艏侧推流激振动噪声的数值模拟探索

沈冠之 吴静萍 董 勇 伍蓉晖

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (广州航通船舶有限公司2) 江门 529145) (广州文冲船厂有限责任公司3) 广州 510727)

0 引 言

大多数研究船、近海工程船往往需要通过艏侧推器进行动态定位[1]，但是频繁的艏侧推使用，产生的高强度噪声对在附近舱室工作或休息的船员的活动造成严重的干扰，出现显著的噪声问题.这里的艏侧推噪声主要指侧推管道的振动噪声，而管道振动的激励载荷主要来源于作用在管壁的流体脉动压力.艏侧推管道内流体流动复杂，首先进入管内的流动是有旋的非均匀流动，这一非均匀的流动前行通过旋转的螺旋桨，流场中出现复杂的旋涡流动和螺旋流流动，致使强烈的流动脉动压力与管壁结构的耦合作用，产生高强度的流激振动噪声.

流激振动噪声的预报可以通过数值计算的方法来实现.吴思远等[2]采用ANSYS和Virtual. Lab. Acoustic软件计算了由螺旋桨叶片振动引起的噪声.首先采用计算流体力学(CFD)对螺旋桨进行数值模拟，提取螺旋桨表面的脉动压力，对螺旋桨进行振动响应分析，最后把响应作为声辐射的边界条件，采用边界元方法计算螺旋桨叶片的声辐射.

近几年数值模拟方法在结构振动噪声和流噪声的研究中起到了重要的作用.邹春平等[3]结合有限元方法和边界元方法解决了船舶水下辐射噪声问题.首先利用Ansys软件计算水体与船体相互作用的耦合振动，然后将船体振动位移作为声场边界条件，在Sysnoise软件中计算水下辐射噪声.杨琼方等[4]利用大涡模拟(large eddy simulation,LES)的CFD方法和边界元数值声学弱耦合方法，在频域内数值预测了潜艇后面螺旋桨的非空化水下辐射噪声.张允等[5]运用大涡模拟(LES)和Lighthill声学理论对开孔潜体内腔流动和流噪声进行了数值模拟.Kellett等[6]使用k-ε模型，结合FW-H方程，数值预测LNG船的水下辐射噪声.王超等[7]将大涡模拟(LES)与无限元法(I-FEM)相结合，对均匀流水下螺旋桨的流噪声和潜艇流噪声[8]进行了频域上的数值预报.汪利等[9]采用LES方法结合FW-H方程计算和分析了螺旋桨的近场脉动压力和远场声辐射特性.张成等[10]采用大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息，利用LightHill声类比理论对流场压力进行变换，由此计算噪声分布情况，并利用试验对数值计算精度进行了验证.

本文仅考虑非均匀的水流从侧推管道入口进入，流过螺旋桨、支撑杆，产生复杂的旋涡和螺旋流动，作用在管壁的脉动压力激励管壁振动，进而引发的噪声问题.对某海辅船，计算工况为海辅船倒车及螺旋桨低速旋转(无空化).首先采用大涡模拟(LES)方法船舶倒车时艏部绕流流动和艏侧推管道内流过螺旋桨的流动，并从而得到水流作用在侧推管壁上的时域脉动压力，然后采用有限元方法计算脉动压力激励管壁结构的振动响应，最后采用声学边界元方法计算侧推管壁的振动声场.文中给出了流动作用在螺旋桨叶片和管壁上的压力云图；沿管道流动方向在管壁内外各取五个空间点，给出了5点作为管道声源近场的A计权声压级.

1 数值计算理论基础

1.1 CFD大涡模拟模型

φ(x′)G(x,x′)dx′

(1)

式中：D为流场区域；G为决定过滤尺寸的函数；x′和x分别为滤波前后的向量.

在FLUENT中有限体积离散化本身就提供了过滤条件，定义为

φ(x′)dx′,x′∈υ

(2)

式中：υ为网格尺度；V为计算单元的体积.

过滤函数G(x,x′)定义为

(3)

这个理论主要用于不可压缩流体，过滤不可压缩N-S方程，将得到以下方程.

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(4)

(5)

本文应用Smagorinsky-Lilly模型来模拟亚格子应力.

(6)

1.2 声学边界元法

在大涡模拟计算完成后，提取侧推管壁上的脉动压力作为激励进行管壁振动响应计算，然后采用边界元方法计算舱内噪声场[12].

结构振动在可压缩、无黏性、非流动的介质中产生的辐射声压波动方程为

(7)

式中：p为瞬时声压；t为时间变量；2为拉氏算符；c为流体介质中的声速.在流固交界面S上需满足如下边界条件：

(8)

式中：Un和Vn为S面上结构的法向位移和空气质点的法向振速；ϖ为圆频率；ρf为空气密度；n为S的外法向单位矢量.

在结构表面进行离散求解，可以由结构表面的法向振速得到声场中任意一点的声压.

2 艏侧推和船体拓扑结构

研究对象为某船舶公司建造的65 m锚泊/采油/供应三用海辅船.艏侧推附近的艏部型线见图1，表1为该船的主尺度.

该船配有双艏侧推，本文仅选取了其中一个作为例子进行仿真计算.图2为其中一个艏侧推管道的外形示意图，管道直径1.8 m，长度约8 m.螺旋桨靠近侧推管道中部.螺旋桨的直径是1.65 m，为四叶桨.实船艏侧推位于双层底，两侧设计了压载水舱，上部暴露于艏侧推机舱.为了讨论艏侧推辐射噪声方便，假设艏侧推完全处于空气舱内，并称其为艏侧推舱.艏侧推和艏侧推舱见图2.

