付森宗，謝天宇

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海200120；2.海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無(wú)錫 214082）

船后噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲源脈動(dòng)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

付森宗1，謝天宇2

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海200120；2.海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無(wú)錫 214082）

為避免尺度效應(yīng)對(duì)噪聲性能的影響，文章研究探索了在實(shí)尺度條件下裝船后噴水推進(jìn)器噪聲聲源的數(shù)值計(jì)算方法。首先，基于分離渦模型對(duì)國(guó)外某噴水推進(jìn)泵內(nèi)部非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將計(jì)算得到的不同轉(zhuǎn)速下泵的功率值與廠商提供數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最大誤差在2.0%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性。其次，完成了實(shí)尺度條件下某“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)帶自由液面的非定常流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。提取了實(shí)船條件下噴水推進(jìn)器流道進(jìn)口處的不均勻速度場(chǎng)，將其加載到單個(gè)噴水推進(jìn)器數(shù)值計(jì)算模型的進(jìn)口邊界。進(jìn)而，采用分離渦模型對(duì)該船后“噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”內(nèi)部非定常流場(chǎng)脈動(dòng)壓力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了各個(gè)特征截面壓力脈動(dòng)的頻域特性，為下一步準(zhǔn)確計(jì)算噴水推進(jìn)器噪聲提供了有效的脈動(dòng)流場(chǎng)信息。

噴水推進(jìn)器；聲源；壓力脈動(dòng)；非定常；實(shí)尺；數(shù)值模擬

0 引 言

噴水推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于高速高性能艦船已成為國(guó)外公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用范圍正不斷向大功率艦艇延伸[1-3]。隨著人們對(duì)艦艇隱身性不斷提出的新需求，噴水推進(jìn)器的振動(dòng)和水下輻射噪聲控制已顯得越來(lái)越重要。噴水推進(jìn)器船的主要噪聲源包括機(jī)械噪聲和推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲等，隨著機(jī)械噪聲得到越來(lái)越有效的控制，對(duì)推進(jìn)器流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的研究越來(lái)越受到重視[4]。泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲主要由單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源三部分組成，各個(gè)聲源對(duì)噪聲的影響程度有所不同[5]。若假設(shè)泵殼是剛性的，單極子聲源噪聲數(shù)值近似為零。四極子聲源的輻射功率與偶極子源輻射功率之比與馬赫數(shù)的平方成正比，本研究所用噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.1，即四極子源噪聲相對(duì)偶極子源噪聲可忽略不計(jì)[6]。因此，噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲主要由偶極子聲源決定，其表示的是由物體表面壓力脈動(dòng)引起的聲源。也就是說(shuō)，準(zhǔn)確地確定噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲源的前提是準(zhǔn)確地捕捉噴水推進(jìn)泵內(nèi)部壁面的脈動(dòng)壓力。

目前，對(duì)噴水推進(jìn)器內(nèi)部復(fù)雜的非穩(wěn)定流場(chǎng)特性很難通過(guò)物理試驗(yàn)直接測(cè)量的方法獲得，隨著計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算聲學(xué)的發(fā)展，三維非定常湍流分析方法和數(shù)值計(jì)算聲學(xué)方法為揭示推進(jìn)器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理以及噪聲特性提供了一種新的有效途徑[7-9]。本研究主要探索如何采用數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確地確定噴水推進(jìn)器內(nèi)部激起噪聲聲源的脈動(dòng)流場(chǎng)，即準(zhǔn)確地獲得噴水推進(jìn)器內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性。由于噪聲不具有嚴(yán)格的相似性，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的縮比模型來(lái)確定噪聲特性，因此本研究均采用實(shí)尺對(duì)噴水推進(jìn)器相關(guān)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，基于分離渦（DES）方法對(duì)某噴水推進(jìn)器非定常流場(chǎng)特性進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)廠商提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和有效性。然后，采用實(shí)尺模型對(duì)“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以此包含了船體和噴水推進(jìn)器的相互影響。進(jìn)而，將實(shí)船條件下的噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道進(jìn)口處的進(jìn)流條件加載到單個(gè)“噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”計(jì)算模型進(jìn)行非定常流場(chǎng)脈動(dòng)壓力的數(shù)值計(jì)算，并分析了噴水推進(jìn)器各個(gè)特征截面壓力脈動(dòng)的頻域特征，為確定噴水推進(jìn)器的噪聲聲源脈動(dòng)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算提供了一種有效的方法。

