滑道入水流致噪聲數(shù)值模擬及抑制措施研究

黃黎慧 趙永振 寧小深 李福庚 王子斌 楊 衡*

(武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430065) (中國艦船研究設(shè)計(jì)中心2) 武漢 430064)

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院3) 哈爾濱 150001)

0 引 言

科考平臺[1]既可以用于海洋資源勘探，又能進(jìn)行海洋項(xiàng)目開發(fā)，是近年來海洋科學(xué)研究的重要助手．但考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性，科考平臺往往需要借助水下機(jī)器人[2]等物體完成信息采集等特殊任務(wù)．而物體入水抨擊必然會產(chǎn)生流致噪聲，影響信息收集的精確性．

針對水下流致噪聲的預(yù)報(bào)和控制，何祚鏞[3]介紹了船舶行業(yè)水下噪聲研究進(jìn)展概況，包括水下噪聲形成機(jī)理和預(yù)報(bào)方法，并提出將有源控制和復(fù)合有源結(jié)構(gòu)的理論用于大型結(jié)構(gòu)噪聲控制研究．李清等[4]基于URANS方法建立了艦船結(jié)構(gòu)有限元-流體聲學(xué)間接邊界元(FEM-IBEM)聲振耦合計(jì)算模型，分析了各類噪聲源輻射噪聲的指向特性和頻譜特性，證明了耦合聲場計(jì)算方法效率和精度更高．李生等[5]采用大渦模擬(LES)方法計(jì)算了表面開孔的非定常流場，分析了流場的非定常流頻譜特性，分析了增裝導(dǎo)流體和圓形擋板對噪聲的控制效果．耿冬寒等[6]利用LES計(jì)算空腔非定常流動的流場結(jié)果，基于FEM利用Lighthill聲類比方程進(jìn)行聲場求解，結(jié)果表明基頻值的預(yù)報(bào)結(jié)果與文獻(xiàn)基本一致．劉波等[7]結(jié)合FW-H方程,利用VOF方法與SST k-omega湍流模型,對不同球鼻首船型的噪聲進(jìn)行了預(yù)報(bào),對船體流噪聲的空間指向性、近遠(yuǎn)場分布特性進(jìn)行分析．結(jié)果表明：CFD技術(shù)可以用于模擬分析船舶的繞流場和流致發(fā)聲問題,能夠?yàn)榈驮肼暣w線型設(shè)計(jì)提供參考．王超等[8]為提高水下聲學(xué)滑翔機(jī)水下目標(biāo)檢測能力，定量分析了四種工況下的噪聲特性，并從優(yōu)化轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與控制策略、阻斷噪聲傳播途徑、電磁兼容性和聲學(xué)系統(tǒng)工作模式優(yōu)化5個(gè)方面進(jìn)行減振降噪，結(jié)果表明，對中高頻段噪聲降噪效果良好．

物體入水產(chǎn)生的流致噪聲具有非線性和瞬時(shí)性的特點(diǎn)，如何構(gòu)建質(zhì)量良好的聲學(xué)網(wǎng)格，準(zhǔn)確捕捉物體從科考平臺入水時(shí)的瞬時(shí)噪聲特性是研究的難點(diǎn)所在．文中基于DES建立了物體由滑道滑動入水的數(shù)值模型，結(jié)合FW-H模塊進(jìn)行聲場求解，分析了物體由滑道入水時(shí)的噪聲特性，并給出了滑道截面面積優(yōu)化和增加空腔的抑噪措施．

1 數(shù)值原理

1.1 流體湍流模型

流體求解基于分離渦模擬(DES)，采用精度較高的SST k-omega二方程湍流模型，其基本方程為

Pk-β′ρkω

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能；ω為湍流比耗散率；U為流速；F1為混合函數(shù)；μ為黏性系數(shù);μt為渦黏性系數(shù)；Pk為湍流生成項(xiàng)．

1.2 聲學(xué)控制方程

Lighthill考慮的模型為：在無限大的均勻、靜態(tài)聲介質(zhì)中包含一個(gè)有限的湍流運(yùn)動區(qū)域V，因此與流動有關(guān)的聲源都集中在該區(qū)域內(nèi)．在區(qū)域V外，遠(yuǎn)離湍流區(qū)域的流體中密度的波動和聲波相似，因此整理連續(xù)方程和動量方程，簡化得到遠(yuǎn)離湍流區(qū)域流體中的勻質(zhì)聲學(xué)波動方程：

(3)

