通海管路排出口结构优化对声学特性的影响分析

张生乐，贾晓丹，夏 苑，徐建龙，潘国雄

(武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430060)

0 引 言

舰船内部含有大量的通海管路系统，承担着海水介质流通、交换的作用[1-3]。排出口结构是通海管路系统的重要组成部分，更是舰船连接舷内外的关键。由于通海管路系统内部海水的湍流效应和激励作用，以及外部海水的冲击作用，使得排出口位置产生振动，导致舰船噪声增大[4-8]。目前，舰船排出口结构形式多样，有长方体、圆柱体，棱柱体等等，这些排出口结构的主要作用是将舰船内部流体介质排出到舷外[9]。由于排出口结构形式直接影响到舰船整体振动噪声强弱，那么究竟哪一种结构形式的排出口减振降噪效果最佳，也是值得研究的热点问题之一。

本文通过开展排出口结构形式优化对声学性能的影响分析，明确排出口结构优化设计思路，分析不同结构形式的排出口对振动噪声的影响，得出排出口优化结构。对比外流场条件下排出口结构优化前后的声学特性，验证排出口优化结构的可行性及降噪效果。

1 优化设计思路分析

1.1 几何建模

结合实船海水管路排出口及相邻结构形式特点，采用计算软件Ansys Workbench 中的DM 建立整个计算域的几何模型，如图1 所示。该几何模型包括出水腔、进水腔、出水管、进水管、补水管，外流域，其中出水腔和外流域之间含有出水腔栅栏孔，进水腔和外流域之间含有进水腔栅栏孔。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

1.2 网格划分

为保证仿真计算精度，将整个计算域的几何模型划分成多个区域，依次进行网格划分。在不同区域之间设置交界面进行匹配，并保证相互匹配的2 个交界面上的网格数目相近。对流动情况复杂和重点关注区域的网格进行加密处理。最终整个计算域网格总数约为500 万，具体网格模型如图2 所示。

图2 网格模型示意图Fig.2 Mesh models

1.3 声源面和边界条件设置

在整个计算域中，选择流域内的交界面作为声源面，共10 个面，如图3 所示。

出水管相当于外流域进水位置，设定为速度入口。进水管相当于外流域出水位置，设定为压力出口。由于外流域体积非常大，以至于可忽略其对流场的影响，故整个计算域采用固壁边界条件。在非定常计算过程中，声频率与计算步长和数据写频率[10]有如下关系：

图3 声源面Fig.3 Sound source

式中：f 为频率；m 为数据写频率；△t 为时间步长，考虑到计算的最高频率拟控制在10 kHz 以内，故时间步长设置为Δt=5.0×10－5s，每个时间步最大迭代次数设为20。

1.4 工况选择

结合实际舰船管路排出口噪声辐射情况，在此选择5 种工况进行仿真计算。补水管关闭，出水孔流速如表1 所示。

表1 五种工况Tab.1 Five working conditions

1.5 计算结果比较

为保证不同出水孔流速下频谱分析中频率分辨率的一致性，同时考虑时域信号周期的范围，截取的总时间段均是0.7 s，声分析结果如图4～图6 所示。由图4 可知，随着出水孔流速的增大，对应的声压逐渐增大。由图5 可知，在不同出水孔流速下，整个频段内的声压级分布趋势相同，均存在波峰和波谷，且低频区域均是噪声的主要来源。由图6 可知，出水孔流速与总声压级拟合曲线的斜率较大，值约为1。说明出水孔流速大小对总声压级的影响较大，也说明出水孔流速的减小会导致总声压级的降低，并且降低的幅值较大。

由于排出口结构噪声的最直接声源是出水腔内的射流，射流经过栅栏孔流入外流域，在舷外形成射流混合噪声。根据Fisher 等理论，降低射流速度，是减小声强最有效的途径。但是，舰船在实际航行过程中，由于出水孔流速受到实际工况的制约，出水孔流速无法变小，因此考虑在保证出水孔流速不变的条件下，采用优化通海管路系统排出口结构的方法，降低出水腔内流速，达到降低整个通海管路系统水动力噪声的目的，进而起到降低舰船振动噪声的效果。

图4 时域图对比Fig.4 Comparison of time-domain

图5 频谱图对比Fig.5 Comparison of spectrograms

图6 总声压级对比Fig.6 Comparison of OSPLs

2 排出口结构优化设计

根据上述排出口结构形式优化设计思路，在此提出另外4 种排出口结构形式。其中结构1 在出水腔内加装导流装置，并形成网格模型，如图7 所示。结构2 将出水管与出水腔的交界面和栅栏孔所在圆面直接相连，建立出水腔的网格模型，如图8 所示。结构3 改变出水管与出水腔交界面的位置，使交界面与栅栏孔所在圆面平行且两个面的圆心保持在同一高度上；同时，将出水管的弯管换成直管，避免弯管转角对水流偏移的影响。结构3 的具体网格模型如图9 所示。结构4 将出水腔由方腔改成喇叭口形式，将出水管与出水腔的交界面与船外壳出水腔栅栏孔所在圆面直接相连，形成喇叭口。在出水腔栅栏孔的中间位置加装1 个等腰三棱柱形式的导流装置，在出水腔上部加装4 个等边三棱柱形式的导流装置。结构4 的具体网格模型如图10 所示。

