水面滑行艇的流場與流噪聲數值計算與研究*

余紅

(廣東科學技術職業學院,廣東珠海 519090)

0 引言

初期的水面滑行艇對抗水流場阻力的主要辦法是增強推進作用力,增大滑行艇能耗。受計算工具的限制初期的水面滑行艇動力控制系統沒有對水流場數值進行計算。隨著數字化及大數據時代的到來,可以通過數值來模擬建立附近的水流場模型,從而減小航行船體阻力,提高航行速率,增強續航能力。

課題組成員深入研究了RNGk-ε、標準k-ε等幾種常用模型,使用仿真軟件對流場及流噪聲數值變換進行了數值計算和結果分析。

1 水流場及流噪聲數值計算模型

1.1 R NGk - ε模型

受海面、地形、風力及水流速等多因素影響,沒有一個水流場模型能適應所有環境。本文根據實效性和精確性等性能要求,選擇了對理想水流場N-S方程數值計算精度進行改進后的RNGk-ε模型,對其進行了重點研究。

RNGk-ε模型中水流場的動力方程為：

計算水流場與滑行艇碰撞時的損耗率ε的方程為：

兩個方程式中,Gk代表水流場水平方向產生的動能、Gb代表水流場垂直方向產生的動能,YM代表水流梯度的能耗遞減比[1],理想狀態下 C1ε=1.37,C2ε=1.74。

1.2 流噪聲數值計算模型

通過文獻查閱我們得出滑行艇的流噪聲模型可借用水面聲學傳播的相關理論及公式,使用維納-霍夫方程結合項目組的實驗數據建立了滑行艇的流噪聲模型。

實驗中設定V為水面滑行艇水流區域,實驗得出滑行艇的流噪聲波動大小受監測距離的影響較大,監測點與滑行艇距離越近流噪聲波動越大,反之波動越小,其波動方程為：

方程式中,α0代表流噪聲速率,類似于聲音在水中的理論傳播速率[2],'ρ代表理想狀態下,滑行艇航行的擾動系數,結合水聲傳輸的動力方程：

最終得到流噪聲的密度方程為：

式中,Tij為噪聲流的衰減系數。

1.3 水流場與流噪聲的約束條件

海洋的不均勻性與多變性都會影響滑行艇水流場,因此在進行水流場與流噪聲數學建模時,我們對船舶的體積形狀進行一定的約束[3],其約束條件為：

水面上船舶航行中,因為水流通過船體的動能及密度的變化很大,所以無法以整船的數據來反映水流場及流噪聲情況,實驗中我們以船頭為標點,選取一定距離的水流來比對分析,主要分析固定動能k和ε衰減量下的水流場。

項目研究中,我們對滑行艇的水流場和流噪聲數學建模中的邊界定義如下：

(1)將離滑行艇頭部指定距離處(實驗時取的是整個船舶身長)的水流設定為入口,獲取該位置的流速及動能；

表2 水流阻力仿真結果Tab.2 Simulation results of water flow resistance

(2)將離滑行艇尾部2倍船舶身長的距離設為水流的出口,獲取該位置的流速及動能；

(3)因為實驗中水流場的采集區域離船體較遠,因此衰減系數恒定。

2 實驗結果分析

2.1 水流場計算結果分析

項目團隊實驗時使用的是壓縮滑行艇模型,模型高寬長分別為180cm,250cm,480cm,水流場入口位于滑行艇頭部540cm處口,距離滑行艇尾部1080cm處選取為出口。在網格結構模型中,選取網格點89000個,V水流=5m/s,R=1.65231×107,為了實驗數據的精確性,項目團隊設定e水流恒定的情況下計算不同網格點水流場的精度,計算步長為0.7×10-5s。

實驗團隊在水槽中部署了6個水聲傳感器,具體位置如表1：

使用RNGk-ε模型、k-ε和SSTk-ε來計算水流阻力,得到如下結果：

2.2 流噪聲計算結果分析

實驗中以船重心為計算坐標中心[4]來計算滑行艇流噪聲,坐標軸如圖1：

圖1 船滑行艇流噪聲坐標示意圖Fig.1 Schematic diagram of the noise coordinate of the ship planing boat flow

圖1中,X軸表示重心到船頭方向,Y軸與X軸垂直,Z軸表示實驗船體的寬度方向。理論上流噪聲會沿船體邊緣影響船舶設備信號的發送與接收,為了實驗結果的精確性,我們在船體中心邊緣放置水聲器,并且將模擬水壓值恒定為1uPa,最后得到船體中心邊緣處流噪聲的脈動壓力隨頻率的變化圖像為,如圖2：

圖2 流噪聲脈動壓力仿真圖Fig.2 Flow noise pulsating pressure simulation diagram

3 結語

項目團隊對主流水面滑行艇水流場模型進行分析比對后選擇了RNGk-ε模型,使用維納-霍夫方程結合項目組的實驗數據建立了滑行艇的流噪聲模型,在此基礎上進行了仿真分析。