变周期减摇水舱控制与仿真-孙宝国谢广东

第7卷中国舰船研究0引言噪声预报是舰船声学设计过程的一个重要环节，它是选用减振降噪措施及确定其技术指标的重要依据［1］。螺旋桨噪声是舰船三大噪声源之一，根据螺旋桨噪声产生的机理，可以分为桨叶振动噪声、流噪声和空泡噪声。本文将预测并分析亚音速下的螺旋桨流噪声的来源及辐射特性。螺旋桨流噪声对于舰艇的辐射噪声贡献并不大，但它是影响声呐信噪比的重要因素。流噪声可增加声呐的背景噪声，掩盖来自远距离目标声信号的接收。因此，预测、分析螺旋桨近场流噪声具有重要意义。预测螺旋桨流噪声的方法一般分两步：首先第7卷第5期2012年10月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearchVol.7No.5Oct.2012doi：10.3969/j.issn.1673－3185.2012.05.003螺旋桨低频流噪声模拟方法研究龚京风张文平明平剑宣领宽哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对DTMBP4119螺旋桨在进速比为0.833时的流噪声进行研究，探讨螺旋桨低频流噪声数值模拟方法。首先采用大涡模拟方法模拟螺旋桨的非稳态流场，然后求解K-FWH方程预测低频流噪声。将计算得到的推力系数和扭矩系数与实验值比较，验证流场模拟的正确性。从流场仿真结果可以看出，螺旋桨表面存在连续的涡脱落现象。声场计算的结果表明：离散噪声远大于宽带噪声；宽带噪声主要由螺旋桨表面的涡脱落引起，宽带噪声引起螺旋桨近场总声压级的周向波动；在同一半径处总声压级沿轴向逐渐减小，在同一平面内总声压级沿径向先增加后减小。关键词：螺旋桨；大涡模拟；水动力特性；低频流噪声中图分类号：U664.33文献标志码：A文章编号：1673－3185（2012）05－14－08NumericalAnalysisofthePropellerLowFrequencyFlow-NoiseGONGJing-fengZHANGWen-pingMINGPing-jianXUANLing-kuanSchoolofEnergyandPowerEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，ChinaAbstract：Inthispaper，thenumericalsimulationofthepropellerlowfrequencyflow-noisewasinvestigat⁃ed，andtheacousticfieldofpropellerDTMBP4119atanadvanceratioof0.833wasstudied.First，thetemporalflowfieldwassimulatedwiththeLarge-EddySimulation（LES）approach.Then，theK-FWH（Kirchhoff-FfowcsWilliamsandHawkings）equationsweresolvedtoobtainthelowfrequencyflow-noise.Bycomparingthethrustcoefficientsandthetorquecoefficientscalculatedwithexperimentaldata，thecor⁃rectnesspreviouslysimulatedtemporalflowfieldcouldbeverified.Itcouldbeobservedfromthesimulatedflowfieldthatcontinuousvortexsheddingdoesexistatthepropellersurface.Also，thecalculatedacousticfieldshowsthat（1）themagnitudeofdiscretenoisedominatesthatofbroadbandnoise；（2）thebroadbandnoiseismainlyinducedbythevortexsheddingphenomenonandisresponsibleforthecircumferencefluctu⁃ationofoverallSoundPressureLevel（SPL）inthenearregionofthepropeller；（3）theSPLatthesamera⁃diusdecreasesgraduallyalongtheaxialdirection，anditexperiencesaninitialincrease，followedbyade⁃creasesalongtheradialdirection.Keywords：propeller；Large-EddySimulation；hydrodynamiccharacteristics；lowfrequencyflow-noise收稿日期：2012－04－26基金项目：中国博士后科学基金资助项目（20100471016）作者简介：龚京风（1986－），女，博士研究生。研究方向：计算流体力学。E⁃mail：[e-mail]通信作者：龚京风。第5期由试验或数值方法获得螺旋桨的水动力性能；然后将得到的桨叶表面压力分布作为声源，计算其辐射声场［2-6］。第22届ITTC推进委员会（1998年）针对采用CFD方法研究螺旋桨水动力性能举办了专门的研讨会，认可了其可行性及可靠性。影响CFD方法预报精度的主要因素包括流场建模、网格划分及湍流模型的选取。由于螺旋桨空间几何结构复杂，需要采用大量的非结构化网格，为减少计算量，在保证求解精度的前提下可采用多块混合网格方法划分计算域［7］。目前，RANS系列湍流模型已被大量应用于螺旋桨水动力性能的预报［8-12］并得到了比较准确的定常水动力性能，而更为先进的大涡模拟（LES）方法的应用则相对较少［13］。