張德勝， 張乃舒， 許 彬， 趙睿杰， 高雄發(fā)， 李 寧

(1.江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 噴水推進技術(shù)重點實驗室，上海 200011)

噴水推進泵是一種新型的動力裝置，主要是通過泵噴出水流的反作用力來獲得前進的動力，在潛艇、高速船舶等方面得到了廣泛的應(yīng)用。噴水推進泵在實際運行時環(huán)境變化復(fù)雜，在非標準設(shè)計工況下運行時，會出現(xiàn)葉輪與導(dǎo)葉、泵體之間的動靜干涉，以及旋轉(zhuǎn)失速等情況，從而產(chǎn)生強烈的壓力脈動，導(dǎo)致異常的振動與噪聲[1-3]，影響泵的性能以及艦船行駛的穩(wěn)定性與隱蔽性。為了保證艦船在各種運行環(huán)境下都能穩(wěn)定運行并且降低噪聲輻射強度，噴水推進泵內(nèi)部流動的特性以及輻射噪聲的控制便值得進一步進行研究。

對于泵的壓力脈動以及流動誘導(dǎo)的噪聲方面，國內(nèi)外學者展開了一系列研究。Tsai等[4]研究了不斷運動的物體在流動介質(zhì)內(nèi)噪聲測量的問題，從而推導(dǎo)出了廣義Lighthill方程。司喬瑞等[5]等采用了聲學有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)與邊界元法(boundary element method,BEM)兩種的方法，對離心泵流動誘導(dǎo)的噪聲進行了預(yù)測，結(jié)果表明BEM法能快速測出葉頻及其整數(shù)倍頻的噪聲大小，但無法求解過于復(fù)雜的邊界條件。FEM法對于復(fù)雜模型的預(yù)測與實際更加吻合，適用于寬頻噪聲研究，但計算時間過長。張德勝等[6]采用瞬態(tài)微型壓力傳感器的實驗方法得出不同流量工況下，在葉輪進口的動靜干涉的壓力脈動周期性相似規(guī)律最強，葉輪出口的波動規(guī)律相似性次之。尹江南等[7]采用軟件LabVIEW和MATLAB對試驗數(shù)據(jù)進行采集分析，結(jié)果表明在小流量時，軸頻、葉頻以及倍軸頻、倍葉頻是頻譜的主要頻率。張明宇等[8]采用了DES(detached-eddy simulation)分離渦模型對噴水推進泵進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明壓力脈動頻率取決于葉輪轉(zhuǎn)動頻率,壓力脈動幅值沿輪轂到輪緣逐漸增大。Dong等[9]通過研究表明改變?nèi)~輪與壓水室之間的間隙及增大材料剛度的方法，可以實現(xiàn)對噪聲的降低。GonzLez等[10]通過實驗驗證表明泵內(nèi)部的壓力脈動是引起泵振動的主要原因。董亮等[11]在試驗與模擬結(jié)合的基礎(chǔ)上對泵做透平的葉片安放角進行改變，從而控制其外聲場噪聲的水平。

對于泵內(nèi)部壓力脈動誘導(dǎo)的振動噪聲研究，目前主要集中于離心泵[12-14]、軸流泵[15-17]以及貫流泵中，并且對于噴水推進泵聲振耦合的研究少有提及。本文以混流式噴水推進泵為模型，采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustics)相結(jié)合的方法，先進行數(shù)值模擬計算，并將得出的外特性數(shù)值與實驗數(shù)據(jù)進行對比。同時對泵內(nèi)部的壓力脈動特性及不穩(wěn)定流動進行研究。將非定常計算中由葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)偶極子和導(dǎo)葉產(chǎn)生的固定偶極子導(dǎo)出，對比分析邊界元BEM法和有限元FEM法在噴水推進泵內(nèi)聲場計算中各自的優(yōu)劣，并進行葉輪內(nèi)部聲場及外聲場聲振耦合計算，對比不同工況下內(nèi)聲場聲壓級與外聲場聲功率水平，結(jié)合內(nèi)部流動情況與壓力脈動數(shù)值模擬，揭示了噴水推進泵內(nèi)部流動與其聲場的關(guān)系，對于預(yù)測泵流致噪聲以及對其噪聲水平的優(yōu)化，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 流動控制方程

