轴对称直喷管的水下射流噪声特性数值模拟与实验验证

郉军华，尚大晶，张成，苗天丞

1中国舰船研究设计中心船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064 2哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001

轴对称直喷管的水下射流噪声特性数值模拟与实验验证

郉军华1，尚大晶2，张成1，苗天丞1

1中国舰船研究设计中心船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064 2哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001

［目的］为研究水下射流噪声特性，［方法］应用Lighthill声类比计算轴对称直喷管的自由射流声场特性，借助FLUENT仿真软件并采用大涡模拟法计算该直喷管的水下射流流场，最后基于混响法进行实验验证。［结果］结果表明：稳态射流流场的核心区长度与流速无关，核心区长度约为喷管直径的8倍；射流噪声辐射功率与流速的8次幂成正比；不同流速下的射流噪声功率谱在低频段的差异较大，在高频段的差异则显著减小，且辐射噪声能量主要集中在低频段，但流速增加后射流噪声的主要贡献将向高频段移动。［结论］在射流噪声计算仿真方面，将大涡模拟法和Lighthill声类比相结合是一种有效的分析手段。

轴对称直喷管；射流噪声；混响法

0 引 言

水下辐射噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪声及流噪声构成。根据Lighthill推导的U8定律，随着流体运动速度的增加，相应的辐射声功率会迅速提高，流噪声将变成主要的辐射噪声源［1］。目前，水下射流噪声机理的研究还停留在Lighthill声模拟理论层面，缺乏完善的测量设施及测量方法，所以有必要进行深入研究。

在湍流数值模拟研究方面，覃文洁等［2］研究了近壁面网格尺寸对湍流计算的影响。Bensow等［3］采用大涡模拟法研究了2型潜艇的绕流流场，并对大涡模拟法的计算有效性进行了实验验证。

在射流噪声研究方面，Stanley等［4］采用直接数值模拟研究了低雷诺数条件下平面射流涡的结构及演变过程，并通过实验揭示了剪切层的形成和发展过程，得出射流流场结构中大尺度涡为各向异性，而小尺度涡则为各向同性。裴曦等［5］采用CFD技术结合Lighthill声类比，发现共轴喷管的次级结构将导致剪切层内的大尺度涡减小，且共轴喷管的高频段噪声明显低于单喷管。王春旭等［6］利用混响室方法开展了射流噪声试验研究，发现射流噪声辐射功率随着压头下降而降低，且向高频段移动。王兴等［7］等通过计算不同喷嘴的射流噪声，发现收缩喷管的涡流强度高于环形喷管，并通过实验验证了喷管结构对喷管辐射噪声的影响较大。Tam等［8］通过分析NASA兰利研究中心的射流噪声实验室数据库，发现喷管射流的频谱结构具有相似性，该结论适用于超音速和亚音速射流，以及矩形射流和椭圆形射流。

目前，轴对称直喷管的流场特性和声场特性方面的研究较少。本文将针对轴对称直喷管的射流噪声特性开展数值计算和实验验证，总结水下射流的流场及声场分布规律。

1 Lighthill声类比

Lighthill微分方程是Lighthill声类比理论的出发点，基于N-S方程和连续性方程推导的Lighthill微分方程可以将流场和声场结合在一起，同时方程的非齐次项可以解释为体声源项。Lighthill微分方程的推导过程如下。

连续性方程：

式（1）和式（2）中：ρ为流体密度；t为时间；xi和 xj（i，j=1，2，3）为三维笛卡尔坐标系下的方向坐标；ui和uj为流体的速度分量；Pij为流体压强。

对式（1）求时间的偏导数，得

对式（2）求散度，得

式（3）减式（4），得

式中，Tij为应力张量。

上述式中的物理量均为瞬时值，即脉动分量和稳态值之和。对每个物理量进行如下声学假设：流体力学中的物理量ρ可以采用与时间无关的稳态数值 ρ0和脉动的声学数值 ρ'之和来表示，即 ρ=ρ0+ρ'。

