潛艇水下武器發射后海水噴流噪聲數值仿真

練永慶,　郭　煜,　張孝芳

(1. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍潛艇學院 戰略導彈與水中兵器系, 山東 青島, 266071)

潛艇水下武器發射后海水噴流噪聲數值仿真

練永慶1,郭煜1,張孝芳2

(1. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍潛艇學院 戰略導彈與水中兵器系, 山東 青島, 266071)

為了研究武器發射出管后的海水噴流噪聲, 將發射管比擬為水下圓管, 通過發射裝置水下發射過程的3D流場仿真, 獲取了武器出管后發射管口海水噴流的流場特性, 在此基礎上采用基于Lighthill聲學類比的積分方法對水下圓管自由噴流噪聲進行了計算與分析。結果表明, 噴流噪聲的能量主要集中在100 Hz以下的低頻范圍內, 水下武器發射后的海水噴流噪聲源并不是總發射噪聲的主要組成。

潛艇水下發射; 海水噴流; 噪聲; 仿真

0　引言

潛艇往復活塞水壓平衡式發射裝置[1]水下發射武器產生的發射噪聲主要有發射時水壓力脈沖激勵產生流致結構噪聲、發射動力裝置機械結構振動沖擊產生的噪聲、發射后氣缸廢氣艇內排氣產生噪聲等。此外, 武器在出管后, 發射管內的海水由于慣性作用會繼續向前運動, 在發射管前部形成水噴流, 因此該噴流有可能是一個重要的發射噪聲源。為了對該水下噴流噪聲進行研究,文中將發射管的水下噴流簡化為水下圓管的自由噴流, 通過進行發射過程3D流場仿真獲取發射后噴流流場, 再根據Lighthill聲學比擬理論對該水下圓管自由湍噴流的噪聲輻射問題進行計算與分析。

1　水下發射過程3D流程仿真

往復活塞水壓平衡式發射裝置主要由兩大子系統構成[1]: 氣動系統和水壓平衡系統, 并且2個子系統的工作介質完全不同, 前者為壓縮空氣, 后者為海水。兩者通過活塞組件的運動實現了發射能量由發射氣瓶向武器的傳遞。在整個過程中壓縮空氣與海水以及運動部件之間始終存在強烈的相互耦合作用。文中采用氣動系統1D模型和水壓平衡系統3D模型聯合仿真的方案進行發射過程的數值仿真。這種方法是把從Fluent解算器得到水缸活塞和武器所受的流體作用力代入氣瓶、氣缸、活塞和武器的1D動力學方程組, 采用數值積分求得活塞和武器的運動速度反過來作為Fluent解算器中活塞和武器動邊界的運動參數。下面對動力學方程組及3D流場仿真介紹如下。

1) 1D動力學方程組

仿真中所用的1D動力學方程組主要包括的相關數學模型如下。

a. 氣瓶數學模型

式中: pB為發射氣瓶瞬時壓力; mB為發射氣瓶內氣體的瞬時質量; κ為空氣絕熱指數; TB為發射氣瓶內氣體的瞬時溫度;dmid t為通過發射閥流入發射管的氣體質量流量。

b. 發射閥數學模型

式中:fφ為發射閥的空氣流量系數; Sv為發射閥開啟的流通面積;iρ為發射閥特形孔處氣流的密度; vai為氣流通過發射閥的流速。

c. 氣缸數學模型

式中: Vqg,mqg,pqg,Tqg分別為氣缸控制體內空氣體積、質量、壓力、溫度; Vqg0為氣缸控制體初始體積; m.qg為氣缸內空氣質量變化率; xp為氣缸活塞位移; Spq為氣缸活塞橫截面積; Sps為活塞桿橫截面積。

d. 活塞組件運動模型

式中: mp為活塞組件質量(包括氣缸活塞、水缸活塞及活塞桿);pH為水缸前端海水外部環境壓力;Spw為水缸活塞橫截面積;pa為潛艇艙室壓力;pw為水缸壓力;Fp為活塞組件與氣缸壁、水缸壁的摩擦力。

e. 魚雷發射管內運動模型

式中: vT為魚雷管內運動速度; pg為發射管內海水壓力; ST為魚雷圓柱段橫截面積; mT為魚雷質量; mW為隨魚雷一起運動的海水質量; Fm為魚雷與發射管之間的機械摩擦阻力; Rx為魚雷流體運動阻力; Sg為發射管橫截面積。