在非定常狀態(tài)下的流動聲學問題中，N-S方程可作為基本控制方程，來描述噴水推進泵內(nèi)部流場。

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1.2 湍流模型

為考慮葉片吸力面流動分離的情況，本次計算采用的湍流模型為SST(shear stress transfer)k-ω模型。該模型考慮了湍流剪應(yīng)力的傳播情況，采用混合函數(shù)的方法，將標準情況下的模型與k-ε和k-ω模型結(jié)合起來，從而能夠精確預(yù)測逆壓梯度下如流動分離等復(fù)雜的流動情況，適用于精度較高的數(shù)值模擬。該模型輸運方程為

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1.3 聲振耦合理論與Lighthill聲類比模型

固體結(jié)構(gòu)與流體介質(zhì)接觸時，會受到流體的激勵而發(fā)生振動，從而使固體結(jié)構(gòu)周圍流場發(fā)生變化。流場的變化又會進一步使固體結(jié)構(gòu)受到的載荷發(fā)生變化，這是常見的流固耦合問題。固體結(jié)構(gòu)在水或空氣中受到介質(zhì)的激勵作用形成振動產(chǎn)生聲音，流場中聲音的振動反過來對估計結(jié)構(gòu)的振動又會產(chǎn)生影響，這便是聲振耦合[18]。噴水推進泵的內(nèi)聲場及外聲場聲振耦合通過軟件LMS.Virtual Lab進行計算。對于噴水推進泵水下輻射噪聲的常見計算方法為聲學有限元法或聲學邊界元法，但在求解聲場輻射聲壓的問題上，F(xiàn)EM需要將整體的計算域進行離散，而BEM法只需提取結(jié)構(gòu)表面的網(wǎng)格作為計算邊界，具有輸入數(shù)據(jù)量少、計算時間短的特點。聲音邊界元法分為直接邊界元和間接邊界元兩種算法，直接邊界元計算要求網(wǎng)格封閉，而間接邊界元計算的網(wǎng)格可以封閉也可以不封閉，同時對于計算過程中離散的格式、模型以及計算所需的邊界條件的要求都比直接邊界元要低，對低頻段范圍噪聲的求解具有明顯優(yōu)勢，因此本文選擇更為簡便的間接邊界元法進行計算。間接邊界元法的本質(zhì)為萊特希爾(Lighthill)聲類比法[19]，控制方程為

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式(6)右端的3個分量分別表示四極子、偶極子、單極子聲源對泵內(nèi)噪聲的貢獻量。偶極子聲源，也是本文對于噴水推進泵的聲場模擬中的主要聲源，是本文研究的重點。偶極子聲源主要表現(xiàn)為由于泵內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)動，使得流體獲得能量，但由于葉輪是旋轉(zhuǎn)機械，因此對于流體能量的施加是不均勻的，并且具有周期性的，不同位置的能量或者壓力不同，并隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)實時發(fā)生變化，其特性與壓力脈動的原理類似。當流體從葉輪獲得能量后，沖擊泵體，導(dǎo)葉，使固體域產(chǎn)生振動并向外界輻射出噪聲，這便是偶極子聲源在噴水推進泵中的特性。四極子聲源主要存在于研究物體在高速運動下導(dǎo)致湍流應(yīng)力變化的情況中，在噴水推進泵這類速度較低的流體中的影響不大，在速度較高的流動問題中有較為明顯的貢獻值，例如在氣動聲學中，速度大于0.1 Ma時的問題，因此在本文中不做研究。在噴水推進泵中，偶極子聲源分為固定偶極子與旋轉(zhuǎn)偶極子兩種聲源，本文主要研究葉輪上的旋轉(zhuǎn)偶極子及噴水推進泵整體的外聲場聲振耦合。

