沈冠之 吳靜萍 董 勇 伍蓉暉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (廣州航通船舶有限公司2) 江門 529145) (廣州文沖船廠有限責(zé)任公司3) 廣州 510727)

0 引 言

大多數(shù)研究船、近海工程船往往需要通過艏側(cè)推器進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位[1]，但是頻繁的艏側(cè)推使用，產(chǎn)生的高強(qiáng)度噪聲對(duì)在附近艙室工作或休息的船員的活動(dòng)造成嚴(yán)重的干擾，出現(xiàn)顯著的噪聲問題.這里的艏側(cè)推噪聲主要指?jìng)?cè)推管道的振動(dòng)噪聲，而管道振動(dòng)的激勵(lì)載荷主要來源于作用在管壁的流體脈動(dòng)壓力.艏側(cè)推管道內(nèi)流體流動(dòng)復(fù)雜，首先進(jìn)入管內(nèi)的流動(dòng)是有旋的非均勻流動(dòng)，這一非均勻的流動(dòng)前行通過旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，流場(chǎng)中出現(xiàn)復(fù)雜的旋渦流動(dòng)和螺旋流流動(dòng)，致使強(qiáng)烈的流動(dòng)脈動(dòng)壓力與管壁結(jié)構(gòu)的耦合作用，產(chǎn)生高強(qiáng)度的流激振動(dòng)噪聲.

流激振動(dòng)噪聲的預(yù)報(bào)可以通過數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn).吳思遠(yuǎn)等[2]采用ANSYS和Virtual. Lab. Acoustic軟件計(jì)算了由螺旋槳葉片振動(dòng)引起的噪聲.首先采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬，提取螺旋槳表面的脈動(dòng)壓力，對(duì)螺旋槳進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，最后把響應(yīng)作為聲輻射的邊界條件，采用邊界元方法計(jì)算螺旋槳葉片的聲輻射.

近幾年數(shù)值模擬方法在結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和流噪聲的研究中起到了重要的作用.鄒春平等[3]結(jié)合有限元方法和邊界元方法解決了船舶水下輻射噪聲問題.首先利用Ansys軟件計(jì)算水體與船體相互作用的耦合振動(dòng)，然后將船體振動(dòng)位移作為聲場(chǎng)邊界條件，在Sysnoise軟件中計(jì)算水下輻射噪聲.楊瓊方等[4]利用大渦模擬(large eddy simulation,LES)的CFD方法和邊界元數(shù)值聲學(xué)弱耦合方法，在頻域內(nèi)數(shù)值預(yù)測(cè)了潛艇后面螺旋槳的非空化水下輻射噪聲.張?jiān)实萚5]運(yùn)用大渦模擬(LES)和Lighthill聲學(xué)理論對(duì)開孔潛體內(nèi)腔流動(dòng)和流噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬.Kellett等[6]使用k-ε模型，結(jié)合FW-H方程，數(shù)值預(yù)測(cè)LNG船的水下輻射噪聲.王超等[7]將大渦模擬(LES)與無限元法(I-FEM)相結(jié)合，對(duì)均勻流水下螺旋槳的流噪聲和潛艇流噪聲[8]進(jìn)行了頻域上的數(shù)值預(yù)報(bào).汪利等[9]采用LES方法結(jié)合FW-H方程計(jì)算和分析了螺旋槳的近場(chǎng)脈動(dòng)壓力和遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射特性.張成等[10]采用大渦模擬求解螺旋槳流場(chǎng)壓力信息，利用LightHill聲類比理論對(duì)流場(chǎng)壓力進(jìn)行變換，由此計(jì)算噪聲分布情況，并利用試驗(yàn)對(duì)數(shù)值計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證.

本文僅考慮非均勻的水流從側(cè)推管道入口進(jìn)入，流過螺旋槳、支撐桿，產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦和螺旋流動(dòng)，作用在管壁的脈動(dòng)壓力激勵(lì)管壁振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)的噪聲問題.對(duì)某海輔船，計(jì)算工況為海輔船倒車及螺旋槳低速旋轉(zhuǎn)(無空化).首先采用大渦模擬(LES)方法船舶倒車時(shí)艏部繞流流動(dòng)和艏側(cè)推管道內(nèi)流過螺旋槳的流動(dòng)，并從而得到水流作用在側(cè)推管壁上的時(shí)域脈動(dòng)壓力，然后采用有限元方法計(jì)算脈動(dòng)壓力激勵(lì)管壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，最后采用聲學(xué)邊界元方法計(jì)算側(cè)推管壁的振動(dòng)聲場(chǎng).文中給出了流動(dòng)作用在螺旋槳葉片和管壁上的壓力云圖；沿管道流動(dòng)方向在管壁內(nèi)外各取五個(gè)空間點(diǎn)，給出了5點(diǎn)作為管道聲源近場(chǎng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí).

1 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

1.1 CFD大渦模擬模型

φ(x′)G(x,x′)dx′

(1)

式中：D為流場(chǎng)區(qū)域；G為決定過濾尺寸的函數(shù)；x′和x分別為濾波前后的向量.