2) 3D流場仿真

發射裝置內部瞬態流場的計算采用壓力的隱式算子分割算法(pressure implicit with splitting of operators, PISO)[2]。在發射裝置內部瞬態流場的數值仿真中, 包含水缸活塞和魚雷2個運動物體, 它們的運動造成了流場計算區域邊界的移動。為此在瞬態流動計算中, 綜合采用滑移網格和動網格技術, 考慮不同時刻運動域和靜止域間的相對位置以及移動邊界對計算域網格的影響,以準確模擬流體流動與物體運動相互耦合的瞬態流動。

整個發射裝置3D流場的計算區域模型如圖1所示。

圖1　3D流場計算區域示意圖Fig. 1　Schematic of computational domain of threedimensional flow field

3) 仿真結果

通過仿真可獲得整個發射過程不同時刻的流場仿真, 這里給出部分流場仿真結果如圖2~圖5所示。此外, 還獲得武器出管后海水噴流流場仿真結果, 其中部分仿真結果如圖6~圖9所示。

圖2　發射時刻t=0.3 s時流體域內的海水壓力云圖Fig. 2　Pressure contour of seawater in the flow field when t=0.3 s

圖3　發射時刻t=0.3 s時流體域內的海水流線和速度云圖Fig. 3　Velocity contour and flow line of seawater in the flow field when t=0.3 s

圖4　發射時刻t=0.6 s時流體域內的海水壓力云圖Fig. 4　Pressure contour of seawater in the flow field when t=0.6 s

圖5　發射時刻t=0.6 s時流體域內的海水流線和速度云圖Fig. 5　Velocity contour and flow line of seawater in the flow field when t=0.6 s

圖6　t=1.1 s時刻發射管口附近壓力云圖Fig. 6　Pressure contour of seawater near the nozzle when t=1.1 s

圖7　t=1.1 s時刻發射管口附近速度云圖Fig. 7　Velocity contour of seawater near the nozzle when t=1.1 s

圖8　t=1.6 s時刻發射管口附近壓力云圖Fig. 8　Pressure contour of seawater near the nozzle when t=1.6 s

2　水下圓管自由噴流噪聲仿真與建模

在噴流噪聲的理論研究方面, 氣動聲學的發展要早于水聲學, 國內外很多關于水射流湍流噪聲的研究都是在氣動聲學基礎上展開的[3-4], 并將氣動聲學的理論推廣到包括水聲學的流體聲學,也通過試驗驗證了理論的正確性[5], 為此采用基于Lighthill聲學類比的積分方法對水下圓管自由噴流噪聲進行計算機分析。

圖9　t=1.4 s時刻發射管口附近的速度云圖Fig. 9　Velocity contour of seawater near the nozzle when t=1.4 s

聲學類比本質上是對聲的產生和傳播進行解耦, 從而把聲學分析與流場求解過程相分離。通過求解發射過程的非定常NS方程, DES或LES等得到發射管口近場流場, 然后借助于波動方程的解析式積分解便能夠進行聲場的預報。

仿真中噴流噪聲的聲學計算主要基于Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)方程[6]及其積分解。FW-H方程實際上是通過對連續性方程和NS方程進行處理而得到的非齊次波動方程

其中: ui為xi方向的流體速度分量; un為面f=0法向流體速度分量; vi為xi方向面速度分量; vn為曲面法向面速度分量; δ（f）為Dirac函數; H（f）為Heaviside 函數。p′為遠場聲壓, p′=p-p0；f=0是為了使外部流動問題(f＞0)“嵌入”無邊界空間而引入的數學曲面,從而可以方便地應用廣義函數理論和自由空間格林函數來求解。曲面f=0對應于源面(發射面),它可以和固體邊界面一致(不可穿透), 也可以脫離邊界面(可穿透)。ni是指向曲面外(f＞0)的單位法向量; a0是遠場聲速; Tij為Lighthill應力張量, 有

其中, Pij為壓縮應力張量, 對于斯托克斯流體, 有

應用自由空間格林函數可得到方程(10)的解,其完整解包括面積分和體積分兩部分。面積分代表單極子、偶極子聲源的作用及源面所包圍的四極子聲源的作用, 而體積分則代表源面外區域四極子聲源的作用。

FW-H方程采用了Lighthill聲學類比的最基本形式, 能夠預報等效于單極子、偶極子及四極子的聲源。在FLUENT仿真中應用時采用時域積分公式, 通過求解一些面積分而直接計算指定接收器位置的聲壓或聲學信號的時間序列。

3　計算結果與分析

根據發射過程3D流場仿真獲得的海水噴流仿真結果, 利用方程(10)中的模型與方法計算了水下圓管自由湍噴流四極子輻射噪聲的聲壓頻譜。以下給出武器出管后海水噴流的仿真結果,其中聲壓的測點坐標是相對于發射管口(噴口)中心點的坐標值, 仿真中給出某時刻(50 m, 50 m)以及(5 000 m, 5 000 m)兩處的聲壓仿真結果。

