通海管路排出口結構優化對聲學特性的影響分析

張生樂，賈曉丹，夏 苑，徐建龍，潘國雄

(武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

艦船內部含有大量的通海管路系統，承擔著海水介質流通、交換的作用[1-3]。排出口結構是通海管路系統的重要組成部分，更是艦船連接舷內外的關鍵。由于通海管路系統內部海水的湍流效應和激勵作用，以及外部海水的沖擊作用，使得排出口位置產生振動，導致艦船噪聲增大[4-8]。目前，艦船排出口結構形式多樣，有長方體、圓柱體，棱柱體等等，這些排出口結構的主要作用是將艦船內部流體介質排出到舷外[9]。由于排出口結構形式直接影響到艦船整體振動噪聲強弱，那么究竟哪一種結構形式的排出口減振降噪效果最佳，也是值得研究的熱點問題之一。

本文通過開展排出口結構形式優化對聲學性能的影響分析，明確排出口結構優化設計思路，分析不同結構形式的排出口對振動噪聲的影響，得出排出口優化結構。對比外流場條件下排出口結構優化前后的聲學特性，驗證排出口優化結構的可行性及降噪效果。

1 優化設計思路分析

1.1 幾何建模

結合實船海水管路排出口及相鄰結構形式特點，采用計算軟件Ansys Workbench 中的DM 建立整個計算域的幾何模型，如圖1 所示。該幾何模型包括出水腔、進水腔、出水管、進水管、補水管，外流域，其中出水腔和外流域之間含有出水腔柵欄孔，進水腔和外流域之間含有進水腔柵欄孔。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

1.2 網格劃分

為保證仿真計算精度，將整個計算域的幾何模型劃分成多個區域，依次進行網格劃分。在不同區域之間設置交界面進行匹配，并保證相互匹配的2 個交界面上的網格數目相近。對流動情況復雜和重點關注區域的網格進行加密處理。最終整個計算域網格總數約為500 萬，具體網格模型如圖2 所示。

圖2 網格模型示意圖Fig.2 Mesh models

1.3 聲源面和邊界條件設置

在整個計算域中，選擇流域內的交界面作為聲源面，共10 個面，如圖3 所示。

出水管相當于外流域進水位置，設定為速度入口。進水管相當于外流域出水位置，設定為壓力出口。由于外流域體積非常大，以至于可忽略其對流場的影響，故整個計算域采用固壁邊界條件。在非定常計算過程中，聲頻率與計算步長和數據寫頻率[10]有如下關系：

圖3 聲源面Fig.3 Sound source

式中：f 為頻率；m 為數據寫頻率；△t 為時間步長，考慮到計算的最高頻率擬控制在10 kHz 以內，故時間步長設置為Δt=5.0×10－5s，每個時間步最大迭代次數設為20。

1.4 工況選擇

結合實際艦船管路排出口噪聲輻射情況，在此選擇5 種工況進行仿真計算。補水管關閉，出水孔流速如表1 所示。

表1 五種工況Tab.1 Five working conditions

1.5 計算結果比較

為保證不同出水孔流速下頻譜分析中頻率分辨率的一致性，同時考慮時域信號周期的范圍，截取的總時間段均是0.7 s，聲分析結果如圖4～圖6 所示。由圖4 可知，隨著出水孔流速的增大，對應的聲壓逐漸增大。由圖5 可知，在不同出水孔流速下，整個頻段內的聲壓級分布趨勢相同，均存在波峰和波谷，且低頻區域均是噪聲的主要來源。由圖6 可知，出水孔流速與總聲壓級擬合曲線的斜率較大，值約為1。說明出水孔流速大小對總聲壓級的影響較大，也說明出水孔流速的減小會導致總聲壓級的降低，并且降低的幅值較大。

由于排出口結構噪聲的最直接聲源是出水腔內的射流，射流經過柵欄孔流入外流域，在舷外形成射流混合噪聲。根據Fisher 等理論，降低射流速度，是減小聲強最有效的途徑。但是，艦船在實際航行過程中，由于出水孔流速受到實際工況的制約，出水孔流速無法變小，因此考慮在保證出水孔流速不變的條件下，采用優化通海管路系統排出口結構的方法，降低出水腔內流速，達到降低整個通海管路系統水動力噪聲的目的，進而起到降低艦船振動噪聲的效果。

圖4 時域圖對比Fig.4 Comparison of time-domain

圖5 頻譜圖對比Fig.5 Comparison of spectrograms

圖6 總聲壓級對比Fig.6 Comparison of OSPLs

2 排出口結構優化設計

根據上述排出口結構形式優化設計思路，在此提出另外4 種排出口結構形式。其中結構1 在出水腔內加裝導流裝置，并形成網格模型，如圖7 所示。結構2 將出水管與出水腔的交界面和柵欄孔所在圓面直接相連，建立出水腔的網格模型，如圖8 所示。結構3 改變出水管與出水腔交界面的位置，使交界面與柵欄孔所在圓面平行且兩個面的圓心保持在同一高度上；同時，將出水管的彎管換成直管，避免彎管轉角對水流偏移的影響。結構3 的具體網格模型如圖9 所示。結構4 將出水腔由方腔改成喇叭口形式，將出水管與出水腔的交界面與船外殼出水腔柵欄孔所在圓面直接相連，形成喇叭口。在出水腔柵欄孔的中間位置加裝1 個等腰三棱柱形式的導流裝置，在出水腔上部加裝4 個等邊三棱柱形式的導流裝置。結構4 的具體網格模型如圖10 所示。