基于上述假设，考虑式（6）中的脉动量成分，所得的微分方程即为Lighthill方程

假设应力与应变的关系为线性，同时忽略环境量的变化，由式（7）得到流场与声场的关系方程

2 数值计算

2.1 基于CFD的流场分析

本文拟借助FLUENT软件，采用大涡模拟法（LES），建立纵截面尺寸为360 mm×600 mm的流体域以得到时均化的真实流场，其中喷嘴直径为10 mm。入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，其余采用非滑移壁面边界条件。在网格划分阶段对喷嘴及其附近区域的网格分块进行加密。划分的网格数为8.73×106，最大skewness系数为0.6，Aspect Ratio为30。具体流场网格划分情况如图1所示。

图1 流体域网格模型Fig.1 Fluid domain model

图2所示为喷管入口速度在v=5，10，15 m/s时的稳态流场速度云图。图2中时均化流场的结构较为明显，红色区域为射流核心区。核心区长度约为80 mm，即喷管直径的8倍，该结果与文献［9］相符。这表明在一定范围内，射流核心区长度与喷嘴速度无关。

瞬态流场稳定后的数据可用于声场计算，设时间步长为2×10-4s，选用Ensight格式，保存间隔为每一时间步保存一次。

2.2 声场仿真结果与分析

计算域分为3部分：体声源区、声传播区和无限元边界，如图3所示。体声源区即为CFD计算的流场区域，声传播区和体声源区均为水介质。

图2 不同速度的稳态流场速度云图Fig.2 Steady flow velocity contours at different velocities

图3 声场计算域示意图Fig.3 Schematic diagram of sound field calculation

为保证声波精度，需在一个波长尺度内至少填充6个网格，这将大辐增加声场计算的计算量。同时，还将导致流场计算网格节点与声场计算网格不匹配。为开展声场计算，需将流场计算结果插值到体声源区。

声场计算的基本思路如图4所示。

图4 声场计算流程图Fig.4 Flow chart of sound field calculation

根据流场瞬态计算的时间步长和保存间隔，可知声场计算所得的最大有效频率为2.5 kHz，频率分辨率为10 Hz。基于CFD流场的计算结果，喷管入口流速为15 m/s时不同频率下的声压场云图如图5所示。

图5 入口速度为15 m/s的声压场云图Fig.5 The sound pressure contours of inlet velocity of 15 m/s

由图5可知，流体域中的噪声主要来自充分发展区，且随着频率的升高，声压级呈下降趋势，同时声压场的指向性变差。这是由于射流流场结构中的大尺度涡为各向异性，而小尺度涡为各向同性所致。而大尺度涡与低频噪声的产生有关，小尺度涡则与高频噪声有关。

Lighthill利用量纲分析推导了著名的U8定律，即在喷注速度较低时湍流喷注噪声辐射功率与喷注速度的8次幂成正比。图6所示为v=5，10，15 m/s的辐射噪声功率谱（0～2 kHz），可知随着频率升高，辐射噪声功率谱呈现下降趋势。随着流速的增加，射流噪声的主要贡献向高频移动，即大尺度涡的比例减少，小尺度涡的比例增加。图6中，总辐射噪声功率（OSWL）根据辐射功率谱计算所得，可知总辐射噪声功率与流速成正比。

图6 不同流速的辐射噪声功率谱Fig.6 Radiated noise power spectrum at different velocities

图7所示为总辐射噪声功率与流速的关系曲线。由图7可知，射流噪声的总辐射噪声功率数值计算结果与U8定律基本符合，即从理论上验证了辐射噪声功率计算方法的准确性。

图7 总辐射噪声功率的计算值与理论值对比Fig.7 Comparison between numerical results and theoretical values of OSWL