2 噴水推進泵物理模型和計算域

2.1 泵設(shè)計參數(shù)及計算域

本文研究的對象為混流式噴水推進泵，主要設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計流量Q=191.25 kg/s，葉輪直徑D2=320 mm，設(shè)計揚程H=4.75 m，轉(zhuǎn)速n=900 r/min，葉輪葉片數(shù)為Z=6，導(dǎo)葉數(shù)為Zd=7。

噴水推進泵模型通過UG 9.0建立，得到的水體計算域以及葉輪導(dǎo)葉的三維圖如圖1所示，該計算域由進水管、葉輪、導(dǎo)葉及出水管組成。

圖1 噴水推進泵計算模型Fig.1 Model of water jet pump

2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性分析

計算域通過ICEM進行網(wǎng)格劃分。該混流式噴水推進泵的葉輪間隙為單邊1 mm，采用包絡(luò)葉片的網(wǎng)格畫法，為了保證高質(zhì)量的模擬計算，在近壁面、葉輪葉尖以及葉輪與泵體間隙層處進行局部網(wǎng)格加密，將葉輪的Y+的最大值控制在24以下，滿足計算所需的條件。五套無關(guān)性驗證網(wǎng)格的各部件網(wǎng)格數(shù)量,如表1所示，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終確定當網(wǎng)格總數(shù)為970萬左右時，計算獲得的揚程變化波動小于2%，為獲得更好的網(wǎng)格質(zhì)量以及更高的計算精度，本次計算的總網(wǎng)格數(shù)選用為970萬。噴水推進泵計算域葉輪、導(dǎo)葉的網(wǎng)格劃分，以及網(wǎng)格無關(guān)性驗證如圖2所示。計算用泵各部件的網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量,如表2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Mesh of computational domain and grid independence

表1 五組不同數(shù)量網(wǎng)格Tab.1 Mesh number of different parts

表2 各部件網(wǎng)格數(shù)及質(zhì)量Tab.2 Mesh number and quality of components

2.3 邊界條件及前處理設(shè)置

為盡可能與試驗工況達到一致，本次計算采用有限體積法，湍流模型為SSTk-ω湍流模型，導(dǎo)葉與進出水管設(shè)置為無滑移壁面,葉輪進出口面動靜交界面為Frozen rotor。定常計算收斂精度設(shè)置為10-4。進口邊界條件設(shè)置為流量進口，出口邊界條件設(shè)置為自由出流。在非定常計算時，將定常計算的結(jié)果作為初始值，單次計算步長設(shè)置為5.5×10-4s，約為葉輪轉(zhuǎn)3°所需時長，且一次步長中計算次數(shù)最小設(shè)置為5次，最大迭代20次。為保證得到穩(wěn)定的計算結(jié)果，將總的計算時長設(shè)定為1.46 s，約為葉輪轉(zhuǎn)22圈所需時長。過流部件固體壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，且壁面粗糙度設(shè)置為光滑壁面，采用標準壁面函數(shù)解析黏性底層。動靜交界面設(shè)置為瞬態(tài)動靜轉(zhuǎn)子，求解器選擇high resolution，對流項使用中心差分方式，時間項選為二階歐拉差分方式[20]。同時設(shè)置葉輪每個旋轉(zhuǎn)周期輸出120個旋轉(zhuǎn)偶極子文件，導(dǎo)葉輸出120個固定偶極子文件，并將其中3圈的旋轉(zhuǎn)偶極子、固定偶極子各360個cgns文件作為聲場計算的壓力源文件。

