锥形空化器空化噪声特性仿真研究*

2018-03-19王兆仁刘爱军

指挥控制与仿真 2018年1期

周炬, 赵军, 王兆仁, 刘爱军

(海军工程大学, 湖北武汉 433000)

利用超空泡减阻技术,实现水下航行器的超空泡航行,对于水中武器的发展具有重要意义。空化器是超空泡航行体的重要组成部分,目前国内外的研究和实验中主要以圆盘空化器和锥形空化器作为研究对象。同圆盘形空化器相比,锥形空化器的沾湿面积更大,能够安放更多的声自导基阵,大大提升了超高速水下航行器自导航行的可行性,锥形空化器具有一定攻角时,能够获得更大的控制力,使水下超高速航行体的自导航行成为可能,同时实时控制、噪声等问题是目前超空泡水下航行体亟需解决的问题[1]。

国外对于超空泡现象研究起步较早,Savchenko对超空泡物体运动的稳定性及控制超空泡流的几种方法做了深入研究[2],Anukul coel等人在水下超空泡航行器数学模型基础上,结合最优控制理论,通过线性化方法,将最优控制方法应用到航行器设计中,并取得了验证[3],Tulin M P.也曾对二维条件下细长体产生的稳定空泡流动展开了研究[4],Furuya O.则进一步对三维情形下的水翼自由液面空化现象进行了研究[5],西北工业大学的栗夫园通过实验研究了锥形空化器的水动力特性,对超空泡航行体的控制特性进行了分析[6],张木在研究了空化器参数对空泡初生成位置的影响[7],叶鹏程通过数值仿真对平头航行器和圆头航行器高速航行时空化噪声进行了研究[8],但都未对锥形空化器的噪声特性进行分析。总的来说,目前国内外对于具有锥形空化器的高速水下航行器的噪声特性分析较少,尤其当锥形空化器攻角达到一定值时,空化器背流面进入空泡区域时的噪声分析更是缺少研究,研究表明低速运动时以湍流噪声为主,物体高速运动时,空化噪声将占主导地位,湍流噪声是由流体雷诺应力辐射产生,空化噪声是由空泡破裂产生,空化噪声一般为连续线谱且声压级高[9],会影响水下高速航行体的自导精度,因此对带锥形空化器的超高速水下航行体的攻角及空化噪声研究对于实现水下超高速航行体的声自导航行具有重要意义。

本文为分析锥形空化器攻角对背流面空化情况影响及噪声特性,利用流体分析软件Fluent进行仿真实验,在大涡流模拟(LES),Schnerr-Sauer空化模型下,利用福茨、威廉姆、霍金斯方程(FW-H)对声场进行模拟,结合空泡固有振动频率计算公式,验证了仿真实验的正确性,探究了锥形空化器在几种不同攻角下的空化噪声特性,为超空泡航行体实现自导航行时的攻角大小设定提供了理论依据。

1 计算模型和计算域

从文献[10]研究来看,空化器锥角主要影响的是形成的空泡的形态,锥角太小的空化器产生空泡并不理想,而空泡半径越大,固有频率越低,锥角越小的空化器高频噪声越明显。结合文献所做研究,本文选取锥角为40°,底部直径d=20mm的锥形空化器作为研究对象。为满足空泡生成需要,参考文献[11]中仿真模型设置,速度入口距离空化器20d,速度出口距离空化器40d,满足空泡生成需要。由于仿真模型具有对称性,同时为减少网格数量,对于对称模型的一半进行仿真计算,同时将计算域划分为两部分,对靠近空化器附近区域采用非结构网格加密处理,外部采用结构网格进行划分，如图1。

计算域网格数量为160万,网格质量均大于0.35,满足仿真计算所需要的网格精度要求。设定速度入口处的流速为100m/s,仿真环境表压为294000Pa,由空化数定义计算得到该工况下的空化数为0.078,根据文献[12]所做研究,满足自然空化的形成条件,仿真环境条件设置合理。

