帶流水孔潛艇流噪聲特性分析

鄔 明

(宜昌測試技術研究所，湖北宜昌 443003)

潛艇由于其自身運動方式和所處環境(工作位置多在水面一下)，在潛艇上層建筑等非耐壓非水密結構上都開設有一定數量的流水孔，以方便艇體的上浮和下潛。流水孔的開設，在滿足潛艇實現上浮和下潛是比不可少的。但是流水孔的開設對艇體阻力和水下的隱身性而言是不利的。張楠，沈泓萃等［1］針對潛體流水孔結構精確仿真了流水孔的內外流場特性;孟生、張宇文等［2］對不同流水孔潛艇的流噪聲特性進行了詳細計算。

以SUBOFF 標模為基礎，對不同流水孔配置條件下的艇體模型流噪聲進行數值計算，分析艇體流水孔流噪聲特性和相似規律。建立了艇體流水孔產生的噪聲的計算方法步驟;聲學計算模型中，近場采用聲直接模擬法求解，遠場噪聲則在Lighthill 氣動聲學理論基礎上開展研究，分析了艇體流水孔誘發的流噪聲特性，針對流速、壓力，以及模型尺寸等因素分析艇體流水孔誘發的流噪聲相似規律。

1 控制方程

1.1 大渦數值模擬湍流模型

為了真實模擬脊狀結構表面的微觀流場，同時有效地提取計算區域中的噪聲值，在非定常的噪聲計算中，采用湍流大渦數值模擬法(Large Eddy Simulation，LES)進行數值計算［3］。

假定過濾過程和求導過程可以交換，將Navier-Stokes 方程作過濾，得到如下方程:

式(2)中τij稱為湍流亞格子應力，其表達式為

其中，上劃線代表經過空間濾波的變量; ui為速度; p 為壓力;τij是一個由非線性項產生的未知量。以上各量均進行了無因次化。

本文采用Smagorinsky 渦黏模型來模化亞格子應力，其張量的偏量部分為

式(4)中vt為渦黏系數;Cs為Smagorinsky 常數，Δ 為濾波尺度，通常取0.1 ～0.23，Sij為經過濾波后的速度變形張量，定義如下

1.2 聲學方程

利用廣義函數理論的強大技術，在Lighthill 理論基礎上發展的FW-H 方程［4］

其中壓應力張量為

式(8)中:p 為遠場聲壓(p=p-p0);δ(f)為狄拉克函數;δij為克羅內克符號，f 為壁面函數;ui，un為來流速度在xi方向和垂直壁面方向的分量;a0為遠場聲速;nj為單位法向矢量，由固體邊界指向流場。

2 計算模型及網格劃分

由于本文中所采用的LES 湍流模型對計算網格要求較高，同時，仿真計算所建模型為三維結構，并且流水孔噪聲計算的特殊要求(流水孔內的網格足夠密，才能有效地反映微觀流場)，以上這些要求必然帶來巨大的網格量和計算量。綜合考慮以上因素，帶流水孔艇體流噪聲研究的網格模型主要采用了以下策略:

1)在流水孔內部及其周圍，網格應劃分得足夠小，以捕捉流場的特征;

2)在流水孔的徑向，靠近流水孔的地方，網格劃分要緊密，以充分反映湍流邊界層內的流動;

3)在流水孔較遠的區域內，網格可劃分得較為稀疏，以減少總體的網格數量。

4)分塊技術，將整個模型分為3 部分以方便建模。

5)采用網格接口技術，使各部分之間的網格可以獨立生成互不影響。

具體的幾何模型見圖1 和網格模型見圖2。

圖1 數值計算模型

圖2 計算網格

3 計算條件設置

求解器:三維隱式離散定常及非定常求解。由于流場引發的噪聲為寬頻噪聲，且在10 ～40 k 的高頻段具有較高聲級，足以給聲納的正常工作帶來干擾。因此本文所取分析頻段為100 ～40 000 Hz，而一個時間序列做快速傅立葉變換(FFT)時的最高頻率為1/(2Δt)，以此得最小時間步長公式Δtmin=(2fmax)-1，并計算得非定常求解時間步長為1.25 ×10-5s;

計算介質:水，密度:998.2 kg/m3，黏性:0.001 003 Pa·s;

方程離散方法:壓力修正法采用SIMPLEC 方法，參數離散采用二階精度的迎風格式;

收斂標準:連續方程1e-7，其他1e -8;聲參考量:聲傳播速度v=1 520 m/s，基準聲壓值p0=1 ×10-6Pa。

4 聲接受點的選擇

潛艇流水孔的噪聲特性主要與流速、開孔的形式、開孔大小有關。其流噪聲對艇體的主要影響可以分為兩個方面:對艇體自身聲納系統的影響(自噪聲);對艇體隱身性能的影響(輻射噪聲)。所以在選取聲接受點的時候首先要考慮能夠測出艇體聲納系統位置的噪聲，第二是要根據流水孔的分布情況，選取相對個噪聲源(流水孔)的距離、角度等相對公平的位置。第三選取的聲接受點應盡可能的與試驗的水聽器位置相同，如圖3 所示。數據模擬位置如表1 所示。