為獲得噴水推進泵內(nèi)部壓力脈動的情況，在葉輪的進口處、葉輪內(nèi)部、葉輪與導(dǎo)葉交界面、導(dǎo)葉內(nèi)部與導(dǎo)葉出口選取6個面設(shè)置監(jiān)測點。從輪轂到輪緣，監(jiān)測點編號分別為P1i～P6i。從葉輪進口邊到導(dǎo)葉出口邊，監(jiān)測點編號分別為Pi1～Pi6。如圖3所示。取非定常計算的最后8個周期，作為壓力脈動頻域特性分析數(shù)據(jù)；選取非定常0.86～1.01 s內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)兩圈的數(shù)據(jù)作為壓力脈動時域分析數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)測點設(shè)置Fig.3 Monitor points

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力脈動分析

通過定常計算得出了噴水推進泵不同工況下的外特性數(shù)據(jù)，同時該泵在荷蘭埃因霍溫科技大學完成了外特性實驗,試驗設(shè)施與樣機如圖4所示。通過數(shù)值模擬的結(jié)果擬合出的流量-揚程曲線與實際試驗數(shù)據(jù)相對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，如圖5所示。根據(jù)圖5的流量揚程曲線可知，噴水推進泵出現(xiàn)了明顯的馬鞍區(qū)，馬鞍區(qū)最低點位于0.55Q處。在該處泵工作性能較差，泵內(nèi)流動復(fù)雜，因此小流量工況下運行的內(nèi)部流場及聲場是重點研究對象。

圖4 試驗設(shè)備Fig.4 The experimental facility

根據(jù)在噴水推進泵內(nèi)設(shè)置的監(jiān)測點得出的壓力脈動數(shù)據(jù)，可以分析泵在不同位置、不同工況下內(nèi)部的流動情況。為了更加方便的分析不同位置與工況壓力脈動之間的關(guān)系，本文定義在進行分析時，運用無量綱壓力系數(shù)來進行描述。表達式為

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式中：pi為任意時刻監(jiān)測點的壓力數(shù)值，Pa；pave為該監(jiān)測點在所取的2個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)的壓力數(shù)值平均值，Pa。

圖5 模擬與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of numerical data & experimental data

圖6為葉輪進口邊監(jiān)測點P11～P16的壓力幅值分析。由圖可知，2個周期內(nèi)共有12個波峰，單個周期6個波峰，與葉輪的6葉片數(shù)相符。壓力幅值曲線呈現(xiàn)明顯的周期性波動，并且從葉輪輪轂P11處到輪緣P16處壓力脈動幅值逐漸增大。

圖6 葉輪進口面壓力系數(shù)特性Fig.6 Pressure coefficient at inlet of the impeller

圖7為1.0Q工況(Q=191.253 kg/s)下，由葉輪進口到導(dǎo)葉出口6個不同截面上同取5號監(jiān)測點的壓力脈動時域圖。由圖7(a)可知，葉輪進口的壓力脈動幅值最大，壓力脈動的幅值由葉輪進口到葉輪出口逐漸減小。由圖7(b)可知，在導(dǎo)葉中壓力脈動也呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，但波動的規(guī)律性不如葉輪中的規(guī)律性強，并且壓力脈動幅值依然符合從進口到出口依次減小的規(guī)律。