在FLUENT中有限體積離散化本身就提供了過濾條件，定義為

φ(x′)dx′,x′∈υ

(2)

式中：υ為網(wǎng)格尺度；V為計(jì)算單元的體積.

過濾函數(shù)G(x,x′)定義為

(3)

這個(gè)理論主要用于不可壓縮流體，過濾不可壓縮N-S方程，將得到以下方程.

3)業(yè)務(wù)流程的再造：智能礦井不同于手工管理、半信息化管理和數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重的信息化管理模式，以大數(shù)據(jù)分析的需求為依據(jù)，以安全生產(chǎn)管理的核心業(yè)務(wù)流為主線，再造業(yè)務(wù)流程，確保工作流程、軟件系統(tǒng)或模塊、數(shù)據(jù)以及相應(yīng)技術(shù)之間的深度融合。

(4)

(5)

本文應(yīng)用Smagorinsky-Lilly模型來模擬亞格子應(yīng)力.

(6)

1.2 聲學(xué)邊界元法

在大渦模擬計(jì)算完成后，提取側(cè)推管壁上的脈動(dòng)壓力作為激勵(lì)進(jìn)行管壁振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，然后采用邊界元方法計(jì)算艙內(nèi)噪聲場(chǎng)[12].

結(jié)構(gòu)振動(dòng)在可壓縮、無黏性、非流動(dòng)的介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲壓波動(dòng)方程為

(7)

式中：p為瞬時(shí)聲壓；t為時(shí)間變量；2為拉氏算符；c為流體介質(zhì)中的聲速.在流固交界面S上需滿足如下邊界條件：

(8)

式中：Un和Vn為S面上結(jié)構(gòu)的法向位移和空氣質(zhì)點(diǎn)的法向振速；?為圓頻率；ρf為空氣密度；n為S的外法向單位矢量.

在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行離散求解，可以由結(jié)構(gòu)表面的法向振速得到聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓.

2 艏側(cè)推和船體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為某船舶公司建造的65 m錨泊/采油/供應(yīng)三用海輔船.艏側(cè)推附近的艏部型線見圖1，表1為該船的主尺度.

該船配有雙艏側(cè)推，本文僅選取了其中一個(gè)作為例子進(jìn)行仿真計(jì)算.圖2為其中一個(gè)艏側(cè)推管道的外形示意圖，管道直徑1.8 m，長度約8 m.螺旋槳靠近側(cè)推管道中部.螺旋槳的直徑是1.65 m，為四葉槳.實(shí)船艏側(cè)推位于雙層底，兩側(cè)設(shè)計(jì)了壓載水艙，上部暴露于艏側(cè)推機(jī)艙.為了討論艏側(cè)推輻射噪聲方便，假設(shè)艏側(cè)推完全處于空氣艙內(nèi)，并稱其為艏側(cè)推艙.艏側(cè)推和艏側(cè)推艙見圖2.

表1 船體主尺度 m

圖1 船艏部型線

圖2 艏側(cè)推構(gòu)造示意

在圖2中標(biāo)出了艙內(nèi)考察點(diǎn)位置和管壁內(nèi)外五個(gè)特征點(diǎn)沿管長方向的位置，其中3號(hào)點(diǎn)在螺旋槳上方；同時(shí)，三角標(biāo)志代表加強(qiáng)側(cè)推管壁的肘板，在中心線兩側(cè)2.5 m處.

3 流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

3.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

倒車的工況采用船體不動(dòng)、水從船尾流向船首的方式來模擬.建立船中到船首的前半部分，水流從平行中體開始流入.船首和艏側(cè)推模型見圖3.

圖3 船首和艏側(cè)推模型

網(wǎng)格劃分是CFD模擬過程中比較耗時(shí)的環(huán)節(jié)，也是直接影響模擬精度和效率的因素之一.對(duì)于固體壁面附近和流動(dòng)劇烈變化的區(qū)域，網(wǎng)格進(jìn)行加密.在船體周圍和艏側(cè)推管道路內(nèi)采用加密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在離船體較遠(yuǎn)的區(qū)域采用較稀疏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格見圖4.

圖4 CFD網(wǎng)格及邊界條件

對(duì)計(jì)算域的邊界設(shè)定邊界條件，上游是速度入口；下游是壓強(qiáng)出口；船體表面、側(cè)推管道壁面、螺旋槳葉片和輪轂表面以及槳轂表面設(shè)定為無滑移壁面.自由液面設(shè)置為對(duì)稱面，兩個(gè)側(cè)面也設(shè)為對(duì)稱面.

3.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

計(jì)算域的邊界條件中，速度入口速度為2 m/s，模擬該船倒車工況，壓力出口設(shè)置為常壓.采用Fluent中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真，兩個(gè)域之間利用INTERFACE邊界進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)動(dòng)域以150 r/min的速度旋轉(zhuǎn).