RANS方法采用的是基于Reynolds平均得到的湍流模型，完全模拟湍流对流场的影响，会对湍流脉动产生抹平作用，很难给出螺旋桨表面的涡脱落及压力脉动的细致描述。LES方法则是采用基于过滤运算的亚格子模型模拟小尺度的脉动。由于流动边界对于小尺度脉动的影响较小，亚格子模型比RANS系列湍流模型具有更广泛的适用性。当需要流场模拟提供非稳态信息进行声场计算时，湍流脉动的描述显得尤为重要。非稳态RANS方法对于边界条件的不稳定可以进行很好的描述，但是对非稳态源来自于内部流场的模拟则很难给出正确的结果［14］。螺旋桨在水流中作旋转前进运动，会对流体产生强烈的扰动作用，属于运动固体壁面声产生和声传播的问题。流动与流噪声本质上不能分开，流动引起声，声又被流动散射，这两个过程相互作用或耦合。利用莱特希尔（Lighthill）提出的声类比理论可以将声场计算与流场计算结合在一起［15-16］。到目前为止，研究运动物体发声问题时使用最广泛的是FW-H和K-FWH方程。将LES与Lighthill声类比理论结合起来，可以成功预测流噪声［17-19］，但现有文献中缺乏在螺旋桨流噪声预测中的应用。本文采用FLUENT软件，对DTMBP4119螺旋桨在敞水中的水动力特性和流噪声进行数值模拟，并重点分析流噪声的来源及近场辐射特性。首先用RANS方法获得稳态流场，然后采用LES方法对湍流脉动进行更细致的模拟，并由此得到K-FWH方程的源项从而求解螺旋桨流噪声。将数值模拟得到的螺旋桨推力系数和扭矩系数与实验结果进行比较，验证流场模拟的准确性。由声场模拟结果得到流噪声周向和径向分布特性，分析螺旋桨与流体的相互作用对流噪声的影响。1数值模拟1.1几何模型标准桨DTMBP4119是三叶桨，直径D＝304.8mm，转速n＝600r/min，毂径比为0.2，无侧斜无纵倾。考虑桨的敞水性能，整个计算域是与螺旋桨同轴的圆柱体，其几何尺寸如表1所示。表1中计算域的描述都是以螺旋桨中心为原点，桨轴与x轴重合。本文采用LES方法计算非定常流场，而多数文献介绍的研究中则采用RANS方法。为了获得足够的湍流信息，在划分计算域时选取了较小的网格尺寸，网格总数约为多数文献的2倍。由于网格质量对计算的收敛性和精度有很大影响，在划分计算域时充分考虑流场中物理量的分布特点。将求解域进行多次划分，从而细化螺旋桨近场网格，如图1所示。同时，尽可能采用结构化/半结构化（棱柱）网格划分外围流场。在螺旋桨下游，网格尺寸均匀过渡，尽量保持由螺旋桨传递过来的非稳态信息。螺旋桨表面及近场区域网格划分如图2所示。图1计算域分区示意图Fig.1Schematicdrawingofthecomputationaldomain静止区域旋转区域2.5DDyzx1.05D2D5D表1计算域及网格数量Tab.1Computationaldomainandthegridsize不同文献采用的湍流模拟方法文献［9］，RANS文献［12］，RANS文献［13］，LES本文，LES进出口位置（-6D，10D）（-2.5D，3D）—（-5D，10D）计算域直径12D4D—5D网格总数/万个1121827836图2桨叶表面及旋转区域网格Fig.2Computationalgridsonthesurfaceofthepropellerandintherotationalregionyzxxy龚京风等：螺旋桨低频流噪声模拟方法研究15第7卷中国舰船研究1.2数学模型1.2.1湍流模型首先选用标准k-ε湍流模型，由RANS方法计算得到稳态流场，然后将得到的结果作为LES的初始场进行非稳态计算。在本次研究中，仅对LES方法进行详细论述。LES通过空间过滤运算将物理量分解为大尺度（可解量）和小尺度（不可解量）两部分，小尺度量对大尺度量的影响通过亚格子模型模拟。采用有限体积法离散方程，在每个网格单元对微分控制方程进行积分运算的过程相当于进行空间过滤，使得过滤器不显式地出现在方程中。采用Boussinesq提出的涡粘假设表示亚格子应力τij，从而最终求解的LES控制方程与RANS控制方程基本一致：¶uˉi¶xi=0（1）¶ρuˉi¶t+¶ρuˉiuˉj¶xj=-¶pˉ¶xi+¶¶xjéëêêùûúúμæèççöø÷÷¶uˉi¶xj+¶uˉj¶xi+¶τij¶xj（2）两种模拟方法的关键区别在于不封闭项τij的计算。选用Smagorinsky-Lilly亚格子模型，它由气象学家Smagorinsky于1963年提出，并由Lilly在1966年进行修正：τij-13τkk=-2μtSˉij（3）μt=ρl2s()SˉijSˉij1/2（4）式中，应变率Sˉij=12æèççöø÷÷¶uˉi¶xˉj+¶uˉj¶xˉi；长度尺度ls=min(κyCsΔ)。其中y为网格单元中心到最近壁面的距离；过滤尺度Δ=vol1/3，vol为单元体积；κ=0.42，为vonKarman常数；Cs取为0.1。1.2.2声学模型根据Lighthill声类比理论将声场计算与流场计算结合在一起：第1步是声的产生，由连续介质中的流动诱发，声源项通过LES计算获得；第2步是声在介质中的传播，通过求解K-FWH方程获得。1a20¶2p′¶t2-2p′=¶2¶xi¶xj[]TijH(f)-1¶xi{}[]Pijnj+ρui()un-vnδ()f+¶¶t{}[]ρ0vn+ρ()un-vnδ()f（5）方程中各项的含义见文献［15］。方程右端源项分别代表具有不同特性的声源：第1项为四极子源，主要由流体中的动量脉动率产生；第2项为偶极子源，主要由流体作用于桨叶表面的非定常力产生，如升力、阻力、随边涡的发放等等；第3项为单极子源，由有限厚度的桨叶周期性的旋转运动引起流体的密度变化产生。四极子噪声源只有当叶尖工作在跨音速和超音速条件下才显示出重要性。本文忽略四极子项，这种忽略对计算精度的影响很小。1.3边界条件采用滑移网格模型考虑螺旋桨的旋转运动。在网格划分时，用1个直径为2D，长度为2.5D的圆柱将计算域划分为旋转区域和静止区域两部分（图1），二者通过交界面上物理量的插