圖8(a)為葉輪中監(jiān)測點P15處的壓力脈動頻域分析。由于2個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)無法很好的體現(xiàn)低頻范圍內(nèi)的壓力系數(shù)波動，因此取非定常計算最后8個周期作為分析所用的數(shù)據(jù)。由圖8(a)可以看出，1.00Q與0.75Q工況下壓力脈動系數(shù)的幅值都出現(xiàn)在一階葉頻(90 Hz)處，并且在1.00Q工況與0.75Q工況時，二階和三階葉頻處也出現(xiàn)明顯的峰值，在低頻處軸頻附近也出現(xiàn)較低的峰值。在0.55Q工況下，一階葉頻處也出現(xiàn)壓力系數(shù)的最大值，但在低頻段內(nèi)的軸頻附近，出現(xiàn)了壓力系數(shù)的又一峰值，接近一階葉頻處的峰值。在高頻范圍內(nèi)，1.00Q與0.75Q能看到二階、三階葉頻處的明顯峰值，但是0.55Q工況衰減明顯，在二階葉頻以上幾乎無大范圍波動。壓力脈動系數(shù)的幅值在1.00Q工況下最小，0.75Q其次，0.55Q最大，約為1.00Q工況的1.7倍。圖8(b)為葉輪中監(jiān)測點P35處的壓力脈動頻域分析。與葉輪進口P15相比，P35處的壓力系數(shù)幅值明顯減小，低頻段范圍變化更加復(fù)雜，但是幅值依然是0.55Q工況下壓力系數(shù)最大，1.00Q工況最小。1.00Q與0.75Q工況下變化趨勢與進口處相同，葉頻處都會出現(xiàn)壓力系數(shù)的峰值，相比之下0.75Q與0.55Q工況的低頻范圍振動比P15處更加明顯，同時0.55Q工況低頻范圍內(nèi)波動的峰值已經(jīng)大于葉頻處的值。經(jīng)過對監(jiān)測點壓力脈動的綜合分析，1.00Q與0.75Q工況下壓力系數(shù)最大值都出現(xiàn)在葉頻處，0.55Q工況壓力脈動大于另外2個工況，且低頻范圍內(nèi)壓力脈動明顯增大，接近甚至超過一階葉頻處的壓力脈動幅值。

圖7 噴水推進泵內(nèi)部壓力系數(shù)時域特性Fig.7 Time domain characteristics of pressure coefficient in the water jet pump

圖8 噴水推進泵內(nèi)部壓力脈動系數(shù)頻域特性Fig.8 Frequency domain characteristics of pressure coefficient in the water jet pump

通過分析可知，小流量工況下壓力脈動幅值普遍高于正常工況，且在非標準工況下，靠近葉輪導(dǎo)葉交接面的監(jiān)測點在低頻范圍內(nèi)壓力脈動幅值十分明顯，遠離葉輪導(dǎo)葉交接面的監(jiān)測點壓力脈動幅值在葉頻附近較為明顯。這是由于在小流量工況下，出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)失速，流道中聚集著大量的失速渦團，如圖9(c)所示。通過圖9(d)觀察吸力面不同時刻的速度流線分布可知，從葉片進口邊至出口邊有渦的初生，發(fā)展與脫落，并不斷持續(xù)這一過程，吸力面持續(xù)發(fā)生流動分離，失速渦團阻塞流道，阻礙流體正常運動，產(chǎn)生異常的振動。這些流動特征相似的渦團在小流量工況下，會使葉輪中產(chǎn)生明顯高于額定工況時的壓力脈動幅值。由于葉輪出口流動受到導(dǎo)葉葉片的相干作用，在葉輪與導(dǎo)葉間的無葉區(qū)產(chǎn)生了明顯的葉片和導(dǎo)葉動靜相干作用誘導(dǎo)的低頻壓力脈動，且這種現(xiàn)象在小流量工況下更為明顯。而在標準工況下，通過圖9(a)葉片吸力面流線可知，內(nèi)部流動非常穩(wěn)定，葉片右側(cè)進口處有一處較小的渦，是由于葉片進口處產(chǎn)生的延伸到下一個葉片工作面處的泄漏渦，以及頂間隙處產(chǎn)生的泄露渦造成的。1.00Q葉輪流道流動分析如圖9(a)與圖9(b)所示。0.55Q葉輪流道流動分析如圖9(c)與圖9(d)所示，圖中通過其吸力面2D Streamline中的速度流線變化體現(xiàn)其渦的遷移與生成過程。其中葉片圖示右側(cè)位置為進口邊。

