大型客滾船首部砰擊引發艙室噪聲的數值模擬

何麗絲，王德禹

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引言

船舶艙室內的噪聲問題是船舶工程中的重要研究領域之一。傳統上，船舶噪聲問題研究多著眼于由主機、輔機、泵、螺旋槳、空調通風設備等各種機械設備激發船體結構振動所引發的噪聲[1]。現階段的噪聲相關規范也僅限于校核船舶機械振動引起的噪聲。而近年來，隨著國際海事組織（IMO）及各國船級社不斷出臺更為嚴格的船舶噪聲控制標準，對于船舶噪聲問題的研究開始朝著更加系統化、復雜化的方向發展[2–3]。事實上，海上航行船舶在遭遇較大風浪時容易產生大幅度的垂蕩和縱搖運動，這些運動使得船首部分與海水在很短時間內發生大幅度的相對運動，形成所謂的“砰擊”現象。砰擊力作用在船體表面，可能成為船體首部艙室的重要噪聲源。

盡管砰擊現象引發艙室噪聲的物理現象比較直觀，但對于船舶首部砰擊引發艙室噪聲的相關研究卻較少見諸文獻。究其原因，很大程度上是由于砰擊問題本身是一個瞬時發生的強非線性問題，要準確獲得船體首部不同位置處的砰擊壓力是困難的。早期對于物體入水砰擊引起的噪聲問題研究多采用實驗方法[4–6]。近年來，借助于計算流體力學（CFD）技術的快速發展，對船體砰擊問題的數值模擬已經取得了很大的進展。借助高精度的CFD 計算，開展砰擊引起噪聲問題研究逐漸成為可能。鄧方舟[7]開展了低速物體入水聲的特性研究，Barjasteh 等[8]則對楔形體入水砰擊造成的水下噪聲進行了數值和實驗研究。

以1 艘大型客滾船為對象，開展大型客滾船首部砰擊引發艙室噪聲的數值模擬。由于客滾船運載旅客，對艙室內噪聲控制標準就比較嚴苛，但在相關規范中引起噪聲的原因未涉及首部砰擊。另一方面，客滾船車輛甲板為前后貫通的有大型艙室，因此對于噪聲的抑制難度更高。為了評價船舶在航行過程中由于砰擊引發的艙室噪聲，首先采用計算流體力學軟件STAR-CCM+對船舶的砰擊現象進行數值模擬，并通過在船體首部不同位置建立監測點，獲得典型位置上時域狀態下的砰擊壓力和船體的入水速度。編制時域-頻域轉化軟件，借助聲學分析軟件VA One 將壓力和入水速度作為邊界條件（頻域）輸入VA One 軟件中，反映不同強度的砰擊對艙室內噪聲的影響。建立數學模型采用的數值方法，對于計算船體由于入水砰擊產生的艙室噪聲問題具有有效性，得到的數值結果也能為相關船型設計提供參考數據。

1 計算方法及船型選擇

1.1 砰擊引發艙室噪聲的計算方法

采用CFD 軟件STAR-CCM+對船舶在不同海況下航行時的砰擊現象進行模擬，取隨船運動坐標系。坐標系的遠點取在船舶靜止時水線面的形心，x軸指向船首，y軸指向左舷，z軸鉛直向上。將船體沿x、y、z軸的線運動分別稱為縱蕩、橫蕩和垂蕩，繞x、y、z軸的角運動則稱為橫搖、縱搖和首搖。在STARCCM+軟件平臺中建立了虛擬波浪水池。為簡化問題，只考慮規則入射波的情況，在STAR-CCM+平臺中已經內置了常用的入射波形式，因此只需設置數值波浪水池的區域和邊界條件，即可進行入射波的數值模擬。參考之前的波浪-船舶相互作用計算案例，使用如圖1 所示的計算區域及邊界條件，具體為：流域左側為速度入口邊界，右側為壓力出口邊界，兩側和底部均為無滑移壁面邊界，頂部為速度入口邊界。其中，上游和下游均設置3 倍波長（3L），兩側設置2.5 倍波長（2.5L）。