仿真計(jì)算過程中，首先采用k-ω湍流模型進(jìn)行定常計(jì)算，獲得穩(wěn)定流場(chǎng)后，改用LES模型進(jìn)行非定常計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)置為0.000 2 s，計(jì)算總時(shí)長為1 s，為螺旋槳旋轉(zhuǎn)兩圈半的時(shí)間.計(jì)算過程中輸出側(cè)推管壁上的脈動(dòng)壓力，作為流激噪聲計(jì)算中的激勵(lì)力.

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1壓力分布云圖

圖5和圖6為槳葉和管壁在1 s時(shí)的壓力分布情況.

圖5 槳葉壓力分布圖

圖6 管壁壓力分布圖

圖5為葉片吸力和壓力表面的壓力分布云圖，最大壓強(qiáng)為1.54×105Pa，最小壓強(qiáng)為1.12×104Pa.由于支撐桿的存在，壓力分布有點(diǎn)不對(duì)稱.最小壓強(qiáng)高于水的空化壓力，所以螺旋槳周圍的流動(dòng)可以被認(rèn)為是非空化流動(dòng).

圖6為管壁上的瞬時(shí)壓力分布.螺旋槳后壓力存在明顯增大，螺旋槳附近出現(xiàn)劇烈變化.

3.3.2脈動(dòng)壓力頻譜曲線

CFD仿真得到的管壁壓力脈動(dòng)是時(shí)域形式的，通過傅里葉變換將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù).得到不同頻率上的管壁脈動(dòng)壓力輻值，并分析其頻譜特征.

在CFD計(jì)算中，時(shí)間步長Δt=2×10-4s，計(jì)算步數(shù)N=5 000，所以總時(shí)長為t=1 s.可以計(jì)算得到傅里葉變換后的最大和最小頻率為fmax=1 Hz.傅里葉變換的頻率間隔為：Δf=fmin=1 Hz.

本文計(jì)算的螺旋槳轉(zhuǎn)速為150 r/min，槳葉數(shù)為4，所以螺旋槳的葉頻(blade passing frequency，BPF)為10 Hz.圖7為圖2所示的在管壁內(nèi)五個(gè)特征點(diǎn)處的脈動(dòng)壓力幅值頻譜曲線.

圖7 脈動(dòng)壓力輻值頻譜曲線

由圖7可知，槳葉的葉頻(blade passing frequency，BPF)及各倍葉頻.同時(shí)，3號(hào)點(diǎn)(螺旋槳正上方)處的葉頻脈動(dòng)壓力幅值最大.

4 噪聲仿真

水流的脈動(dòng)壓力作用在側(cè)推管壁上引起管壁的振動(dòng)，然后產(chǎn)生了影響船員生活的噪聲.由于時(shí)域噪聲預(yù)報(bào)方法對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，大部分噪聲預(yù)報(bào)以頻域的方式進(jìn)行.將CFD仿真得到的頻域脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)作為作用在管壁上的流載荷，應(yīng)用有限元方法計(jì)算管壁的振動(dòng)響應(yīng)，然后采用邊界元方法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算聲場(chǎng).

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格見圖8，在圖2所示的肘板位置處和管道進(jìn)出口與船體表面相交處定義約束，結(jié)構(gòu)阻尼參考文獻(xiàn)[11]取0.04進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析.

圖8 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖9 聲學(xué)網(wǎng)格

聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果不僅展示出圖2的在管壁外聲源近場(chǎng)的五個(gè)指定點(diǎn)的總聲壓級(jí)，而且為了研究側(cè)推噪聲對(duì)艙室內(nèi)船員生活工作的影響，在側(cè)推管道中心正上方3 m處取一場(chǎng)點(diǎn)作為艙內(nèi)考察點(diǎn)(見圖2)，給出其A計(jì)權(quán)聲壓級(jí).

表4為5個(gè)指定點(diǎn)的總聲壓級(jí)和艙內(nèi)考察點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí).

表4 近場(chǎng)點(diǎn)總聲壓級(jí)和艙內(nèi)考察點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

由表4可知，2點(diǎn)的聲壓級(jí)最大，這可能是由于支撐桿后復(fù)雜的旋渦流動(dòng)所造成的.

根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，工作地點(diǎn)處的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為85 dB.在本文計(jì)算的工況下，艙內(nèi)考察點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為113.3 dB，說明該船的艏側(cè)推噪聲已經(jīng)明顯超標(biāo)，需要采取降噪措施.

5 結(jié) 束 語

通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(CSD)和計(jì)算聲學(xué)(CA)的商業(yè)軟件對(duì)某海輔船的艏側(cè)推流激振動(dòng)噪聲作了數(shù)值模擬的探索，首先計(jì)算了艏側(cè)推流場(chǎng)并提取脈動(dòng)壓力，然后計(jì)算管壁振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)噪聲進(jìn)行分析.脈動(dòng)壓力幅值頻譜曲線展示出在螺旋槳的葉頻和倍葉頻處出現(xiàn)峰值，說明螺旋槳葉頻和倍葉頻是噪聲的主要頻率；該船在本文計(jì)算的低速倒車和低轉(zhuǎn)速側(cè)推的工況下，噪聲超標(biāo)，需要降噪.