圖9 不同工況流動分析Fig.9 Flow analysis under different operating condition

通過對0.55Q工況下渦分析可知，流道存在大量失速渦團阻礙正常流動，并且在小流量工況下，通過靠近動靜交接面處監(jiān)測點頻域變換分析可知其幅值出現(xiàn)在軸頻附近。分析導(dǎo)葉內(nèi)的流場變化可知，由于導(dǎo)葉具有整流作用，導(dǎo)葉內(nèi)渦的演化呈現(xiàn)出一持續(xù)變化的過程，可分為產(chǎn)生、發(fā)展到消失3個過程。分析非定常計算不同時刻的結(jié)果文件，整個過程大約以轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動360°為一個周期，也就是0.066 7 s，約為15 Hz，這一過程在葉輪的轉(zhuǎn)動周期內(nèi)不斷持續(xù)生成，這是導(dǎo)致交界面附近監(jiān)測點低頻范圍內(nèi)高脈動幅值產(chǎn)生的原因，如圖10所示。

圖10 導(dǎo)葉流道中不同時刻流線分布Fig.10 Streamline in passage

3.2 聲場模擬與分析

在聲場計算中，聲源信息是由非定常計算中輸出的CGNS文件得來的。噴水推進泵中的噪聲源主要為偶極子聲源，偶極子聲源分為旋轉(zhuǎn)偶極子聲源與固定偶極子聲源。旋轉(zhuǎn)偶極子聲源主要是來源與旋轉(zhuǎn)的葉輪與流體相互作用形成的，在LMS軟件的葉輪內(nèi)聲場計算中定義為扇聲源。固定偶極子聲源主要是從葉輪中流出的流體對導(dǎo)葉等壁面形成沖擊或動靜干涉形成的噪聲聲源。采用CFD與邊界元法結(jié)合的計算流程如圖11所示[21]

圖11 聲場計算流程圖Fig.11 Flow chart of acoustic calculation

首先將非定常計算生成的CGNS文件導(dǎo)入LMS中，本次聲場計算取最后兩圈，每3°記錄一次的方式，作為本次計算的聲源文件。新建另一個LMS文件，導(dǎo)入預(yù)先提取好的邊界元網(wǎng)格與場點網(wǎng)格，分別對兩種不同的網(wǎng)格類型進行定義，并設(shè)定流體材料及屬性。然后導(dǎo)入預(yù)先儲存好的聲源文件，將其定義為聲源，并將計算范圍設(shè)定在0～540 Hz，也就是9倍葉頻處。三種工況下內(nèi)聲場的計算結(jié)果,如圖12所示。三種工況均在葉頻處出現(xiàn)聲功率的最高值，葉頻的倍頻處也出現(xiàn)明顯的峰值，且隨著頻率的升高，聲功率強度逐漸下降。1.00Q工況的聲功率強度在三種工況里最小，0.75Q與0.55Q工況下聲功率強度的峰值非常接近，但其余頻率下0.55Q工況的聲功率強度要強于0.75Q工況。

圖12 內(nèi)聲場聲功率計算結(jié)果Fig.12 Acoustic power

通過對一階葉頻處(90 Hz)葉輪圓周面上的聲壓級云圖分析可知，將三種工況的標尺調(diào)節(jié)一致后明顯得出，1.00Q工況的聲壓級水平最低，0.55Q工況下聲壓級水平最高。三種工況下的葉輪軸面聲壓級都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，由輪轂到輪緣逐漸增大，與壓力脈動的趨勢相符合。1.00Q標準工況呈現(xiàn)出較為規(guī)律的圓形分布，0.75Q出現(xiàn)了略微變形，但由于0.55Q馬鞍區(qū)工況下葉輪內(nèi)流動情況復(fù)雜，出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，旋轉(zhuǎn)失速等情況，因此聲壓分布呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)律的情況，如圖13所示。