圖1 數值波浪水池立體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the numerical wave tank

以VOF（Volume of Fluid）流體體積法捕捉自由液面的變化。時間離散采用隱式非定常時間推進格式。所有模擬均采用Realizable K-Epsilon2 層湍流模型，應用兩層全y+壁面處理模型。使用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）算法求解壓力場和速度場。船舶在波浪上的運動情況采用STARCCM+中的DFBI（Dynamic Fluid-Body Interaction）模型，對聯立后的方程組進行求解。

CFD 計算得到的是砰擊力的時域信號，而目前常用的噪聲分析數值工具多采用頻域方法，兩者之間存在數據轉換的障礙。砰擊噪聲主要考慮的是船舶在高海況下，由于波浪誘導的大幅度運動而導致的首部砰擊問題，盡管該物理過程存在強烈的非線性效應，但船體收到的砰擊力本質上仍屬于周期性激勵。基于此，采用離散傅里葉變換算法，自主開發船舶入水砰擊力信號的時域-頻域轉化軟件。以船舶的砰擊激勵力時域信號為輸入，通過內置數值計算和轉換工具，實現時域信號到頻域信號的快速計算。

艙室噪聲計算采用聲學分析軟件VA One 中的統計能量法（SEA）進行，Burroughs 等[9]對該方法進行詳細的闡述。在VA One 軟件平臺中應用SEA 方法進行船舶艙室內的噪聲分析時，首先需要建立目標船的聲學分析統計能量模型（簡稱“聲學模型”），而后需要將噪聲的激勵源以外激勵的方式施加在聲學模型上，即可通過求解統計能量方程獲得各聲腔中的聲壓級分布情況。

1.2 目標船型的選取

選擇總長為200 m 的某大型客滾船作為目標船型開展相關計算。目標船型自下而上共有9 層甲板，第3、第5 甲板為貫穿全船的大型車道艙室，第2 甲板高度9.3 m，第5 甲板高度15 m。第7、8、9 甲板為載客甲板，其距離基線高度分別為23.5 m、26.5 m 和29.25 m。其中，第1 甲板為雙層底，第4 和第6 甲板為船中部甲板室內的平臺。對于所考慮的艙室噪聲問題而言，這幾層甲板的影響較低，因此在后續聲學模型的建立中將其忽略。目標船的總布置情況如圖2 所示。

圖2 目標船型的布置情況Fig.2 General arrangement of the subject ship

2 模型的建立

2.1 CFD 計算模型的建立

對于涉及的CFD 計算部分而言，只需船體的幾何外形即可。為此，根據船體的肋骨型線圖進行了船體表面的幾何建模，并對船體的上層建筑進行簡化后，得到的CFD 計算模型如圖3 所示。

圖3 簡化后用于CFD 計算的三維模型Fig.3 Simplified ship model for the CFD computation

為了獲得船首在砰擊現象發生時各部分所受的壓力情況，在船體首部總共設置45 個壓力監測點，具體分布如圖4 所示。這些監測點位于船體表面曲率變化的顯著位置，能夠描述不同情況下，船體外部水壓力對船體結構產生的激勵情況。

圖4 砰擊壓力監測點的布置情況Fig.4 Arrangement of pressure monitoring point

2.2 聲學模型的建立

在VA One 軟件平臺中，根據船體的肋骨型線圖和基本結構圖，建立目標船的SEA 聲學模型，主要使用SEA 平板（SEA Plate) 對船體中部及上層建筑進行建模，船舶首尾曲率較大處則采用SEA 單曲率曲面板殼（SEA single curved shell）進行表達。通過依次連接各橫剖面上的節點，最終形成船體表面的板殼模型如圖5 所示。