表1 船体主尺度 m

图1 船艏部型线

图2 艏侧推构造示意

在图2中标出了舱内考察点位置和管壁内外五个特征点沿管长方向的位置，其中3号点在螺旋桨上方；同时，三角标志代表加强侧推管壁的肘板，在中心线两侧2.5 m处.

3 流场的数值计算

3.1 模型建立和网格划分

倒车的工况采用船体不动、水从船尾流向船首的方式来模拟.建立船中到船首的前半部分，水流从平行中体开始流入.船首和艏侧推模型见图3.

图3 船首和艏侧推模型

网格划分是CFD模拟过程中比较耗时的环节，也是直接影响模拟精度和效率的因素之一.对于固体壁面附近和流动剧烈变化的区域，网格进行加密.在船体周围和艏侧推管道路内采用加密的非结构网格，在离船体较远的区域采用较稀疏的结构网格见图4.

图4 CFD网格及边界条件

对计算域的边界设定边界条件，上游是速度入口；下游是压强出口；船体表面、侧推管道壁面、螺旋桨叶片和轮毂表面以及桨毂表面设定为无滑移壁面.自由液面设置为对称面，两个侧面也设为对称面.

3.2 计算参数设置

计算域的边界条件中，速度入口速度为2 m/s，模拟该船倒车工况，压力出口设置为常压.采用Fluent中的动网格技术对螺旋桨的旋转进行仿真，两个域之间利用INTERFACE边界进行连接，转动域以150 r/min的速度旋转.

仿真计算过程中，首先采用k-ω湍流模型进行定常计算，获得稳定流场后，改用LES模型进行非定常计算，时间步长设置为0.000 2 s，计算总时长为1 s，为螺旋桨旋转两圈半的时间.计算过程中输出侧推管壁上的脉动压力，作为流激噪声计算中的激励力.

3.3 计算结果分析

3.3.1压力分布云图

图5和图6为桨叶和管壁在1 s时的压力分布情况.

图5 桨叶压力分布图

图6 管壁压力分布图

图5为叶片吸力和压力表面的压力分布云图，最大压强为1.54×105Pa，最小压强为1.12×104Pa.由于支撑杆的存在，压力分布有点不对称.最小压强高于水的空化压力，所以螺旋桨周围的流动可以被认为是非空化流动.

图6为管壁上的瞬时压力分布.螺旋桨后压力存在明显增大，螺旋桨附近出现剧烈变化.

3.3.2脉动压力频谱曲线

CFD仿真得到的管壁压力脉动是时域形式的，通过傅里叶变换将时域数据转换为频域数据.得到不同频率上的管壁脉动压力辐值，并分析其频谱特征.

在CFD计算中，时间步长Δt=2×10-4s，计算步数N=5 000，所以总时长为t=1 s.可以计算得到傅里叶变换后的最大和最小频率为fmax=1 Hz.傅里叶变换的频率间隔为：Δf=fmin=1 Hz.

本文计算的螺旋桨转速为150 r/min，桨叶数为4，所以螺旋桨的叶频(blade passing frequency，BPF)为10 Hz.图7为图2所示的在管壁内五个特征点处的脉动压力幅值频谱曲线.

图7 脉动压力辐值频谱曲线

由图7可知，桨叶的叶频(blade passing frequency，BPF)及各倍叶频.同时，3号点(螺旋桨正上方)处的叶频脉动压力幅值最大.

4 噪声仿真

水流的脉动压力作用在侧推管壁上引起管壁的振动，然后产生了影响船员生活的噪声.由于时域噪声预报方法对计算机要求较高，大部分噪声预报以频域的方式进行.将CFD仿真得到的频域脉动压力数据作为作用在管壁上的流载荷，应用有限元方法计算管壁的振动响应，然后采用边界元方法对声场进行计算声场.

结构网格见图8，在图2所示的肘板位置处和管道进出口与船体表面相交处定义约束，结构阻尼参考文献[11]取0.04进行振动响应分析.

图8 结构网格

图9 声学网格

声压级计算结果不仅展示出图2的在管壁外声源近场的五个指定点的总声压级，而且为了研究侧推噪声对舱室内船员生活工作的影响，在侧推管道中心正上方3 m处取一场点作为舱内考察点(见图2)，给出其A计权声压级.

表4为5个指定点的总声压级和舱内考察点的A计权声压级.

表4 近场点总声压级和舱内考察点的A计权声压级

由表4可知，2点的声压级最大，这可能是由于支撑杆后复杂的旋涡流动所造成的.

根据《工业企业噪声卫生标准》规定，工作地点处的噪声标准为85 dB.在本文计算的工况下，舱内考察点的A计权声压级为113.3 dB，说明该船的艏侧推噪声已经明显超标，需要采取降噪措施.

5 结 束 语

通过计算流体力学(CFD)、计算结构力学(CSD)和计算声学(CA)的商业软件对某海辅船的艏侧推流激振动噪声作了数值模拟的探索，首先计算了艏侧推流场并提取脉动压力，然后计算管壁振动响应，对噪声进行分析.脉动压力幅值频谱曲线展示出在螺旋桨的叶频和倍叶频处出现峰值，说明螺旋桨叶频和倍叶频是噪声的主要频率；该船在本文计算的低速倒车和低转速侧推的工况下，噪声超标，需要降噪.