帶流水孔潛艇流噪聲特性分析

鄔 明

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北宜昌 443003)

潛艇由于其自身運(yùn)動(dòng)方式和所處環(huán)境(工作位置多在水面一下)，在潛艇上層建筑等非耐壓非水密結(jié)構(gòu)上都開(kāi)設(shè)有一定數(shù)量的流水孔，以方便艇體的上浮和下潛。流水孔的開(kāi)設(shè)，在滿(mǎn)足潛艇實(shí)現(xiàn)上浮和下潛是比不可少的。但是流水孔的開(kāi)設(shè)對(duì)艇體阻力和水下的隱身性而言是不利的。張楠，沈泓萃等［1］針對(duì)潛體流水孔結(jié)構(gòu)精確仿真了流水孔的內(nèi)外流場(chǎng)特性;孟生、張宇文等［2］對(duì)不同流水孔潛艇的流噪聲特性進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

以SUBOFF 標(biāo)模為基礎(chǔ)，對(duì)不同流水孔配置條件下的艇體模型流噪聲進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析艇體流水孔流噪聲特性和相似規(guī)律。建立了艇體流水孔產(chǎn)生的噪聲的計(jì)算方法步驟;聲學(xué)計(jì)算模型中，近場(chǎng)采用聲直接模擬法求解，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲則在Lighthill 氣動(dòng)聲學(xué)理論基礎(chǔ)上開(kāi)展研究，分析了艇體流水孔誘發(fā)的流噪聲特性，針對(duì)流速、壓力，以及模型尺寸等因素分析艇體流水孔誘發(fā)的流噪聲相似規(guī)律。

1 控制方程

1.1 大渦數(shù)值模擬湍流模型

為了真實(shí)模擬脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面的微觀流場(chǎng)，同時(shí)有效地提取計(jì)算區(qū)域中的噪聲值，在非定常的噪聲計(jì)算中，采用湍流大渦數(shù)值模擬法(Large Eddy Simulation，LES)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［3］。

假定過(guò)濾過(guò)程和求導(dǎo)過(guò)程可以交換，將Navier-Stokes 方程作過(guò)濾，得到如下方程:

式(2)中τij稱(chēng)為湍流亞格子應(yīng)力，其表達(dá)式為

其中，上劃線代表經(jīng)過(guò)空間濾波的變量; ui為速度; p 為壓力;τij是一個(gè)由非線性項(xiàng)產(chǎn)生的未知量。以上各量均進(jìn)行了無(wú)因次化。

本文采用Smagorinsky 渦黏模型來(lái)?；瘉喐褡討?yīng)力，其張量的偏量部分為

式(4)中vt為渦黏系數(shù);Cs為Smagorinsky 常數(shù)，Δ 為濾波尺度，通常取0.1 ～0.23，Sij為經(jīng)過(guò)濾波后的速度變形張量，定義如下

1.2 聲學(xué)方程

利用廣義函數(shù)理論的強(qiáng)大技術(shù)，在Lighthill 理論基礎(chǔ)上發(fā)展的FW-H 方程［4］

其中壓應(yīng)力張量為

式(8)中:p 為遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓(p=p-p0);δ(f)為狄拉克函數(shù);δij為克羅內(nèi)克符號(hào)，f 為壁面函數(shù);ui，un為來(lái)流速度在xi方向和垂直壁面方向的分量;a0為遠(yuǎn)場(chǎng)聲速;nj為單位法向矢量，由固體邊界指向流場(chǎng)。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

由于本文中所采用的LES 湍流模型對(duì)計(jì)算網(wǎng)格要求較高，同時(shí)，仿真計(jì)算所建模型為三維結(jié)構(gòu)，并且流水孔噪聲計(jì)算的特殊要求(流水孔內(nèi)的網(wǎng)格足夠密，才能有效地反映微觀流場(chǎng))，以上這些要求必然帶來(lái)巨大的網(wǎng)格量和計(jì)算量。綜合考慮以上因素，帶流水孔艇體流噪聲研究的網(wǎng)格模型主要采用了以下策略:

1)在流水孔內(nèi)部及其周?chē)?，網(wǎng)格應(yīng)劃分得足夠小，以捕捉流場(chǎng)的特征;