圖3 聲接受點示意圖

表1 數值模擬中8 個水聽器的位置

5 流水孔噪聲級數值計算結果

圖4 ～圖7 給出了4 種開孔模型在不同監測點的流噪聲對比。從流水孔的形狀對流噪聲的影響規律來看，底部孔的特征為大型方孔帶柵狀隔板，其中隔板的后略角度為30°。上部孔的為兩排縱縫帶柵狀隔板的流水孔。現在不考慮面積，單從孔的形式來說，底部開孔的噪聲要比縱縫的大。在計算結果的水聽器位置2、3、4、8 的聲壓信號圖中可知，底部孔在頻率30 ～60 kHz 范圍內的聲壓值均是最高的; 所以從這一點來看計算的結果使合理的。

帶全孔時噪聲的結果為混響結果，從相關文獻來看混響的最終結果不是帶個噪聲源的簡單疊加，所以上面圖中的結果全孔時的噪聲級在很大頻域內小于縱縫和底部孔是可能的，如圖4 ～圖7。其中在圖5 和圖7 的某些頻段內甚至低于光體的噪聲級。

根據相關文獻提供的資料［5］，如圖8 所示，文章計算得到的結果與其在量級上是一致的。

圖4 rec1(0，0，0)

圖5 rec3(0，0.15 m，0)

圖6 rec4(0，0.4 m，0)

圖7 rec8(0.34，0.0 m，0.34)

圖8 相關文獻資料圖

水聽器與聲源的相對位置對于聲源特性分析是有影響的:如果要區別幾個聲源的不同特性，就要使水聽器的位置與這幾個聲源的相對位置(距離，角度)要相當。如此次計算中的水聽器1 的位置就不是理想的檢測點;水聽器2 的位置也是此次試驗中預設用的監測點，從計算的結果來看，僅能區分出底部橫向孔和縱縫式開孔的差別，其效果也不是很理想;水聽器3 是預測的光體模型的轉捩點位置，其距離開孔位置已經較近，但是距離各聲源的距離仍然是有差異的。其測試結果變現為，在0 ～10 kHz 與30 ～60 kHz 范圍內的規律是不相同的。水聽器4 處在縱縫式噪聲源的中心，在底部孔噪聲源的靠后部分，相對光體而言是在噪聲源的后半部。所以其在縱縫和全孔模型中計算的結果是全頻率方位內均保持一個較高的值。Rec8(水聽器8)對幾個聲源而言是相對公平的，其測試結果的頻譜圖中可以看出其噪聲級的變化是較為豐富的，主要表現在中心頻率為30 kHz，48 kHz 58 kHz 98 kHz，帶寬在5 kHz 左右的區域。底部孔的噪聲級比縱縫式的高，有孔的比沒孔的高; 全孔的由于混響的影響在特定頻率下，噪聲級反而低;在高頻區是不開孔的最低。

6 噪聲數值計算的流場云圖

計算用的是三維模型，為了便于觀察流場的細節，以下均為切片云圖，如圖9 ～圖14 所示。

圖9 速度分布圖(切片的z 向坐標為0)

圖10 流水孔部位的流場分布云度

圖11 縱縫處的速度分布云度

圖12 壓力云圖(Z 向坐標為0.02 m)

圖13 速度矢量圖(Z 向坐標為0.02 m)

圖14 速度矢量局部放大圖(Z 向坐標為0.02 m)

7 結論

從阻力的預測情況來看，光體的阻力最小，其次為底部開孔的阻力，再次為縱縫開孔的阻力，全孔時的阻力最大，是符合常理的。(另外要縱縫開孔面積為0.003 35 m2，底部開孔的面積為0.001 46 m2); 從開孔形式對噪聲的影響來看，縱縫的噪聲小于底部橫向開孔的噪聲;也是符合規律的。混響對噪聲是有影響的，規律有待進一步的研究; 從切片的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖來看，計算結果反映了開孔后流體的細微流動，能明顯的看到漩渦和加厚的湍流層。

［1］張楠，沈泓萃.帶流水孔潛體流場數值模擬［J］.船舶力學，2004，8(1):1-11.

［2］孟生，張宇文.潛艇流水孔流噪聲特性研究［J］.計算機仿真，2011，28(7):57-62.

［3］張楠.潛艇粘性阻力數值計算方法研究［R］.中國船舶科學研究中心科技報告，2003.

［4］王獻孚劉應中.計算船舶流體力學［M］.上海:上海交通大學出版社，1992.

［5］許鴻生，沈泓萃.潛艇施工設計階段模型快速性試驗報告(水下航行狀態)［R］.中國船舶科學研究中心科技報告，1993.

［6］孫乃偉，孫玉東. 艇流水孔模型噪聲和阻力試驗研究［R］.中國船舶科學研究中心科技報告，1999.