1 噴水推進(jìn)泵性能的數(shù)值計(jì)算與驗(yàn)證

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是在流體控制方程下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬，在非定常條件下，本研究應(yīng)用不可壓縮的三維連續(xù)方程和分離渦（DES）模型對(duì)該噴水推進(jìn)泵水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬。DES方法是近幾年在國(guó)際上出現(xiàn)的一種新的數(shù)值模擬方法，其主要思想就是在湍流附面層內(nèi)通過(guò)RASN模擬，在其他區(qū)域采用大渦模擬（LES）方法模擬脫體渦運(yùn)動(dòng)，它結(jié)合了常規(guī)的RANS方法和LES方法的優(yōu)點(diǎn)，不但節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間，而且計(jì)算結(jié)果也較為準(zhǔn)確[10-11]。

1.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

以KaMeWa公司的某噴水推進(jìn)泵為研究對(duì)象，其由葉輪、導(dǎo)葉和噴口組成，如圖1（a）所示。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行空間離散，圖1（b）顯示了該噴水推進(jìn)泵葉片表面網(wǎng)格。

1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析及驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算采用總壓進(jìn)口和靜壓出口的邊界條件，基于穩(wěn)態(tài)多參考系方法處理旋轉(zhuǎn)葉輪區(qū)與靜止導(dǎo)葉區(qū)的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題，葉輪的葉片和輪轂設(shè)為相對(duì)靜止無(wú)滑移壁面條件，其它各壁面均設(shè)為絕對(duì)靜止無(wú)滑移壁面條件。

圖1 噴水推進(jìn)泵幾何及葉片表面網(wǎng)格Fig.1 Geometry model and surface mesh of waterjet pump

對(duì)該混流式噴水推進(jìn)泵整個(gè)通道的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了分析，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下采用SST湍流模型對(duì)在不同網(wǎng)格數(shù)目時(shí)噴水推進(jìn)泵的功率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。可以看出，該噴水推進(jìn)泵整個(gè)通道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)在150萬(wàn)到240萬(wàn)之間時(shí)，泵的功率計(jì)算值變化幅度在千分之一以?xún)?nèi)，該噴水推進(jìn)器無(wú)關(guān)性網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該在150萬(wàn)左右，考慮到DES模擬方法對(duì)網(wǎng)格數(shù)目的要求，最終選取的葉輪和導(dǎo)葉的全通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約240萬(wàn)。

將基于SST湍流模型的定常計(jì)算結(jié)果作為DES模型非定常計(jì)算的初始值，以提高非定常計(jì)算的收斂速度和穩(wěn)定性。設(shè)非定常數(shù)值模擬過(guò)程中物理時(shí)間步長(zhǎng)等于葉輪旋轉(zhuǎn)周期的1/360，計(jì)算所用總時(shí)間取為葉輪旋轉(zhuǎn)周期的4倍[3]。圖3顯示了該混流式噴水推進(jìn)泵在各個(gè)轉(zhuǎn)速下功率的定常和非定常計(jì)算結(jié)果，其中，基于SST湍流模型定常模擬計(jì)算了該混流泵7個(gè)轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)特性，計(jì)算得到泵的功率值與廠商提供數(shù)據(jù)的最大誤差為2.9%。基于DES方法計(jì)算了該泵5個(gè)轉(zhuǎn)速下的非定常流動(dòng)特性，計(jì)算穩(wěn)定后將計(jì)算得到的不同時(shí)刻泵的功率值取平均，將該平均值與廠商提供數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最大誤差為2.0%。在整個(gè)計(jì)算轉(zhuǎn)速下基于DES模型的非定常計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際的試驗(yàn)值，這也驗(yàn)證了基于DES方法的數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和有效性，為下一步準(zhǔn)確分析噴水推進(jìn)泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性奠定了基礎(chǔ)。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Fig.2 Analysis of mesh independence of the pump

圖3 噴水推進(jìn)泵的功率特性曲線Fig.3 Power performance of waterjet pump

2 某噴水推進(jìn)器不均勻進(jìn)流場(chǎng)的計(jì)算

以四臺(tái)噴水推進(jìn)器推進(jìn)的噴水推進(jìn)船為研究對(duì)象，其舷側(cè)的兩臺(tái)相同型號(hào)噴水推進(jìn)器用于巡航工況，中間兩臺(tái)相同型號(hào)噴水推進(jìn)器連同舷側(cè)噴水推進(jìn)器在高航速時(shí)使用，船體結(jié)構(gòu)和推進(jìn)器的布置沿船體縱中剖面對(duì)稱(chēng)分布。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為消除尺度效應(yīng)的影響，準(zhǔn)確模擬噴水推進(jìn)泵的實(shí)際不均勻進(jìn)流，全面反映實(shí)船邊界層對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)流特性和推進(jìn)性能的真實(shí)影響，采用足尺1:1模型和VOF模擬方法來(lái)求取“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)的帶自由液面的粘性流場(chǎng)。由于該計(jì)算模型沿船體縱中剖面呈鏡像分布，作者只對(duì)縱中剖面一側(cè)的流場(chǎng)進(jìn)行建模與計(jì)算，以節(jié)省數(shù)值計(jì)算的時(shí)間。圖4所示為 “船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置。計(jì)算域總長(zhǎng)取5倍船長(zhǎng)，寬度為1.5倍船長(zhǎng)，船底至計(jì)算域最下端長(zhǎng)度取0.5倍船長(zhǎng)。