式中：c0為等熵條件下的聲速值；ρ′=ρ-ρ0，ρ與ρ′分別是擾動與未擾動時(shí)的流體密度．

Curle在Lighthill聲學(xué)類比理論的基礎(chǔ)上考慮了一個(gè)自由空間V內(nèi)存在有表面積的固壁面的情況，類似Lighthill的做法，現(xiàn)考慮一外體積為V(τ)，包圍體積的表面積為S(τ)且運(yùn)動速度為V的運(yùn)動物體的發(fā)聲問題．為

(4)

式(4)多了壓力項(xiàng)的影響，利用積分及格林函數(shù)的性質(zhì)，可以消去中括號中的幾項(xiàng)．于是得到

(5)

對上式做緊致聲源等一系列假定，可以去掉時(shí)間項(xiàng) 的影響，于是上式可以整理為一個(gè)更為普遍的解

(6)

式中：x和y分別為接收點(diǎn)和聲源點(diǎn)的坐標(biāo)向量；|r|=|x-y|為兩點(diǎn)之間的距離向量；|r|/c0為遲滯時(shí)間；t為聲音從源點(diǎn)輻射到接收點(diǎn)的時(shí)間；nj為固體邊界表面向外的方向余弦．

2 計(jì)算域設(shè)置

2.1 幾何與邊界

滑道幾何模型見圖1，物體模型置于滑道正中央，模型前端與滑道前端對齊，固定滑道角度為45°．定義特征長度L=100 mm，滑道內(nèi)徑寬度為4.4L、高度為5.6L，滑塊為長方體，截面尺寸為3L×3L．

圖1 滑道模型

模型的運(yùn)動為整體的沿著滑道向下滑動，針對模型的運(yùn)動設(shè)置計(jì)算域，計(jì)算域選擇長方體，計(jì)算域長50L、寬40L、高35L．計(jì)算域劃分結(jié)果見圖2，計(jì)算域包括滑道在內(nèi)的流體域、包括入水模型在內(nèi)的運(yùn)動域以及遠(yuǎn)場域．流體入口和出口分別設(shè)置為速度入口和壓力出口；周向四個(gè)流場界面均為對稱平面．

圖2 計(jì)算域劃分

2.2 網(wǎng)格劃分

水動噪聲計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置與聲波波長尺度相關(guān)，通常設(shè)置一個(gè)聲波波長包含6個(gè)網(wǎng)格長度時(shí)可以滿足對聲波的計(jì)算．聲波頻率越高波長越小，所需的網(wǎng)格尺度越?。疚木W(wǎng)格模型選擇切割體網(wǎng)格生成器、棱柱層網(wǎng)格生成器和表面重構(gòu)，整個(gè)流體域分成兩個(gè)部分，一部分是靜止的流體域，一部分是運(yùn)動區(qū)域，整體網(wǎng)格采用重疊網(wǎng)格方法，對運(yùn)動的處理選擇滑移網(wǎng)格，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺度設(shè)置為0.012 5 m，壁面Y+取值在10～30之間．網(wǎng)格分布見表1，靜止域網(wǎng)格數(shù)為475萬，運(yùn)動域網(wǎng)格數(shù)為44萬．網(wǎng)格劃分見圖3～4．

表1 網(wǎng)格分布

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格

圖4 滑道及入水模型局部網(wǎng)格

時(shí)間步長通過最大聲波求解頻率確定：

(7)

當(dāng)最大求解頻率為5 000 Hz時(shí)，可求得時(shí)間步長為1×10-4s．因此本文噪聲求解的時(shí)間步長為1×10-4s，對1～5 000 Hz范圍內(nèi)的聲波捕獲較為精準(zhǔn)．

3 物體入水噪聲特性

3.1 零流速下物體入水的噪聲特性

零流速工況指的是科考平臺不動時(shí)物體由滑道滑入靜水中．在流體域外設(shè)置24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，接收點(diǎn)位于平面y=0上，接收點(diǎn)1～24逆時(shí)針分布于半徑為10 m的圓周上，相鄰之間的角度為15°，編號順序見圖5．接收點(diǎn)6為船尾方向，接收點(diǎn)18為船首方向，用于噪聲測量．

圖5 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

選擇入水速度3 m/s模擬滑塊滑動入水，得到自由液面變化和滑塊受力曲線見圖6～7．由圖6～7可知：滑塊沿著滑道下滑的過程中，滑道液面保持水平，滑道內(nèi)的液面發(fā)生明顯下降，且在滑塊尾部產(chǎn)生了空泡．從滑塊的水動力載荷可以看出，隨著時(shí)間的增長，滑塊的受力逐漸增大，這是由于滑塊在做加速運(yùn)動，速度越來越大，直至滑塊完全入水，只受到流體阻尼作用，受力開始減小．

