泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響

盧丁丁, 付 建

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泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響

盧丁丁1, 付 建2

(1. 海軍裝備部, 陜西西安, 710077; 2. 海軍潛艇學(xué)院, 山東青島, 266199)

泵噴推進(jìn)器由于導(dǎo)管的存在, 使其聲場(chǎng)的產(chǎn)生與傳播較螺旋槳有很大不同。為掌握該推進(jìn)器的聲學(xué)性能,指導(dǎo)推進(jìn)器的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì), 文中結(jié)合點(diǎn)源模型和邊界元方法完成了泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子的聲場(chǎng)預(yù)報(bào), 分析了導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響。對(duì)導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)而言, 其聲場(chǎng)特性與螺旋槳有相似之處, 寬帶聲源級(jí)指向性呈8字形。由于導(dǎo)管散射效應(yīng)的存在, 轉(zhuǎn)子的入射聲場(chǎng)與散射聲場(chǎng)存在較大差異, 使得導(dǎo)管對(duì)徑向測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)影響較大, 對(duì)軸向測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響可以忽略。

泵噴推進(jìn)器; 導(dǎo)管; 轉(zhuǎn)子; 聲場(chǎng); 點(diǎn)源模型; 邊界元法

0 引言

泵噴推進(jìn)器是由導(dǎo)管、定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的組合式推進(jìn)裝置。泵噴推進(jìn)器與螺旋槳相比, 流體動(dòng)力特性以及噪聲產(chǎn)生、傳播方式均存在較大差異, 導(dǎo)管將泵噴推進(jìn)器流場(chǎng)分解成內(nèi)外流場(chǎng), 其相應(yīng)的聲場(chǎng)亦被分為內(nèi)外兩部分, 內(nèi)聲場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)管口向外傳播, 相對(duì)于自由空間而言其指向性明顯不同[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)泵噴流體動(dòng)力性能預(yù)報(bào)與分析的相關(guān)研究相對(duì)較多[3-5], 而和噪聲性能相關(guān)的研究很少[2,6-7]。由于泵噴一般工作于一定水深條件下且減速導(dǎo)管可以有效抑制空泡的發(fā)生, 因此轉(zhuǎn)子作為主要做功部件, 其壁面脈動(dòng)壓力引起的負(fù)載噪聲是推進(jìn)器噪聲的最主要貢獻(xiàn)者。轉(zhuǎn)子位于導(dǎo)管內(nèi)部, 如何準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子的輻射聲場(chǎng), 分析導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響, 對(duì)低噪聲泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

泵噴葉輪屬于旋轉(zhuǎn)聲源, 旋轉(zhuǎn)聲源的聲場(chǎng)主要是依據(jù)聲類比方程或點(diǎn)源模型求解。聲類比方程適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的自由聲場(chǎng)計(jì)算, 不能考慮推進(jìn)器導(dǎo)管對(duì)葉輪聲場(chǎng)的影響[8-9]; 點(diǎn)源模型即把旋轉(zhuǎn)葉輪等效為若干個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源, 所有旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源聲場(chǎng)總和即為旋轉(zhuǎn)葉輪聲場(chǎng), 可以計(jì)算任意邊界條件下的旋轉(zhuǎn)聲源輻射聲場(chǎng)[10-11]。此外, 前人對(duì)管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源聲場(chǎng)仿真所做研究多以點(diǎn)聲源為研究對(duì)象[10-11], 文中研究的對(duì)象是分布式聲源。作者在前人工作基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步完善了點(diǎn)源模型在旋轉(zhuǎn)機(jī)械自由聲場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用, 并以泵噴推進(jìn)器為對(duì)象, 計(jì)算了考慮導(dǎo)管散射時(shí)的葉輪聲場(chǎng), 并分析了導(dǎo)管對(duì)葉輪聲場(chǎng)的影響。

1 導(dǎo)管內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源計(jì)算方法

在數(shù)值方法中, 由于邊界元法只需在導(dǎo)管邊界面上劃分網(wǎng)格, 不受形狀、邊界條件的限制, 在導(dǎo)管聲場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛[12-13]。文中基于點(diǎn)源模型和邊界元方法完成導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子輻射聲場(chǎng)的計(jì)算和分析。

1.1 點(diǎn)源模型理論

任何噪聲源都可以看作由多個(gè)具有適當(dāng)相位、幅值和位置的點(diǎn)聲源組成。結(jié)合點(diǎn)源模型理論, 當(dāng)葉片尺寸同分析頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)相比足夠小時(shí), 可將單個(gè)葉片作為緊致聲源處理; 如果單個(gè)葉片不能作為緊致聲源處理時(shí), 可以將葉片沿徑向和軸向劃分為若干部分, 每一部分作為緊致聲源處理[12]。根據(jù)點(diǎn)源模型理論將每個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源沿運(yùn)動(dòng)軌跡離散為旋轉(zhuǎn)圓周上均勻分布的一系列具有相位差的靜止點(diǎn)聲源(見圖1), 每個(gè)離散聲源做相應(yīng)處理, 使得不同時(shí)刻靜止點(diǎn)聲源按照沿旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源運(yùn)動(dòng)軌跡的排列順序依次發(fā)聲, 從而模擬點(diǎn)聲源在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的發(fā)聲過(guò)程, 時(shí)域聲源可進(jìn)一步變換為頻域聲源[12]。