對仿真結果進行分析可知:

1) 武器出管后噴流噪聲的聲能量主要集中于100 Hz以內, 頻率大于100 Hz的噪聲級在(50 m, 50 m)處均小于80 dB, 在(5 000 m, 5 000 m)處均小于50 dB(見圖10和圖11);

2) 噴流噪聲隨著與噴口間距離的增大而逐漸衰竭, 在距離50 m處的最大噪聲級為115 dB(見圖8), 第2種仿真條件下距離5 000 m處遠場最大噪聲級為85 dB(見圖11)。

3) 潛艇水下武器發射后, 在(50 m, 50 m)附近、100 Hz以內的噴流噪聲級略大于同頻率的海洋環境噪聲(頻率為100 Hz的海洋環境噪聲級為90 dB左右)[7], 而(5 000 m, 5 000 m)處的噴流噪聲基本小于海洋環境噪聲。由此可見, 潛艇水下武器發射后的海水噴流噪聲源對總發射噪聲的貢獻是較低的。

4　結束語

針對潛艇水下武器發射過程中武器出管后的噴流噪聲問題, 將潛艇武器發射管比擬為水下圓管, 在通過進行發射過程3D流場仿真獲取了武器出管后的海水噴流的基礎上, 運用Lighthill聲學比擬理論研究了水下圓管自由噴流的噪聲輻射問題。從仿真結果來看, 噴流噪聲的能量主要集中在100 Hz以下的低頻范圍內, 其噪聲級在潛艇近場(50 m以內)略大于海洋環境噪聲, 而在遠場(5 000 m以外)則基本小于環境噪聲。由此可見,潛艇水下武器發射后的海水噴流噪聲對潛艇總發射噪聲的貢獻不大, 潛艇發射噪聲源主要集中在流致結構振動噪聲、發射動力裝置機械結構振動沖擊產生的噪聲、發射后氣缸廢氣艇內排氣產生噪聲這三方面。

在仿真中為了簡化問題的研究將發射管噴流視為水下圓管的自由噴流, 但在實際中, 發射管口并非為自由端, 海水噴流離開發射管口后還與管口附近潛艇壁面產生相互作用, 其噪聲產生與傳播機理將更為復雜, 將需要進一步的深入研究。

[1] 練永慶, 王樹宗. 武器發射裝置設計原理[M]. 北京:國防工業出版社, 2012: 65-66.

[2] Issa R I. Solution of Implicitly Discredited Fluid Flow Equations by Operator Splitting[J]. Journal of Computational Physics, 1986(62): 40-65.

[3] Tam C K W. Jet Noise: Since 1952[J]. Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 1998, 10(1): 393-405.

[4] 李曉東, 旻江, 高軍輝. 計算氣動聲學進展與展望[J].中國科學: 物理學力學天文學, 2014, 44(3): 234-248.

Li Xiao-dong, Jiang Min, Gao Jun-hui. Progress and Prospective of Computational Aeroacoustics[J]. Scientia Sinica(Physica, Mechanica& Astronomica), 2014, 44(3): 234-248.

[5] 王春旭. 水下湍射流及壁面湍流噪聲預報方法[D]. 武漢: 華中科技大學, 2009: 100-102.

[6] Ffowcs W J E, Kempton A J. The Noise from the Largescale Structure of a Jet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1978, 84(4): 673-694.

[7] 郭新毅, 馬力. 環境變化條件下海洋環境噪聲統計分析[C]//2010中國西部地區聲學學術交流會. 云南: 中國聲學學會, 2010: 338-341.

(責任編輯: 許妍)

Simulation on Seawater Jet Noise after Submarine Underwater Launching

LIAN Yong-qing1,GUO Yu1,ZHANG Xiao-fang2
(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Department of Ballistic Missile and Underwater Weapon, Naval Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

To study the noise of the seawater jet from a submarine launch tube after a weapon leaving the tube, simulation on three-dimensional flow field of the launching process is conducted, and the fluid field of the seawater jet at nozzle after the weapon leaving the tube is obtained. The free jet noise of underwater round pipe is calculated using the Lighthill acoustic analogy integral method based on the seawater jet fluid characteristic. Calculation result shows that the energy of seawater jet noise concentrates in the low frequency noise (lower than 100 Hz), and the seawater jet noise is not the main component of the overall launching noise.

submarine underwater launching; seawater jet; noise; simulation

TJ635

A

1673-1948(2015)01-0061-05

2014-10-25;

2014-11-14.

練永慶(1973-), 男, 博士, 副研究員, 研究方向為水中兵器發射技術.