圖6 自由液面

圖7 水動力載荷及下沉量

待流場發(fā)展充分后，添加FW-H聲學(xué)模塊進(jìn)行噪聲計(jì)算，噪聲源主要為滑塊與滑道摩擦產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和滑塊入水產(chǎn)生的流噪聲．計(jì)算穩(wěn)定后，讀取監(jiān)測點(diǎn)的聲壓數(shù)據(jù)，得到噪聲時(shí)域曲線見圖8，將聲壓轉(zhuǎn)換成聲壓級，然后進(jìn)行傅里葉變換，將噪聲時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，再根據(jù)噪聲頻域值計(jì)算1/3倍頻程帶級，見圖9．1/3倍頻程譜級是在每1/3個(gè)倍頻程內(nèi)，噪聲的聲壓譜級，其中心頻率f0按ISO推薦頻率為(1.0 1.2 5 1.6 2.0 2.5 3.1 5 4.0 5.0 6.3 8.0) ×10 m Hz．由聲壓譜級計(jì)算1/3倍頻程譜級為

圖8 噪聲時(shí)域曲線，監(jiān)測點(diǎn)(-9.659 260-2.588 19)

(8)

總聲級是指整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的聲壓級，用來表征整個(gè)頻帶內(nèi)的噪聲水平，其表達(dá)式為

(9)

式中：f1、fh分別為頻率范圍上、下限頻率．

由式(7)計(jì)算得到總聲壓，制成各監(jiān)測點(diǎn)總聲級見表2，再借助origin軟件處理得到噪聲指向性圖，見圖9～10．剛開始監(jiān)測點(diǎn)壓力波動很小，隨時(shí)間增加壓力波動逐漸增大，這是因?yàn)榛瑝K在做加速運(yùn)動，速度越來越大．由圖9可知：物體入水過程的噪聲能量集中于低頻段，位于500～1 000 Hz，之后隨著頻率的增加，噪聲級逐漸減?。畧D11為滑塊的噪聲指向性圖，其中90°是尾部方向，270°是首部方向，可以看到科考平臺左舷和右舷方向噪聲較大，與潛艇噪聲[9]計(jì)算得出的8子型聲指向性規(guī)律類似，噪聲計(jì)算結(jié)果具有可信度．

表2 監(jiān)測點(diǎn)總聲級 單位：dB

圖9 噪聲頻域曲線

圖11 噪聲指向性

對物體入水噪聲結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化處理，選擇若干個(gè)典型的時(shí)刻進(jìn)行分析，根據(jù)滑塊的入水情況將這個(gè)過程分為:①頭部到達(dá)滑道口之前(某一時(shí)刻)；②頭部到達(dá)滑道口時(shí)刻(特定時(shí)刻)；③頭部脫離滑道口，尾部還未入水(某一時(shí)刻)；④尾部入水時(shí)刻(特定時(shí)刻)；⑤尾部已入水，但尾部到達(dá)滑道口之前(某一時(shí)刻)；⑥尾部到達(dá)滑道口(特定時(shí)刻)；⑦尾部脫離滑道口后(某一時(shí)刻)．計(jì)算得到不同時(shí)刻典型監(jiān)測點(diǎn)處的噪聲級見圖12.頭部到達(dá)滑道口之前的噪聲最小，這是由于在此階段滑塊速度較小，在后面的階段，速度較大，導(dǎo)致噪聲較大．

圖12 不同時(shí)刻典型監(jiān)測點(diǎn)總聲級

3.2 有流速時(shí)物體入水的噪聲特性

有流速工況指科考平臺不動時(shí)物體由滑道滑入具有一定流速的水流中，文中模擬了水流流速為0.651 m/s時(shí)物體滑動入水的過程．計(jì)算得到滑塊下滑入水過程的自由液面變化和受力曲線見圖13～14．由圖13可知：當(dāng)水流具有一定速度時(shí)，滑塊滑動入水過程，滑道內(nèi)自由液面明顯下降，滑塊尾部形成空泡，并且在滑道外氣液交界處自由液面發(fā)生振蕩．由圖14可知：滑塊運(yùn)動初始會因?yàn)樗鬟\(yùn)動影響受到一個(gè)較大的力，在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，受力逐漸增大至滑塊完全入水，然后受力開始減?。?/p>

圖13 自由液面

圖14 水動力載荷

入水過程的典型時(shí)刻見表3，待流場發(fā)展充分后，添加FW-H聲學(xué)模塊進(jìn)行噪聲計(jì)算，監(jiān)測遠(yuǎn)場中時(shí)域脈動壓力，并通過傅里葉變換分析噪聲頻域特性和噪聲指向性，結(jié)果見圖15．由圖15可知:模型頭部完全入水和尾部剛?cè)胨畷r(shí)刻其脈動壓力均產(chǎn)生較大波動，但頭部完全入水導(dǎo)致壓力增大，而尾部剛?cè)胨畡t是其所受壓力減小．產(chǎn)生噪聲峰值在255度左右即平臺首部附近．因此，產(chǎn)生較大噪聲和較大壓力波動的首部結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)考慮．