1.2 邊界元方法

邊界元法分為直接邊界元法和間接邊界元法。直接邊界元法采用具有明確物理意義的量(如聲壓和振速)作為變量求解, 適用于封閉空間的內(nèi)聲場(chǎng)或外聲場(chǎng)求解; 間接邊界元法以振動(dòng)位移和聲學(xué)勢(shì)函數(shù)作為變量求解, 適用于封閉空間或非封閉空間的聲場(chǎng)求解。間接邊界元方法可以從直接邊界元方法推導(dǎo)出來(lái), 因此本節(jié)主要介紹有入射波條件下的直接邊界元聲場(chǎng)求解方法。

導(dǎo)管內(nèi)點(diǎn)聲源聲場(chǎng)P為入射聲場(chǎng)P和散射聲場(chǎng)P的疊加, 即

文中借鑒Seol等人計(jì)算導(dǎo)管槳噪聲的方法[14], 基于Helmholtz方程預(yù)報(bào)簡(jiǎn)單聲源的非自由聲場(chǎng), 并應(yīng)用邊界元法求解Helmholtz方程。Helmholtz方程解的積分形式可以表示為

(2)

導(dǎo)管作為剛性壁面, 在入射聲波確定后, 由式(2)可以首先計(jì)算出結(jié)構(gòu)表面聲壓, 然后由式(3)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的散射聲場(chǎng)和總聲場(chǎng)。

2 分析對(duì)象

圖2為所分析的魚雷用泵噴模型。在計(jì)算轉(zhuǎn)子負(fù)載噪聲之前, 首先要獲得轉(zhuǎn)子壁面的脈動(dòng)壓力信息, 文中采用CFD方法完成“魚雷+泵噴”的瞬態(tài)流場(chǎng)模擬, 對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)計(jì)算模型如圖3所示(為雷體長(zhǎng)度)。

對(duì)流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行離散時(shí), 泵噴壁面第1層網(wǎng)格厚度控制在/1 000左右(為泵噴進(jìn)口直徑), 以準(zhǔn)確模擬固體壁面的脈動(dòng)壓力信息; 瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算時(shí), 泵噴轉(zhuǎn)子與定子的動(dòng)靜耦合選用滑移網(wǎng)格模型, 湍流模擬方法選擇分離渦模型, 時(shí)間步長(zhǎng)定為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.3°所需時(shí)間。設(shè)定泵噴轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的來(lái)流速度, 進(jìn)行系統(tǒng)的瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算, 待流場(chǎng)穩(wěn)定后提取轉(zhuǎn)子壁面脈動(dòng)壓力信息, 即可進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。

3 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的計(jì)算與分析

3.1 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的仿真方法

應(yīng)用點(diǎn)源理論和邊界元法求解泵噴轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)時(shí), 首先將泵噴轉(zhuǎn)子壁面流體網(wǎng)格上的壓力映射到轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)網(wǎng)格, 然后將轉(zhuǎn)子分塊離散, 每個(gè)分塊等效為一個(gè)偶極子, 根據(jù)瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)將旋轉(zhuǎn)偶極子沿運(yùn)動(dòng)軌跡離散為有限個(gè)有固定相位差的偶極子, 最后考慮泵噴靜止壁面的聲反射、散射作用, 即得到轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)聲場(chǎng)。導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子噪聲的計(jì)算模型如圖4所示。

3.2 導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的計(jì)算

泵噴轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的場(chǎng)點(diǎn)布置如圖5所示, 指向性場(chǎng)點(diǎn)在水平方向360°范圍內(nèi), 場(chǎng)點(diǎn)之間間隔3°。

葉頻(blade passing frequency, BPF)是轉(zhuǎn)子線譜噪聲的主要來(lái)源, 因此以葉頻處的聲場(chǎng)特性為對(duì)象做進(jìn)一步分析。圖6即為10BPF以內(nèi)導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的寬帶聲源級(jí)指向性。由圖6可知, 轉(zhuǎn)子噪聲在軸向測(cè)點(diǎn)寬帶聲源級(jí)最高, 這與螺旋槳噪聲指向性類似, 主要是由于轉(zhuǎn)子的軸向載荷要遠(yuǎn)大于水平方向和垂直方向的載荷, 使得軸向聲場(chǎng)最強(qiáng), 指向性呈類8字形分布。

3.3 導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響分析

由于導(dǎo)管作為剛性壁面, 其散射效應(yīng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的輻射聲場(chǎng)產(chǎn)生一定影響, 圖7為考慮導(dǎo)管聲散射效應(yīng)前后部分頻率點(diǎn)處轉(zhuǎn)子的聲源級(jí)指向性對(duì)比。由圖7可知, 考慮導(dǎo)管散射效應(yīng)后, BPF處的轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)在90°和255°處變化較大, 其中90°處聲壓降低了6.8 dB; 3BPF處聲場(chǎng)除在90°和270°附近有較小變化外, 其余測(cè)點(diǎn)噪聲基本不受影響; 10BPF聲場(chǎng)在75°和250°附近變化較大。