圖7 導流裝置網格模型Fig.7 Mesh model of guide device

圖8 結構2 網格模型Fig.8 Mesh model of structure two

圖9 結構3 網格模型Fig.9 Mesh model of structure three

圖10 結構4 網格模型Fig.10 Mesh model of structure four

3 無外流場條件下計算結果對比分析

在上述工況4 條件下，仿真計算另外4 種排出口結構下的流體分布情況，得出同一截面位置的速度矢量圖，如圖11 所示。從圖11（a）可以看出，出水腔內流場分布明顯不均勻，導流裝置附近流速較大，出水腔內還存在明顯漩渦。出水管內產生了回流，這可能導致出水管內流速變大，進而導致出水腔內局部流速變大。因此，出水腔內加裝導流裝置，并未達到減小出水腔內水流紊亂程度，降低出水腔內水流速度的目的。從圖11（b）可以看出，出水腔內水流存在明顯的偏移現象，即集中沿著出水腔的底部運動，從柵欄孔下部流出，并在腔室內其他形成漩渦。從圖11（c）可以看出，水流也存在明顯的偏移現象。水流從出水管流入出水腔，沿上壁面集中從柵欄孔上部流出，在出水腔下部形成漩渦，并只有少量水流出。同時，水流在筆直的出水管中仍發生了偏移，這說明偏移并不是由出水管的彎管部分導致的。從圖11（d）可以看出，柵欄孔附近水流分布相對較為均勻，且流速相對較小。從整體上來說，當排出口設定為結構4時，出水腔內水流速度相對較小，且分布相對較為均勻，即該排出口結構為優化結構。

圖11 另外4 種排出口結構的流體速度矢量圖Fig.11 Flow velocity vectors for another four discharge ports

當工況仍設定為工況4 時，仿真計算得出的排出口原始結構和另外4 種結構下的總聲壓級如表2 所示。

表2 總聲壓級對比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 三個分析頻段范圍內，與排出口原始結構的總聲壓級相比，結構1 和結構3 的總聲壓級在有的頻段范圍內偏高，在有的頻段范圍內偏低；結構2 的總聲壓級均偏高；結構4 的總聲壓級均偏低，其中在1.44 Hz～10 kHz 頻段內，最大降噪效果達到4.15 dB。故再次證實結構4 為排出口的優化結構。

4 外流場條件下聲學效果對比

水動力噪聲實質上是由流場中大大小小的漩渦產生的。在有無外流場條件下，排出口結構內部的漩渦狀態不同，內部的脈動壓力也不同，導致噪聲大小也不同。因此，為了更準確地對比排出口結構優化前后的聲學效果，在排出口處設置一個沿流向14.4 m、垂向12 m、橫向6 m 的流域，稱為外流域。外流域入口距聲源面4 m，出口距聲源面8 m，垂向距聲源面5 m。具體幾何模型，如圖12 所示。外流域入口速度取3.087 m/s，出口為壓力出口，其他面設為對稱面。然后仿真計算不同工況下，排出口結構優化前后（即原始結構和優化結構條件下對比）的聲學情況。

圖12 外流場下仿真模型Fig.12 Geometric model in outer flow field

圖13 給出了不同工況下，排出口結構優化前后的頻譜圖對比?？梢悦黠@看出，排出口結構優化前后的聲壓級變化趨勢相同。從整體上來說，排出口結構優化后的聲壓級明顯低于排出口結構優化前的聲壓級，表明排出口的優化結構在全頻段內均具有較好的降噪效果。

圖13 頻譜圖對比Fig.13 Comparison of spectrograms

5 結 語

本文對通海管路排出口結構形式進行優化設計，比較了不同結構形式下的聲學特性，得出研究結論如下：

1）通過優化排出口結構形式，降低出水腔內流速，進而達到降低通海管路系統水動力噪聲的優化。

2）排出口結構的具體優化方案為：將出水腔由方腔改成喇叭口形式，將出水管與出水腔的交界面與船外殼出水腔柵欄孔所在圓面直接相連，形成喇叭口。在出水腔柵欄孔的中間位置加裝1 個等腰三棱柱形式的導流裝置，在出水腔上部加裝4 個等邊三棱柱形式的導流裝置。

3）在有、無外流場條件下，排出口優化結構的聲學特性明顯優于其原始結構的聲學特性，表明排出口優化結構具有較好的降噪效果。