圖5 VA One 中建立的全船SEA 模型分解視圖Fig.5 Shrink view of the SEA model built in VA One

在完成全船SEA 建模之后，即可對船體進行SEA 聲腔（Cavity）的劃分。由于本研究主要考慮船舶首部發生砰擊所誘發的艙室噪聲情況，根據船體的結構形式及布置情況，在船首區域內聲腔的劃分較細，船舶中部、尾部由于距離砰擊發生處相對較遠，噪聲的水平不高，可適當增加聲腔的尺寸以簡化建模和計算的過程。最終全船劃分成為70 個聲腔，具體的分布情況如圖6 所示。

圖6 VA One 中建立的全船聲腔模型分解視圖Fig.6 Shrink view of the SEA cavities built in VA One

根據CFD 中壓力監測點的布置情況，首先將船體首部左右兩舷的SEA 板殼各劃分為15 個單元如圖7 所示。假定每個單元上各點的壓力變化情況相同，則將各單元對應監測點監測到的砰擊壓力乘以單元面積后，便可得到不同單元上的砰擊壓力情況。考慮到船首1～5 單元上的壓力變化劇烈，將每個單元上對應的壓力監測信息進行平均，作為該單元上的砰擊力載荷。

圖7 船體首部砰擊壓力的計算單元分布Fig.7 Computation panels for slamming pressure at the bow

確定單元分布后，將點力載荷（Point Force）施加于每個單元的形心位置，即可完成力載荷的施加。SEA 模型通過力的頻譜定義載荷的強度，因此在力的載荷布置完成之后，每一個載荷都關聯一個頻譜。后續計算中，只需根據不同海況下的砰擊壓力更新此頻譜，便可模擬同一位置不同載荷引起的噪聲問題，對載荷的施加位置不再進行調整。

3 計算流程和目標區域

3.1 時域-頻域轉化軟件

采用自編程的時域-頻域信號轉換軟件，實現信號由時域到頻域的轉換，如圖8 所示。入讀時域信號后，軟件自動讀取信號的長度和采用間隔。考慮到CFD計算在初始時刻存在一定的數值誤差，軟件中允許用戶自定義進行傅里葉編號的初始信號序列。以圖8 信號為例，該信號的采樣間隔為0.02 s（即CFD 計算的時間步長），指定從第600 個采樣點開始，選取后續的1 024個信號進行離散傅里葉變換，可以快速得出具體的頻譜及其對應的數值結果。

圖8 軟件功能界面Fig.8 The functional interface of the software

3.2 噪聲監測位置的確定

聚焦于船體首部發生砰擊而引發的艙室內噪聲問題，盡管船首各聲腔距離砰擊點的位置最近，但這些聲腔實際上多為封閉艙室和壓載艙室，對噪聲問題的研究意義不大。根據目標船的實際布置情況，選擇如圖9 所示的5 個艙室，作為噪聲監測的重點位置。將其分別命名為第1～第5 目標聲腔。第1、第2 目標聲腔分別位于第3 甲板和第5 甲板前部，是客滾船車輛停放的區域，其艙室空間大，距離砰擊點相對較近，可能發生較大的砰擊噪聲響應。第3～第5 目標聲腔位于上層建筑甲板室的前部，是旅客活動區域，對噪聲水平有較高的要求。

4 計算結果分析

4.1 砰擊問題的數值模擬結果

考慮目標船在5～8 級海況下迎浪航行的情況，采用工程中常用的“設計波”簡化方法，即以波能相當的規則波代替不規則波，反映船舶在不同海況中的運動響應情況。計算中不同海況下實際使用的設計波波幅及周期如表1 所示[10]，計算航速根據船舶的設計航速，取28.5 kn。

計算得到不同海況下船舶在波浪上航行時的氣-液兩相流體的流動情況，其中每種海況間隔的時長為半個遭遇周期。結果表明，5 級海況下船體首部相對于流體的運動并不明顯，但海況增加以后，船首入水的情況越發明顯。在8 級海況下，船首已經出現大幅度的出水和入水情況，其伴隨的砰擊和上浪現象非常顯著。