2)在流水孔的徑向，靠近流水孔的地方，網(wǎng)格劃分要緊密，以充分反映湍流邊界層內(nèi)的流動(dòng);

3)在流水孔較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格可劃分得較為稀疏，以減少總體的網(wǎng)格數(shù)量。

4)分塊技術(shù)，將整個(gè)模型分為3 部分以方便建模。

5)采用網(wǎng)格接口技術(shù)，使各部分之間的網(wǎng)格可以獨(dú)立生成互不影響。

具體的幾何模型見(jiàn)圖1 和網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

3 計(jì)算條件設(shè)置

求解器:三維隱式離散定常及非定常求解。由于流場(chǎng)引發(fā)的噪聲為寬頻噪聲，且在10 ～40 k 的高頻段具有較高聲級(jí)，足以給聲納的正常工作帶來(lái)干擾。因此本文所取分析頻段為100 ～40 000 Hz，而一個(gè)時(shí)間序列做快速傅立葉變換(FFT)時(shí)的最高頻率為1/(2Δt)，以此得最小時(shí)間步長(zhǎng)公式Δtmin=(2fmax)-1，并計(jì)算得非定常求解時(shí)間步長(zhǎng)為1.25 ×10-5s;

計(jì)算介質(zhì):水，密度:998.2 kg/m3，黏性:0.001 003 Pa·s;

方程離散方法:壓力修正法采用SIMPLEC 方法，參數(shù)離散采用二階精度的迎風(fēng)格式;

收斂標(biāo)準(zhǔn):連續(xù)方程1e-7，其他1e -8;聲參考量:聲傳播速度v=1 520 m/s，基準(zhǔn)聲壓值p0=1 ×10-6Pa。

4 聲接受點(diǎn)的選擇

潛艇流水孔的噪聲特性主要與流速、開(kāi)孔的形式、開(kāi)孔大小有關(guān)。其流噪聲對(duì)艇體的主要影響可以分為兩個(gè)方面:對(duì)艇體自身聲納系統(tǒng)的影響(自噪聲);對(duì)艇體隱身性能的影響(輻射噪聲)。所以在選取聲接受點(diǎn)的時(shí)候首先要考慮能夠測(cè)出艇體聲納系統(tǒng)位置的噪聲，第二是要根據(jù)流水孔的分布情況，選取相對(duì)個(gè)噪聲源(流水孔)的距離、角度等相對(duì)公平的位置。第三選取的聲接受點(diǎn)應(yīng)盡可能的與試驗(yàn)的水聽(tīng)器位置相同，如圖3 所示。數(shù)據(jù)模擬位置如表1 所示。

圖3 聲接受點(diǎn)示意圖

表1 數(shù)值模擬中8 個(gè)水聽(tīng)器的位置

5 流水孔噪聲級(jí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖4 ～圖7 給出了4 種開(kāi)孔模型在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流噪聲對(duì)比。從流水孔的形狀對(duì)流噪聲的影響規(guī)律來(lái)看，底部孔的特征為大型方孔帶柵狀隔板，其中隔板的后略角度為30°。上部孔的為兩排縱縫帶柵狀隔板的流水孔?，F(xiàn)在不考慮面積，單從孔的形式來(lái)說(shuō)，底部開(kāi)孔的噪聲要比縱縫的大。在計(jì)算結(jié)果的水聽(tīng)器位置2、3、4、8 的聲壓信號(hào)圖中可知，底部孔在頻率30 ～60 kHz 范圍內(nèi)的聲壓值均是最高的; 所以從這一點(diǎn)來(lái)看計(jì)算的結(jié)果使合理的。

帶全孔時(shí)噪聲的結(jié)果為混響結(jié)果，從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看混響的最終結(jié)果不是帶個(gè)噪聲源的簡(jiǎn)單疊加，所以上面圖中的結(jié)果全孔時(shí)的噪聲級(jí)在很大頻域內(nèi)小于縱縫和底部孔是可能的，如圖4 ～圖7。其中在圖5 和圖7 的某些頻段內(nèi)甚至低于光體的噪聲級(jí)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的資料［5］，如圖8 所示，文章計(jì)算得到的結(jié)果與其在量級(jí)上是一致的。

圖4 rec1(0，0，0)

圖5 rec3(0，0.15 m，0)

圖6 rec4(0，0.4 m，0)