由于声音在水中传播的速度较大,空化器的尺寸相对来说较小,为得到锥形空化器探测到的空化噪声,将监听器放置在空化器上原点位置,如图2所示。

2 计算原理

2.1 大涡模拟

湍流的特点是具有空间和时间尺度的涡流,Fluent中对湍流的处理方法主要有直接数值模拟(DNS)、雷诺平均数(RANS)和大涡模拟(LES),同另两种方法相比[13-14],LES在流噪声模拟中精度较高，因此本文选用大涡模拟对湍流进行处理。LES的原理其实是通过涡流大小尺度将涡流分离,大型涡流直接进行计算,对小涡流进行建模,LES的控制方程是在物理空间对Navier-Stokes方程进行过滤,滤波过程能有效地将涡流尺度小于计算中使用的滤波器宽度或栅格间距的涡流。

滤波后变量由下式划线变量表示:

(1)

式中，D表示流域,G是滤波涡流尺度大小的函数。

2.2 声场控制方程

水下航行器噪声分析主要需要得到噪声的总声压级和功率谱[15],Fluent提供了直接方法、声学类比积分方法和宽频噪声源模型三种方法进行噪声分析,由于直接法对于网格要求较高,宽屏噪声模型的计算结果精度相对较低,本文选取声学类比积分法(FW-H)进行噪声分析,Fluent在计算亚声速流动时没有考虑体积分,但这种忽略对计算精度影响非常小[16]。FW-h方程本质上是一个不均匀的波动方程,可以通过求解连续性方程和Navier-Stokes方程得出。 FW-H 控制方程为

(2)

式中，ui为xi方向上的流体速度分量,un为垂直于表面的流体速度分量,vi为方向上的表面速度分量,vn为垂直于表面的表面速度分量,δ(f)为狄拉克函数,H(f)为Heaviside函数,Tij为Lighthill应力张量,Pij为压应力张量,P′为远场声压,a0为远场声速,nj为固体边界指向流场单位法向矢量。

2.3 Schnerr-Sauer空化模型

空化模型中,流体—蒸汽转换质量由下式决定。

(3)

本文采用Schnerr-Sauer空化模型描述空化过程,其气相体积分数方程形式为

(4)

在数值模拟中,由于网格精度不同,收敛条件设定不同,声控方程打开时机不同等原因,会对仿真结果产生一定的影响,为减少这些因素的影响,本文先在湍流方程、空化方程下得到稳定的空泡模型,然后开启声控方程,再计算辐射噪声,流程如图3所示。

3 仿真结果与分析

3.1 攻角对空泡特性影响分析

图4展示了来流速度为100m/s情况下攻角为0°、8°、16°,25°下的空化情况,随着空化器攻角的增大,空化器后部产生的空泡长度基本保持不变,但是在攻角为25°时,空化器头部发生穿刺效应,在空化器的背部两侧有明显空泡形成,与后端空泡相连。如图5所示,声音在不同的媒介之间传播会发生反射,声源处信号通过空泡到达空化器表面会被进一步削弱,由于折射声音传播的方向将发生改变,而且从仿真结果看,背流面的空泡厚度不均匀,而且空化器头部的集阵的设置同平头式鱼雷自导装置的设置不一样,当锥形空化器的背流面进入了空泡当中时,实现超空泡水下航行体的自导较为困难,因此带锥形超空泡航行体的攻角设计不宜过大。

3.2 空化数对空化噪声影响分析

对于水下航行器来说,水下噪声主要包括环境噪声、自噪声以及目标的辐射噪声,环境噪声一定时,超空泡航行体自大声过大,既影响对于目标辐射噪声的探测,同时也会暴露自己的位置。

文献[9]中提到空化形成的气泡按其固有频率f0振荡,f0的计算公式为

(5)

其中γ为气体的质量定压热容与质量定容热容之比;p0为气泡平衡瞬间的静水压力;a0为气泡半径,ρ0为水的密度。上式表明空化形成的气泡的固有振荡频率与空泡的直径存在反比例关系。

