(kuò)大不同倍數(shù)后并不是均具有降噪效果。對(duì)比頻譜圖3（b）和4（b）可知，在2 種工況下，盡管通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大了不同倍數(shù)，但是對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)分布趨勢(shì)仍然相同，且均與原始模型的聲壓級(jí)分布趨勢(shì)相同，均存在波峰和波谷。對(duì)比對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)頻譜圖3（c）和4（c）可知，在2 種工況下，低頻區(qū)域均是噪聲的主要來(lái)源。把出水管末端管徑擴(kuò)大后，主要在低頻段起到降噪效果。

在工況1 和工況2 下，將出水管末端管徑的擴(kuò)大倍數(shù)與總聲壓級(jí)的定量關(guān)系疊加到一起，形成圖5 所示曲線。可知，在2 種工況下，通海管路出水管末端管徑的擴(kuò)大倍數(shù)和總聲壓級(jí)之間的定量關(guān)系曲線變化趨勢(shì)類似，即隨著擴(kuò)大倍數(shù)的增加，總聲壓級(jí)逐漸減小，當(dāng)擴(kuò)大倍數(shù)為1.1 時(shí)，總聲壓級(jí)達(dá)到最小值。然后隨著擴(kuò)大倍數(shù)的增加，總聲壓呈現(xiàn)增大與減小相交替的變化趨勢(shì)。在同一擴(kuò)大倍數(shù)下，工況1 的總聲壓級(jí)均高于工況2 的總聲壓級(jí)。

圖 5 兩種工況總聲壓級(jí)對(duì)比Fig. 5 Comparison of OSPLs in two working conditions

4 流速分析

在工況2（出水管始端入口流速為2.038 m/s，補(bǔ)水管關(guān)閉）條件下，出水管和出水腔交界面附近位置的流速分布情況如圖6 所示。可以發(fā)現(xiàn)，原始模型和1.1 倍模型的出水管末端沒(méi)有產(chǎn)生漩渦，其他倍數(shù)模型的出水管末端均產(chǎn)生了面積或大或小的漩渦。

對(duì)于1.1 倍模型來(lái)說(shuō)，將通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大后，出水管的部分管段由原來(lái)的直管段變成了擴(kuò)張管，增大了末端管口的截面積。同時(shí)，由于出水管始端入口流速一定，且管內(nèi)無(wú)渦流，因此，出水管末端管口位置的流速相對(duì)變小，出水腔內(nèi)流速也相對(duì)變小，進(jìn)而降低了水動(dòng)力噪聲，故1.1 倍模型是討論范圍內(nèi)的最佳模型，即通海管路出水管末端管口擴(kuò)大1.1 倍時(shí)，減振降噪效果最佳。

對(duì)于其他倍數(shù)模型來(lái)說(shuō)，盡管出水管始端流速一定，末端管口尺寸變大，但是管內(nèi)存在渦流，因此出水管中流體順向通過(guò)末端管口的有效截面未必變大，有時(shí)甚至產(chǎn)生明顯變小的現(xiàn)象。例如，從2 倍模型的流體速度矢量圖（圖6（h））可以看出，由于漩渦的存在，導(dǎo)致流體流入出水腔的有效截面變小，流速迅速變大，導(dǎo)致水動(dòng)力噪聲增大。

圖 6 不同模型的流體速度矢量圖sFig. 6 Flow velocity vectors for different models

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通海管路出水管末端管徑擴(kuò)大1.1 倍時(shí)，總聲壓級(jí)達(dá)到最小值，減振降噪效果最佳。

2）對(duì)于通海管路出水管末端管徑來(lái)說(shuō)，在同一擴(kuò)大倍數(shù)下，工況1 的總聲壓級(jí)均高于工況2 的總聲壓級(jí)。

3）原始模型和1.1 倍模型的出水管末端沒(méi)有產(chǎn)生漩渦。其他倍數(shù)模型的出水管末端均產(chǎn)生了面積或大或小的漩渦。