水下航行體孔群流激噪聲試驗研究

2021-10-29 06:12:16劉繼明章君強李新汶

艦船科學技術 2021年9期

劉繼明，潘治，章君強，李新汶

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430205)

0 引言

水動力噪聲是水下航行體的主要噪聲源，而其表面開孔及孔腔是產生水動力噪聲重要對象之一，流體在流經開孔時會與孔內的流體相互干擾產生流體振蕩，從而誘發噪聲，并且腔內及開孔附近的流動干擾會增強孔后的湍流脈動壓力，使其激勵開孔結構產生的振動輻射噪聲增強。當剪切振蕩與空腔聲模態耦合共振時，將產生很強的線譜噪聲。

國外從20世紀50年代起就開始對空腔流動進行研究，Rossiter[1]提出空腔振蕩的流聲共振反饋模型，并給出了預估振蕩頻率的半經驗公式。國內對空腔流動研究起步相對較晚，在20世紀90年代，何祚鏞等[2-6]對開孔流動激勵及空腔流激振蕩發聲等進行了系列實驗及數值研究，羅柏華等[7]也開展了相關理論及實驗研究。近幾年來，水下航行體孔腔噪聲日漸突出，國內許多學者繼續投入了大量精力開展相關研究。袁國清[8]以水下航行器流水孔和腔體結構為研究對象，采用理論、數值及實驗相結合，對水下開孔腔繞流自持振蕩、直接聲、二次聲、水動力共振和水彈性共振發聲等機理進行了較為詳盡的研究。俞孟薩等[9]歸納梳理了國內外對腔口剪切振蕩及其與空腔聲場耦合共振和聲輻射機理及基本特征的研究現狀，概述了空腔及腔口流動和聲輻射控制的主要途徑和方法，并提出了流激空腔噪聲研究的主要問題。李環等[10]對空腔振蕩噪聲計算方法等進行了歸納總結。高巖等[11]研究了彈性腔對空腔模態頻率的影響，并在循環水槽中開展了開口振蕩頻率測試研究。張翰欽等[12]對水下開孔結構流激振蕩特性進行了自浮模型試驗及數值分析，并對Rossiter經驗公式進行了修正。但這些研究大多集中在單個開孔及空腔的流動激勵及噪聲特性，對目前水下航行體較為青睞的孔群，其流動激勵及流激噪聲鮮有研究，在工程設計中缺乏指導依據。

本文借助自航模試驗平臺，開展了孔群主要參數如開孔形式、尺寸等對流激噪聲影響的試驗研究，獲得了孔群流動激勵特性，對比分析了孔群開孔形式、尺寸等對流激噪聲的影響程度，可為孔群流動激勵優化設計提供指導意義。

1 試驗說明

1.1 試驗平臺

為了研究不同孔群形式對流激噪聲的影響，借助無人自航模型，如圖1所示。在其突出腔體側面通過換裝不同孔群方案模型，開展流激噪聲試驗。在自主研發的控制系統下，該自航模型的速度、姿態、深度等控制效果良好，可較好滿足開孔流激噪聲試驗的定速、直航、定深等相關要求。

圖1 自航模型示意圖Fig. 1 Diagram of the self-navigation model

1.2 試驗方案

試驗共設計了3種孔群試驗方案，如圖2所示。方案1為長圓孔孔群，單個長圓孔尺寸為100 mm（寬）×200 mm（長），總共8個，按照4列分布；方案2為圓孔孔群，單個圓孔直徑為120 mm，總共14個，按照4列分布；方案3相對方案2，單個圓孔直徑減小為60 mm，總共51個，按照10列分布。方案1～方案3的開孔總面積、開孔板厚、模型材料等均一致，通過對比試驗，研究孔群的單個開孔形式、尺寸等對流激噪聲影響，并與無孔狀態進行對比，分析孔群對流激噪聲的影響程度。

圖2 不同孔群試驗方案及模型Fig. 2 Different experiment schemes and models of the hole groups

在湖試條件下，借助自航模型進行表1中各個工況脈動壓力及自噪聲測量，分別開展無孔方案、方案1～方案3在來流速度為5.14 m/s工況下的流激噪聲試驗。

表1 試驗工況Tab. 1 Experiment Conditions

脈動壓力傳感器及自噪聲水聽器安裝位置如圖3所示。脈動壓力測試共4個測點，采用WM106B50微型脈動壓力傳感器測量脈動壓力，脈動壓力傳感器安裝時，測壓表面與開孔板表面齊平。在自航模型突出腔體內部布置1個自噪聲測點，采用BK8103水聽器測量自噪聲。