圖10 給出了8 級海況下，幾個典型壓力監測點監測到的壓力隨時間變換情況。可以看出，各壓力監測點得出的壓力結果并非完全規則的正弦余弦曲線，而是呈現出類似脈沖信號的變化規律，這些類似于壓力脈沖的信號反映出砰擊現象發生時的壓力變化。在船體進行大幅度垂蕩-縱搖耦合運動，部分監測點會不斷離開并回到水中，因此該點的壓力不斷在空氣壓力和水壓力之間跳躍。在監測點接觸水面的短暫瞬間，壓力會以砰擊現象的發生瞬間達到一個較高水平，而后隨著船體入水，壓力水平逐漸降低。當監測點離開水體接觸空氣時，壓力則接近于0。這樣的過程不斷反復，便形成了對艙室內噪聲的激發效果。

圖10 八級海況(S.S.8)下典型位置壓力監測點監測到的壓力變化時歷結果Fig.10 Time history of the monitored pressure under Sea State 8

4.2 砰擊引發艙室內噪聲的數值結果

為計算不同海況下砰擊現象引發的艙室噪聲情況，假定圖7 中定義的每個單元上各點的壓力變化情況相同。在每種海況下，首先將各單元上包含的壓力監測點所測得的壓力時歷曲線進行平均，再與單元的面積相乘后，以獲得得到該單元時域的激勵力信號。通過時域-頻域轉化軟件，即可得到該單元上的激勵力頻譜。圖11 展示了8 級海況(S.S.8)第2 個單元上的砰擊力頻譜。可以看出，盡管CFD 計算中只考慮了規則入水波的情況，但由于砰擊問題的非線性特性，得到的能量頻譜還是覆蓋了一定的頻率區間，這也符合SEA 方法對載荷頻譜特性的要求。由于聲學計算模型在船體左右兩舷各劃分了15 個單元，因此每個海況下都需要通過時域-頻域轉化軟件求得15 個激勵力頻譜。將這些頻譜作為外激勵加載到VA One 軟件中，即可得到艙室內的聲學水平。

圖11 八級海況(S.S.8)第2 個單元上的砰擊力頻譜Fig.11 Computed slamming force spectrum for the panel No.2 under sea state 8

圖12 給出了不同海況下船體總體聲壓的計算結果。可以看出，由于砰擊力載荷作用于首部，在球鼻首及其附近產生的聲壓級最高，5～8 海況下對應的最高聲壓分別為106.2 dB、110 dB、118.4 dB 和121.6 dB。而隨著艙室的位置逐漸遠離砰擊發生的位置，各艙室內的聲壓水平顯著下降。

圖12 各海況下船體總體聲壓分布計算結果Fig.12 Computed overall sound level of the ship at different Sea State

船首部分的聲壓級雖高，但由于其遠離人員活動區域，并不會造成明顯的危害。相比較而言，人員活動區域的聲壓水平更受關注。為此，將圖9 中5 個目標聲腔中的噪聲水平進行匯總，并采用國際上常用的NR 曲線方法[11]，對噪聲的水平進行評價。NR 曲線噪聲評價方法采用“相切法”（tangency method）確定噪聲的NR 值，具體如下：先測量各個倍頻帶聲壓級，再把倍頻帶噪聲譜合在NR 曲線上，與頻譜相切的最高NR 曲線為該噪聲的NR 噪聲等級。ANSI/ASA S12.2-2008 標準[11]推薦的不同場合NR 曲線如表2 所示。