圖4 “船體+噴泵+進(jìn)水流道”數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件Fig.4 Numerical model and boundary conditions of the‘hull+waterjet+inlet duct’

2.2 網(wǎng)格劃分

“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)計(jì)算域采用全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約2 730萬(wàn)，船體外流場(chǎng)總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約2 010萬(wàn)，噴水推進(jìn)器流場(chǎng)總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約720萬(wàn)。圖5（a）為船艉板附件及進(jìn)水流道網(wǎng)格分布圖，圖5（b）為噴水推進(jìn)泵葉輪和導(dǎo)葉表面網(wǎng)格示意圖。

圖5 計(jì)算域各個(gè)部件表面網(wǎng)格Fig.5 Surface mesh of parts of the model

2.3 數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算分兩步進(jìn)行，第一步采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算來(lái)求取拖泵工況的“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”的全船流場(chǎng)。此時(shí)噴泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為零，計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)適度加大，以加速模擬船體周?chē)牧鲌?chǎng)（包括興波運(yùn)動(dòng))，直至整個(gè)計(jì)算域流場(chǎng)穩(wěn)定。然后，以上一步拖泵工況的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)為初始值，采用瞬態(tài)計(jì)算方法求取噴水推進(jìn)泵開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)后的流場(chǎng)，以精確求取進(jìn)水流道進(jìn)水口附近、噴水推進(jìn)泵內(nèi)部以及噴口射流場(chǎng)的流動(dòng)特性。在瞬態(tài)計(jì)算時(shí)噴水推進(jìn)器轉(zhuǎn)速需要由小到大漸進(jìn)地增加，直至舷側(cè)泵轉(zhuǎn)速增加到nd。值得說(shuō)明的是噴水推進(jìn)器每一次轉(zhuǎn)速增加后的瞬態(tài)計(jì)算需要以上一步計(jì)算的穩(wěn)定流場(chǎng)為初始值，轉(zhuǎn)速增加過(guò)快或流場(chǎng)未穩(wěn)定急加轉(zhuǎn)速都可能使得計(jì)算因?yàn)樽杂梢好娴膭×易兓l(fā)散。本文研究的工況為該船的巡航工況，此時(shí)弦側(cè)泵的工作轉(zhuǎn)速為nd，中間兩泵處于鎖軸工況。圖6（a）顯示了巡航工況下船體自由液面分布圖，圖6（b）為船尾自由液面分布圖，圖7顯示了此時(shí)舷側(cè)泵內(nèi)部流線圖。

圖6 噴水推進(jìn)船自由液面分布圖Fig.6 Free surface distribution of the waterjet ship

圖7 舷側(cè)泵內(nèi)部流線分布圖Fig.7 Streamline in the waterjet of broadside

3 某噴水推進(jìn)器內(nèi)部壓力脈動(dòng)的計(jì)算

從2.3節(jié)計(jì)算得到的“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)的帶自由液面的非定常流場(chǎng)中提取流道進(jìn)口處的速度場(chǎng)，并將其加載到單個(gè)“噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”模型（圖8），以此代替實(shí)船條件下的噴水推進(jìn)器的進(jìn)流條件。由于產(chǎn)生噪聲的脈動(dòng)源流場(chǎng)計(jì)算必須對(duì)應(yīng)為瞬態(tài)模擬，為同時(shí)兼顧對(duì)脈動(dòng)量的模擬精度和計(jì)算耗時(shí)，選擇分離渦模型（DES）來(lái)模擬湍流流動(dòng)。整個(gè)計(jì)算域采用全結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，為精確模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性以及滿(mǎn)足該湍流模型對(duì)網(wǎng)格尺度的要求，取葉輪壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距離為10-5D（D為葉輪直徑），單個(gè)噴水推進(jìn)泵及進(jìn)水流道的總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為1 080萬(wàn)。因泵無(wú)空化噪聲主要對(duì)應(yīng)為1kHz頻帶內(nèi)的線譜及寬帶譜[5]，所以本研究的計(jì)算步長(zhǎng)取為5×10-4，對(duì)應(yīng)的噪聲有效分析頻率為1 kHz。