圖8為BPF處總聲場(chǎng)、入射聲場(chǎng)和散射聲場(chǎng)的近場(chǎng)聲壓分布云圖。從聲壓最大幅值上而言, 散射聲場(chǎng)要遠(yuǎn)低于入射聲場(chǎng); 從聲壓分布上講, 散射聲場(chǎng)和入射聲場(chǎng)之和即總聲場(chǎng)與入射聲場(chǎng)存在較大差異。

為深入分析導(dǎo)管聲散射效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響, 將轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的每個(gè)離散偶極子按照力的矢量方向分解為,和3個(gè)分量, 并計(jì)算所有偶極子的不同方向分量所對(duì)應(yīng)的入射聲場(chǎng)和散射聲場(chǎng)的聲源級(jí)指向性, 如圖9所示。

由圖9可知, 由于指向性場(chǎng)點(diǎn)所在平面與軸垂直, 使得在平面的入射聲場(chǎng)較弱, 且指向性基本呈圓形;和對(duì)應(yīng)的入射聲場(chǎng)聲壓指向性分別是關(guān)于軸和軸對(duì)稱的8字形, 這與自由場(chǎng)條件下偶極源的聲場(chǎng)指向性一致。考慮導(dǎo)管聲散射作用后,對(duì)應(yīng)的散射聲場(chǎng)在大部分測(cè)點(diǎn)處強(qiáng)于入射聲場(chǎng);對(duì)應(yīng)的散射聲場(chǎng)在90°附近較強(qiáng), 且與入射聲場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng);的散射聲場(chǎng)在軸向低于入射聲場(chǎng), 而在徑向高于入射聲場(chǎng), 使得散射聲場(chǎng)對(duì)軸向測(cè)點(diǎn)總聲場(chǎng)的影響很小; 由于徑向測(cè)點(diǎn)處的聲場(chǎng)主要是由貢獻(xiàn), 軸向測(cè)點(diǎn)處的聲場(chǎng)主要由貢獻(xiàn), 因此考慮導(dǎo)管散射后, 軸向測(cè)點(diǎn)的聲壓基本不變, 而徑向測(cè)點(diǎn)聲壓變化較大。

由上述計(jì)算分析結(jié)果可知, 導(dǎo)管的存在會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)產(chǎn)生較大影響, 尤其是在徑向測(cè)點(diǎn), 可稱其為“側(cè)壁屏蔽效應(yīng)”; 由于導(dǎo)管長(zhǎng)度較短其對(duì)軸向測(cè)點(diǎn)噪聲的影響可以忽略; 雖然散射聲場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于入射聲場(chǎng), 但考慮導(dǎo)管散射效應(yīng)之后的轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)與自由聲場(chǎng)的聲壓分布存在較大差異。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可知, 點(diǎn)源模型和邊界元方法的聯(lián)合應(yīng)用可以解決導(dǎo)管內(nèi)旋轉(zhuǎn)聲源聲場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題, 文中用該方法完成了導(dǎo)管內(nèi)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的計(jì)算和分析, 并且考慮泵噴導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的散射效應(yīng)后, 轉(zhuǎn)子的入射聲場(chǎng)和散射聲場(chǎng)存在較大差異, 導(dǎo)管對(duì)徑向測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)影響較大, 對(duì)軸向測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響可以忽略。

文中主要針對(duì)推進(jìn)器的中低頻噪聲進(jìn)行分析, 在高頻段導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)子聲場(chǎng)的影響更為突出, 由于硬件條件限制, 尚未對(duì)該部分開展相關(guān)研究。利用該方法指導(dǎo)低噪聲泵噴尤其是泵噴轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)將是下一步主要工作。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Effect of Pump-jet Propulsor Duct on Sound Field of Rotor

LU Dingding, FU Jian

(1. Navy Armament Department, Xi′an 710077, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

The sound field generation and propagation of a pump-jet propulsor is quite different from that of a propeller because of the existence of the duct. In order to understand the sound performance of the pump-jet propulsor for its acoustic optimization design, the point source model and boundary element method are used to forecast the sound field of rotor in the duct, and the effect of the duct on the sound field is analyzed. The characteristic of rotor sound field in the duct is similar to that of the propeller, and the directivity of wide-band acoustic source level shows 8 shape. The incident sound field and scattering sound field of the rotor are quite different due to the scattering effect of the duct, resulting a remarkable effect of the duct on the sound field of the rotor in radial direction, and a neglectable effect in axial direction.

pump-jet propulsor; duct; rotor; sound field; point source model; boundary element method

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.002

TJ630.33; U664.34

A

1673-1948(2016)06-0407-05

2016-09-11;

2016-10-15.

盧丁丁(1986-), 男,博士, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).