图7 导流装置网格模型Fig.7 Mesh model of guide device

图8 结构2 网格模型Fig.8 Mesh model of structure two

图9 结构3 网格模型Fig.9 Mesh model of structure three

图10 结构4 网格模型Fig.10 Mesh model of structure four

3 无外流场条件下计算结果对比分析

在上述工况4 条件下，仿真计算另外4 种排出口结构下的流体分布情况，得出同一截面位置的速度矢量图，如图11 所示。从图11（a）可以看出，出水腔内流场分布明显不均匀，导流装置附近流速较大，出水腔内还存在明显漩涡。出水管内产生了回流，这可能导致出水管内流速变大，进而导致出水腔内局部流速变大。因此，出水腔内加装导流装置，并未达到减小出水腔内水流紊乱程度，降低出水腔内水流速度的目的。从图11（b）可以看出，出水腔内水流存在明显的偏移现象，即集中沿着出水腔的底部运动，从栅栏孔下部流出，并在腔室内其他形成漩涡。从图11（c）可以看出，水流也存在明显的偏移现象。水流从出水管流入出水腔，沿上壁面集中从栅栏孔上部流出，在出水腔下部形成漩涡，并只有少量水流出。同时，水流在笔直的出水管中仍发生了偏移，这说明偏移并不是由出水管的弯管部分导致的。从图11（d）可以看出，栅栏孔附近水流分布相对较为均匀，且流速相对较小。从整体上来说，当排出口设定为结构4时，出水腔内水流速度相对较小，且分布相对较为均匀，即该排出口结构为优化结构。

图11 另外4 种排出口结构的流体速度矢量图Fig.11 Flow velocity vectors for another four discharge ports

当工况仍设定为工况4 时，仿真计算得出的排出口原始结构和另外4 种结构下的总声压级如表2 所示。

表2 总声压级对比Tab.2 Comparison of OSPLs

由表2 可以看出，在1.44 Hz～10 kHz，5 Hz～10 kHz 和10 Hz～10 kHz 三个分析频段范围内，与排出口原始结构的总声压级相比，结构1 和结构3 的总声压级在有的频段范围内偏高，在有的频段范围内偏低；结构2 的总声压级均偏高；结构4 的总声压级均偏低，其中在1.44 Hz～10 kHz 频段内，最大降噪效果达到4.15 dB。故再次证实结构4 为排出口的优化结构。

4 外流场条件下声学效果对比

水动力噪声实质上是由流场中大大小小的漩涡产生的。在有无外流场条件下，排出口结构内部的漩涡状态不同，内部的脉动压力也不同，导致噪声大小也不同。因此，为了更准确地对比排出口结构优化前后的声学效果，在排出口处设置一个沿流向14.4 m、垂向12 m、横向6 m 的流域，称为外流域。外流域入口距声源面4 m，出口距声源面8 m，垂向距声源面5 m。具体几何模型，如图12 所示。外流域入口速度取3.087 m/s，出口为压力出口，其他面设为对称面。然后仿真计算不同工况下，排出口结构优化前后（即原始结构和优化结构条件下对比）的声学情况。

图12 外流场下仿真模型Fig.12 Geometric model in outer flow field

图13 给出了不同工况下，排出口结构优化前后的频谱图对比。可以明显看出，排出口结构优化前后的声压级变化趋势相同。从整体上来说，排出口结构优化后的声压级明显低于排出口结构优化前的声压级，表明排出口的优化结构在全频段内均具有较好的降噪效果。

图13 频谱图对比Fig.13 Comparison of spectrograms

5 结 语

本文对通海管路排出口结构形式进行优化设计，比较了不同结构形式下的声学特性，得出研究结论如下：

1）通过优化排出口结构形式，降低出水腔内流速，进而达到降低通海管路系统水动力噪声的优化。

2）排出口结构的具体优化方案为：将出水腔由方腔改成喇叭口形式，将出水管与出水腔的交界面与船外壳出水腔栅栏孔所在圆面直接相连，形成喇叭口。在出水腔栅栏孔的中间位置加装1 个等腰三棱柱形式的导流装置，在出水腔上部加装4 个等边三棱柱形式的导流装置。

3）在有、无外流场条件下，排出口优化结构的声学特性明显优于其原始结构的声学特性，表明排出口优化结构具有较好的降噪效果。