本文仿真实验中的噪声是湍流噪声和空化噪声。湍流噪声指由扰动或湍流造成的脉动黏滞应力和脉动切变应力的辐射声波。仿真试验中的空化噪声主要是蒸汽空化噪声,蒸汽空泡生成后紧接着发生崩溃,能产生大振幅的冲击波,以及巨大的噪声。本文采用了半模进行计算,Fluent在大攻角下对湍流噪声的捕捉效果差,但由于仿真中所涉及的速度很高,湍流特性并不是很大,空化噪声占主导地位,因此噪声特性主要为空化噪声的特性,湍流噪声的影响不会对文中结果产生影响。

图6展示了攻角为0°,流速分别为75m/s、90m/s,100m/s、120m/s时的空化噪声功率谱和声压级曲线。

图6表明,随着来流速度增大,空化数减小,0°攻角下的空化器所产生的空化噪声声压级在逐渐增大,从拟合曲线看,空化噪声的声压级曲线呈上升趋势,但噪声的主瓣大小基本保持不变,空化噪声的频率并未发生大的变化,主要集中在低频段,与文献[16]中的实验数据结论一致,由空化噪声的固有振荡频率计算公式推断,没有引起生成气泡中半径较小气泡的增多。

3.3 攻角对空化噪声影响分析

通过改变锥形空化器的攻角可以使锥形空化器的锥面产生控制力,实现对航行体的姿态控制,本文仿真实验中,对锥形空化器在几种不同攻角下的噪声进行分析。上图4仿真结果表明,在攻角近似等于一半锥角时,空化器背流面开始进入空泡区域,因此选取攻角为0°,10°,16°,21°,25°,对空化器在有攻角的情况下的流噪声进行分析。仿真得到的锥形空化器空化噪声谱如图7所示。

对比几张图可见,随着攻角的增大,噪声功率明显增大,攻角为0°,16°,21°,25°时空化噪声的功率谱主瓣所在频段基本相同,攻角为25°时功率谱主瓣峰值所在频段明显右移,结合式(5),主瓣峰值向高频移动的原因是空泡的半径变小,结合上图的空化效果云图可见在一定范围内,随着攻角的增大,空化器的背流面的没有发生空化现象,空化噪声主要来源是空化器后端的空泡,攻角超过一定值后,空化器背流面进入到空泡区域,但背流面的空泡半径较小,引起空化噪声主瓣移动的原因就是在空化器背流面所产生的空泡,因此大攻角下空化器的空化噪声主瓣峰值向高频移动,文献[9]指出高速航行时的螺旋桨噪声谱将增大且移向,对于水面舰艇和潜艇这个频率大约在100Hz-1000Hz之间,从仿真结果看,大攻角下的空化器产生的空化噪声与水下超高速航行体的打击目标噪声频段重叠,同时空化噪声谱功率较高,容易掩盖目标原有信号特征,不利于实现声自导定位。

4 结束语

利用锥形空化器完成对水下超高速航行体的自导运动的控制,是今后进一步提升超空泡武器杀伤力的重要手段。由于超高速航行体航行速度高、噪声大,对于不同速度和攻角下的空化器自身的噪声特性研究较少,本文通过仿真研究得到如下几个主要结论:

1)锥形空化器攻角大于1/2锥形空化器锥角时,空化器背部两侧将出现明显的空化现象,同时噪声频率的周期性降低,低频段主瓣向高频段移动,对于航行器来说,攻角过大时容易暴露自身位置,也不利于航行器实现自导航行。

2)随着速度增大,空化器接收到的空化噪声总声压级增大,主要噪声部分向低频移动,1000Hz以下的低频噪声为主要的噪声成分。

本文分析了仿真条件下的锥形空化器噪声的部分特性,在实际的工程实践中,空化噪声特点仍需进一步试验验证。

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