表3 運(yùn)動時(shí)刻表

圖15 有流速物體入水噪聲結(jié)果分析

4 噪聲抑制方法研究

4.1 截面面積優(yōu)化

為分析滑道截面面積對物體入水噪聲的影響，應(yīng)當(dāng)保持滑塊尺寸不變，選擇不同滑道尺寸進(jìn)行模擬．考慮到后續(xù)實(shí)際試驗(yàn)的影響，文中數(shù)值模擬保持滑道尺寸不變，只改變滑塊尺寸，進(jìn)行滑道截面面積變化對物體入水噪聲影響的等價(jià)分析．定義特征長度L=100 mm，初始工況case1滑塊截面為3L×3L，創(chuàng)建新工況case2，其滑塊截面為2.5L×2.5L，對應(yīng)滑道截面為5.28L×6.72L；新工況case3，其滑塊截面為2L×2L，對應(yīng)滑道截面最大為6.6L×8.4L．噪聲監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置不變，得到不同工況下典型監(jiān)測點(diǎn)6(尾部，迎著入水物體)、12(右舷)、18(首部，遠(yuǎn)離入水物體)和24(左舷)的總聲級見圖16．

圖16 不同工況典型監(jiān)測點(diǎn)總聲級

由圖16可知：4個(gè)噪聲監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果都是中截面積(case 2)的噪聲最?。@意味著對于相同尺度的入水物體，滑道存在一個(gè)噪聲最低的最佳截面積．對于本文所采用的三個(gè)滑道面積，當(dāng)物體尺寸統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為模型一(3L×3L)時(shí)，滑道截面積為case 2(5.28L×6.72L)時(shí)噪聲最小，可以認(rèn)為此時(shí)的滑道截面積為最佳截面積．此時(shí)，在右舷側(cè)監(jiān)測點(diǎn)(位置12)，噪聲降低最大幅值可達(dá)約9 dB．在其他監(jiān)測點(diǎn)，最佳截面積(case 2，5.28L×6.72L)比初始截面積(case1,4.4L×5.6L)和最大截面積(case3,6.6L×8.4L)降幅約為2 dB．

4.2 空腔消除

數(shù)值仿真為無空腔的長方體模型，中間沒有掏空．為分析空腔對物體滑動入水噪聲的影響，創(chuàng)建空腔模型，將長方體模型中間掏空兩個(gè)小長方體，兩小長方體之間間隔100 mm，小長方體與大長方體邊界距離為50 mm，空腔模型和打孔尺寸分別見圖17．

圖17 空腔模型示意圖和打孔尺寸

比較滑道有空腔和無空腔時(shí)物體滑動入水產(chǎn)生噪聲的指向性情況見圖18．由圖18可知，增加空腔雖然沒有改變噪聲的指向性，但噪聲總聲級明顯降低．進(jìn)一步對比典型監(jiān)測點(diǎn)6、12、18和24有空腔和無空腔時(shí)產(chǎn)生噪聲級的情況，見圖19．由圖19可知：采用平滑腔體可以有效抑制噪聲，在監(jiān)測點(diǎn)12處噪聲抑制的效果最好，最大噪聲降幅約為8 dB，最小噪聲降幅為0.9 dB，空腔消除的噪聲抑制效果平均約為3 dB．

圖18 有無空腔噪聲指向性對比

圖19 有無空腔典型監(jiān)測點(diǎn)總聲級

5 結(jié) 束 語

文中建立了物體由滑道入水的數(shù)值模型，計(jì)算并分析了物體滑動入水時(shí)產(chǎn)生的噪聲大小和噪聲指向性情況，給出并分析了噪聲抑制措施及其效果，對于完善水下噪聲抑制理論體系和提高實(shí)際科考平臺作業(yè)時(shí)信息收集的精確性具有重要意義．結(jié)果表明：物體由滑道滑動入水時(shí)產(chǎn)生的噪聲能量集中在低頻段；有流速噪聲級普遍大于零流速噪聲級，且有流速工況噪聲在平臺左舷和右舷方向較大，零流速工況噪聲在平臺首部右側(cè)附近較大；滑道截面面積優(yōu)化和增加空腔均能有效抑制物體入水產(chǎn)生的噪聲，前者降噪最大幅值約9 dB，后者降噪最大幅值約8 dB，且最佳降噪效果均位于平臺右舷方向．