表2 各類建筑物室內允許噪聲級NR 曲線Tab.2 The allowable NR level for various room noises

將各目標聲腔在不同海況等級下的聲壓級計算曲線分別繪入NR 曲線圖，所得到的結果如圖13 所示。表3 則列出了各艙室在不同海況下的最終NR 等級。

表3 各目標艙室的NR 曲線評級結果Tab.3 Summary of the evaluated NR level of selected cabins

圖13 目標艙室的NR 曲線評定結果Fig.13 Evaluated NR-Level of the target cabin

目標艙室1 和2 分別位于第3 和第5 甲板的前端，這是客滾船裝載車輛的區域，在5～7 級海況之下，這2 個艙室的噪聲水平在NR-20 上下，屬于靜謐的環境。目標艙室3～5 屬于人員活動的區域，在5～7 級海況之下，這些艙室內由于砰擊現象造成的噪聲水平低于NR-10，說明此時的砰擊現象不會激起上層建筑內的噪聲情況。

8 級海況下，各艙室內的噪聲水平均發生顯著提升。這是由于此海況下船體首部已出現了大范圍的入水現象，此時船體首部所受的激勵力與5～7 級海況下相比已出現明顯變化。在8 級海況下，目標艙室1～艙室3 的NR 等級在50 左右，目標艙室4 內的噪聲等級NR-45，目標艙室5 內則為NR-20。對標表2 中給出的噪聲參考標準可以看出，此時目標艙室1～艙室4 中的噪聲已值得關注，特別是在目標艙室4 內，對于人員活動的區域，較高的噪聲等級可能影響旅客的乘坐舒適度，并可能導致一定的安全隱患。

船舶在8 級海況或更高級海況航行下，可通過主動降低航速的方法，減少在高海況下大幅度垂蕩和縱搖運動的產生。垂蕩和縱搖耦合運動的減弱會帶來砰擊力的顯著降低，相應地，由于砰擊產生的噪聲水平也會明顯下降。

5 結語

針對船舶在波浪中航行時，由于受到波浪的作用所發生的入水砰擊現象，以及砰擊現象誘發的艙室噪聲進行了數值研究。以一艘大型客滾船為對象，對其在5～8 級海況下迎浪航向時的首部砰擊現象進行了模擬，并對5 個典型艙室內由于砰擊引發的噪聲進行了計算。

砰擊現象的模擬采用計算流體力學（CFD）軟件STAR-CCM+進行，聲學分析則借助VA One 軟件中的SEA 模塊進行。通過將CFD 計算得到的結果經過FFT 轉換為頻譜后輸入聲學分析軟件中，獲得了砰擊引發的艙室噪聲數值預報結果。

通過計算發現，目標船型航行時海況等級每提升一級，砰擊引起的聲學能量激勵增加約一個數量級，相應地，全船總體的噪聲水平提升3 dB 左右。為評價船體由于砰擊而產生的噪聲水平，在船體前部的5 個典型位置處選擇了5 個目標聲腔，其中第1 和第2 目標聲腔則分別位于第1 層和第2 層車輛甲板靠近船首的區域，第3、4、5、目標聲腔則位于甲板室前部靠近船首的位置。引入國際上常用的NR 曲線方法對各目標艙室的噪聲等級進行評價后發現，5～7 級海況下，船體5 個目標聲腔的噪聲水平都比較低，但在8 級海況下，各目標艙室內的噪聲相當可觀。造成這種現象的原因是因為8 級海況下，船首已出現了顯著的入水情況，各壓力監測點的出現強非線性的變化，導致砰擊力激勵頻譜的幅值顯著提升，能量分布的頻率區間也更大。要降低砰擊引發的艙室噪聲水平，改善船舶的航向狀態，盡量選擇較低的海況以減少砰擊載荷是一種最為簡單可行的方案。

實現了流體力學CFD 計算與聲學統計能量SEA 計算的結合，船舶流體力學與聲學計算一體化流程，給出了一種簡便可行的預報船舶在波浪上航行時由于砰擊引發艙內噪聲的計算方法。為大型客船的設計和噪聲性能分析提供了有效實用的工具，同時對相關噪聲規范中未涉及的噪聲計算起到指導作用。