圖7 rec8(0.34，0.0 m，0.34)

圖8 相關(guān)文獻(xiàn)資料圖

水聽(tīng)器與聲源的相對(duì)位置對(duì)于聲源特性分析是有影響的:如果要區(qū)別幾個(gè)聲源的不同特性，就要使水聽(tīng)器的位置與這幾個(gè)聲源的相對(duì)位置(距離，角度)要相當(dāng)。如此次計(jì)算中的水聽(tīng)器1 的位置就不是理想的檢測(cè)點(diǎn);水聽(tīng)器2 的位置也是此次試驗(yàn)中預(yù)設(shè)用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，僅能區(qū)分出底部橫向孔和縱縫式開(kāi)孔的差別，其效果也不是很理想;水聽(tīng)器3 是預(yù)測(cè)的光體模型的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置，其距離開(kāi)孔位置已經(jīng)較近，但是距離各聲源的距離仍然是有差異的。其測(cè)試結(jié)果變現(xiàn)為，在0 ～10 kHz 與30 ～60 kHz 范圍內(nèi)的規(guī)律是不相同的。水聽(tīng)器4 處在縱縫式噪聲源的中心，在底部孔噪聲源的靠后部分，相對(duì)光體而言是在噪聲源的后半部。所以其在縱縫和全孔模型中計(jì)算的結(jié)果是全頻率方位內(nèi)均保持一個(gè)較高的值。Rec8(水聽(tīng)器8)對(duì)幾個(gè)聲源而言是相對(duì)公平的，其測(cè)試結(jié)果的頻譜圖中可以看出其噪聲級(jí)的變化是較為豐富的，主要表現(xiàn)在中心頻率為30 kHz，48 kHz 58 kHz 98 kHz，帶寬在5 kHz 左右的區(qū)域。底部孔的噪聲級(jí)比縱縫式的高，有孔的比沒(méi)孔的高; 全孔的由于混響的影響在特定頻率下，噪聲級(jí)反而低;在高頻區(qū)是不開(kāi)孔的最低。

6 噪聲數(shù)值計(jì)算的流場(chǎng)云圖

計(jì)算用的是三維模型，為了便于觀察流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，以下均為切片云圖，如圖9 ～圖14 所示。

圖9 速度分布圖(切片的z 向坐標(biāo)為0)

圖10 流水孔部位的流場(chǎng)分布云度

圖11 縱縫處的速度分布云度

圖12 壓力云圖(Z 向坐標(biāo)為0.02 m)

圖13 速度矢量圖(Z 向坐標(biāo)為0.02 m)

圖14 速度矢量局部放大圖(Z 向坐標(biāo)為0.02 m)

7 結(jié)論

從阻力的預(yù)測(cè)情況來(lái)看，光體的阻力最小，其次為底部開(kāi)孔的阻力，再次為縱縫開(kāi)孔的阻力，全孔時(shí)的阻力最大，是符合常理的。(另外要縱縫開(kāi)孔面積為0.003 35 m2，底部開(kāi)孔的面積為0.001 46 m2); 從開(kāi)孔形式對(duì)噪聲的影響來(lái)看，縱縫的噪聲小于底部橫向開(kāi)孔的噪聲;也是符合規(guī)律的?；祉憣?duì)噪聲是有影響的，規(guī)律有待進(jìn)一步的研究; 從切片的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖來(lái)看，計(jì)算結(jié)果反映了開(kāi)孔后流體的細(xì)微流動(dòng)，能明顯的看到漩渦和加厚的湍流層。

［1］張楠，沈泓萃.帶流水孔潛體流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.船舶力學(xué)，2004，8(1):1-11.

［2］孟生，張宇文.潛艇流水孔流噪聲特性研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(7):57-62.

［3］張楠.潛艇粘性阻力數(shù)值計(jì)算方法研究［R］.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，2003.

［4］王獻(xiàn)孚劉應(yīng)中.計(jì)算船舶流體力學(xué)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1992.

［5］許鴻生，沈泓萃.潛艇施工設(shè)計(jì)階段模型快速性試驗(yàn)報(bào)告(水下航行狀態(tài))［R］.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，1993.

［6］孫乃偉，孫玉東. 艇流水孔模型噪聲和阻力試驗(yàn)研究［R］.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，1999.