3 水下射流噪声测量实验

喷管射流噪声的测量实验在9 m×3 m×1.8 m的混响水箱中进行，采用混响法［10］进行测量，声源级为

式中：〈Lp〉为混响控制区内的平均声压级；10×lgR为混响场测量结果的修正量。

其中，

式中：V为混响水箱内容积；S为混响水箱内壁面积；c0为水中声速；混响水箱的混响时间T60=200 ms。

因此，只要测量出混响场的平均声压级并加以修正即可得到声源的声源级。

3.1 实验概况

实验采用的射流装置由重力式水洞上水箱供水，采用钢丝软管引水至混响水箱，如图8所示。在混响水箱的静水区布置了4个标准水听器，采用空间平均技术测量10 mm口径直喷管在不同速度下的射流噪声信号。

图8 实验装置示意图Fig.8 Schematic diagram of device connection

3.2 实验结果

通过出水口阀门调节出水流速，分别测量不同流速下的射流噪声声压信号，实验结果如图9所示。

图9 不同流速下射流噪声声源级Fig.9 The results of flow noise source level at different velocities

通过对比射流噪声辐射特性的实验测量值与理论值（图10），可知二者基本一致，这说明了采用混响法测量射流噪声的有效性。

图10 总声源级的实验值与理论值对比Fig.10 Comparison between experimental results and theoretical values of sound source level

4 结论

针对水下射流噪声问题，采用大涡模拟法和Lighthill声类比结合的方式对射流流场和声场进行了数值模拟和实验验证。通过研究，得到如下结论：

1）稳态射流流场的核心区长度与流速无关，核心区长度约为喷管直径的8倍。

2）射流噪声辐射功率符合U8定律，即辐射功率与流速8次幂成正比。

3）不同流速下，辐射噪声功率谱在低频段的差异较大，而在高频段的差异则显著减小。辐射噪声能量主要集中在低频段，随着流速的增加，射流噪声的主要贡献向高频移动，即大尺度涡的比例减少，小尺度涡的比例增加。

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Numerical simulation and experimental validation of characteristics of jet noise from submerged axisymmetric nozzle

XING Junhua1，SHANG Dajing2，ZHANG Cheng1，MIAO Tiancheng1
1 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise，China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

［Objectives］In order to study the underwater jet noise characteristics，［Methods］the Lighthill acoustic analogy is carried out to compute the underwater free jet flow sound field characteristic of axisymmetric nozzle，with applying of FLUENT simulation software and large eddy simulation，the real flow field of submerged axisymmetric nozzle is simulated，and the jet noise is measured by the reverberation method.［Results］The results show that the core length of steady flow field is independent of flow rate，and the length is about 8 times the diameter of the nozzle.The radiation power of jet noise is proportional to the velocity of eight times.The power spectrum of jet noise is different with the flow velocity in the low frequency.In the high frequency，the difference is significantly reduced.The radiated noise energy is mainly concentrated in the low frequency.With the increase of flow velocity，the main contribution of jet noise moves to high frequency.［Conclusions］In terms of computing simulation of jet noise，the large eddy simulation and Lighthill acoustic analogy combined analysis is an effective means.

axisymmetric nozzle；jet noise；reverberation method

U661.1；TB561

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.008

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20171128.1119.036.html期刊网址：www.ship-research.com

郉军华，尚大晶，张成，等.轴对称直喷管的水下射流噪声特性数值模拟与实验验证［J］.中国舰船研究，2017，12（6）：49-53.

XING J H，SHANG D J，ZHANG C，et al.Numerical simulation and experimental validation of characteristics of jet noise from submerged axisymmetric nozzle［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（6）：49-53.

2017-04-02 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-11-28 11:19

邢军华（通信作者），男，1982年生，硕士，高级工程师。研究方向：船舶减振降噪。

E-mail：xjh0315@163.com

尚大晶，男，1968年生，副教授。研究方向：混响法水声测试。E-mail：shangdajing@hrbeu.edu.cn