脈動(dòng)壓力的頻譜分析不僅能夠驗(yàn)證流場(chǎng)計(jì)算準(zhǔn)確與否，也能夠間接驗(yàn)證輻射聲場(chǎng)計(jì)算是否合理、可信。為清晰顯示該噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)的壓力脈動(dòng)特性，在計(jì)算模型的葉輪進(jìn)口（截面1）、葉輪出口（截面2）和導(dǎo)葉出口（截面3）取三個(gè)特征截面，如圖4所示。在各個(gè)特征截面上設(shè)置了5個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿徑向均勻布置。計(jì)算得到噴水推進(jìn)器內(nèi)流場(chǎng)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜特征如圖10所示，BPF（Blade Passing Frequency）表示葉片通過(guò)頻率，P1-P5表示葉輪進(jìn)口處5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，P6-P10表示葉輪出口處5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，P11-P15表示導(dǎo)葉出口處5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，同一特征截面上監(jiān)控點(diǎn)半徑值隨著序號(hào)值的增加而增加?？梢钥闯?，不同區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)頻譜變換后所得到的峰值信息并不完全一樣。在葉輪進(jìn)口處和出口處截面，流場(chǎng)的壓力變化主要受葉輪旋轉(zhuǎn)作用的影響，其截面上各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均為葉頻及倍葉頻，并且隨著半徑值的增加，葉輪做功能力增強(qiáng)，壓力脈動(dòng)幅值也變大。在導(dǎo)葉出口處截面各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的壓力脈動(dòng)也主要為葉頻及倍葉頻，但由于受到導(dǎo)葉整流作用以及噴口收縮作用的影響，該截面壓力脈動(dòng)的幅值隨著半徑值的增加先是增加然后減小。

圖8 壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置Fig.8 Locations of pressure monitoring points

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.9 Frequency domain of monitoring points

4 結(jié) 論

本文為避免尺度效應(yīng)的影響和考慮船泵的相互作用，提出了一種簡(jiǎn)單有效的計(jì)算船后噴水推進(jìn)器內(nèi)部脈動(dòng)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法。首先，以國(guó)外某型噴泵為研究對(duì)象，驗(yàn)證了基于DES模型的噴泵非定常流場(chǎng)性能計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性。在此基礎(chǔ)上，采用VOF方法基于DES模型對(duì)“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”系統(tǒng)實(shí)尺模型的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以消除尺度效應(yīng)和如實(shí)地反映噴水推進(jìn)器的實(shí)際不均勻進(jìn)流。然后，將船后噴水推進(jìn)器的不均勻進(jìn)流成功地加載到了單個(gè)噴水推進(jìn)器數(shù)值計(jì)算模型，以此來(lái)考慮實(shí)船條件下噴水推進(jìn)器的不均勻進(jìn)流。這樣一方面大大減少了計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量以及計(jì)算時(shí)間，另一方面可以將更大數(shù)目的網(wǎng)格加密到單個(gè)噴水推進(jìn)器模型上，進(jìn)而可以模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部更為精細(xì)的流場(chǎng)和壓力脈動(dòng)特性，為下一步噪聲計(jì)算提供了更為準(zhǔn)確的噪聲源。

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Calculating investigation on pulsing flow for underwater radiated noise of the waterjet

FU Sen-zong1,XIE Tian-yu2
(1.The Military Representative Office of the Naval Equipment Department,Shanghai 200120,China; 2.The Navy Military Agent’s Room in Wuxi District,Wuxi 214082,China)

An approach to calculate flow acoustic source of waterjet installed after hull was investigated, which can removes the scale effect and take into account the interaction between the waterjet and the hull. In order to validate the numerical model,the unsteady performance of a waterjet pump was calculated with DES(detached eddy simulation)method and hexagonal structure mesh,and the maximum error between the CFD results of the pump power at different pump rotating speed and the manufacturer’s data was 2.0%, which indicated that the numerical method was creditable.The full scale‘waterjet+hull’numerical model was established to study the interaction between the waterjet and the hull,and the non-uniform inlet flow of the waterjet after hull was imposed at the inlet of the single waterjet numerical model with DES method to calculate the pressure fluctuations in the waterjet and take into account the interaction between the waterjet and the hull.This paper gives a simple and effective method to calculate the unsteady flow in the waterjet after hull.

waterjet;acoustic source;pressure fluctuation;unsteady;full scale;CFD;DES

U664.34

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.05.005

1007-7294（2017）05-0549-06

2017-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51309229）

付森宗（1960-），男，碩士；謝天宇（1987-），男，碩士。