圖3 傳感器布置圖Fig. 3 Layout of sensors

2 試驗分析

2.1 孔群與無孔狀態流激噪聲對比

圖4 給出了孔群方案1各個脈動壓力測點的頻譜對比。可以看出，測點3#、測點4#脈動壓力頻譜基本相似，而測點1#、測點2#脈動壓力基本相似，表明孔群在垂直于來流方向的各個單孔之間流動干擾較小。測點3#、測點4#脈動壓力明顯大于測點1#、測點2#脈動壓力，孔群方案1脈動壓力分布數值結果也體現了同樣的規律（見圖5），即明孔群前部開孔區域脈動壓力比后部開孔區域明顯大得多。

圖4 方案1各個測點脈動壓力頻譜對比Fig. 4 Comparison of fluctuating pressure spectrum at each measuring point of Scheme 1

圖5 方案1脈動壓力分布云圖數值結果Fig. 5 Numerical results of fluctuating pressure distribution nephogram of Scheme 1

圖6 給出了2個方案的自噪聲線譜對比。可以看出：孔群方案1主要導致10～50 Hz頻率范圍內噪聲增大，且存在17.5 Hz，48.5 Hz特征線譜。

圖6 方案1與無孔狀態自噪聲線譜對比Fig. 6 Comparison of self-noise line spectrum between Scheme 1 and non-hole state

分析孔群方案1各個測點脈動壓力，發現3#和4#測點（單列長圓孔后方）的脈動壓力存在17.5 Hz特征線譜（見圖7），結合經驗公式估算方法，估算100 mm×200 mm長圓孔在來流速度5.14 m/s下孔口自持振蕩頻率約為18.5 Hz，試驗結果與之較為吻合。自噪聲中17.5 Hz特征譜應為孔口自持振蕩流動激勵所致。

圖7 方案1與無孔狀態脈動壓力線譜對比Fig. 7 Comparison of fluctuating pressure line spectrum between Scheme 1 and non-hole state

2.2 孔群單孔形式對流激噪聲影響分析

圖8 給出了孔群方案1（長圓孔100 mm×200 mm）和孔群方案2（圓孔?120 mm）在來流速度5.14 m/s下自噪聲線譜對比。可以看出：相對孔群方案1，孔群方案2自噪聲有一定程度降低；孔群方案2存在15 Hz低頻線譜，相對孔群方案1幅值降低約2 dB，在其他頻率段無明顯特征線譜。

圖8 方案1與方案2自噪聲線譜對比Fig. 8 Comparison of self-noise line spectrum between Scheme 1 and Scheme 2

分析孔群方案2在來流速度5.14 m/s下各個測點脈動壓力，發現3#和4#測點的脈動壓力存在特征線譜，頻率為15 Hz（見圖9），結合經驗公式估算方法，估算圓孔?120 mm在航速10 kn下孔口自持振蕩頻率約為16 Hz，試驗結果與之較為吻合。孔群方案2出現的自噪聲低頻特征線譜也是由孔口自持振蕩流動激勵所致。

圖9 方案1與方案2脈動壓力線譜對比Fig. 9 Comparison of fluctuating pressure line spectrum between Scheme 1 and Scheme 2

根據試驗結果分析，表明在相同開孔面積下，相比于長圓孔100 mm×200 mm，圓孔?120 mm在一定程度上可以改善孔群自持振蕩流動激勵，進而抑制流激噪聲。

2.3 孔群單孔尺寸對流激噪聲影響分析

圖10 給出了孔群方案2（圓孔?120 mm）和孔群方案3（圓孔?60 mm）在來流速度5.14 m/s下自噪聲線譜對比。相比孔群方案2，孔群方案3自噪聲在10～30 Hz頻帶內降低了2～12 dB，低頻線譜已不明顯。分析孔群方案3在來流速度5.14 m/s下各個測點脈動壓力，發現各個測點的脈動壓力均不存在明顯特征線譜（見圖11）。