對于外聲場聲振耦合的模擬，首先要進行噴水推進泵固體域的模態(tài)分析，得到不同頻率下的模態(tài)響應(yīng)；同時將固體域模型導(dǎo)入LMS中生成網(wǎng)格并粗化，將粗化后的網(wǎng)格導(dǎo)入邊界元計算模塊，定義網(wǎng)格屬性及結(jié)構(gòu)屬性，本次計算將泵體材料設(shè)定為不銹鋼。將泵與電機相連的面與泵的進出口法蘭面設(shè)為約束面。在聲振耦合中，定義兩種不同的場點網(wǎng)格。分別為面場點網(wǎng)格與指向性場點網(wǎng)格。為監(jiān)測不同方向上聲壓輻射水平，設(shè)置軸向、徑向2個方向的面場點網(wǎng)格，以及以1 m為半徑，360°圓周方向上每隔10°設(shè)置一個監(jiān)測點，共36個監(jiān)測點，作為指向性場點網(wǎng)格，對計算結(jié)果進行監(jiān)測。兩種場點網(wǎng)格的設(shè)置如圖14所示。

圖13 葉輪聲壓級云圖Fig.13 Sound pressure level

圖14 場點網(wǎng)格布置Fig.14 Field point mesh

以1.00Q工況為例分析，混流式噴水推進泵是對稱結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機械，因此在徑向截面的場點網(wǎng)格上，聲場輻射云圖呈現(xiàn)出近似于圓的狀態(tài)，如圖15(a)所示。而在軸向截面的場點網(wǎng)格上，聲場輻射云圖呈現(xiàn)出明顯的偶極子特性，且極大值延葉輪徑向分布，極小值延軸向分布，如圖15(b)所示。出現(xiàn)這種偶極子分布的主要原因是在流動中有障礙物存在，流體與固體域發(fā)生碰撞同時產(chǎn)生不穩(wěn)定的反作用力。在噴水推進泵中，流體在葉輪的作用下不斷與泵體發(fā)生沖擊，同時流體從葉輪進入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉具有整流作用，不斷對流體產(chǎn)生反作用力，因此會出現(xiàn)以葉輪和導(dǎo)葉為圓心，并向葉輪徑向方向上輻射出極大值的分布現(xiàn)象。

通過指向性場點網(wǎng)格，可以分析在不同工況下外聲場聲壓輻射水平。如圖16所示，在一階葉頻處，葉輪軸向截面的指向性場點網(wǎng)格顯示出明顯的偶極子特性，聲壓級的極小值位于90°與270°附近，極大值位于0°與180°附近，這種極值分布與平面場點網(wǎng)格的聲壓級云圖所顯示的極值分布規(guī)律一致。隨著流量工況減小，聲壓級輻射水平隨之增強，呈現(xiàn)出大流量工況輻射強度小，小流量工況輻射強度大的特點。這個現(xiàn)象也與之前所分析的壓力脈動現(xiàn)象相符合。由于0.55Q工況位于馬鞍區(qū)內(nèi)，運行不穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)失速與動靜干涉，產(chǎn)生異常的激振力，因此聲壓輻射水平最強。該現(xiàn)象也能推斷出，噴水推進泵內(nèi)部壓力脈動越大的工況，對應(yīng)聲場的輻射聲壓級就越強，這對于研究噴水推進泵內(nèi)部流動噪聲以及對噪聲水平的預(yù)測及優(yōu)化，具有重要的指導(dǎo)和參考價值。

圖15 面場點網(wǎng)格聲場云圖Fig.15 Cloud image of sound pressure of plane field point

圖16 不同工況聲壓及指向分布Fig.16 Sound pressure level and distribution under different operation condition

4 結(jié) 論

本文針對艦船噴水推進泵不同運行工況下內(nèi)部不穩(wěn)定漩渦流誘導(dǎo)壓力脈動和噪聲問題，以某一型號混流式噴水推進泵為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬與CA計算聲學相結(jié)合的方法，分析不同工況下壓力脈動時域、頻域變化規(guī)律，同時對噴水推進泵內(nèi)聲場及外聲場聲振耦合進行計算，得出以下結(jié)論：

(1)噴水推進混流泵內(nèi)部壓力脈動幅值從葉輪進口到出口逐漸減小，沿導(dǎo)葉進口到出口逐漸減小，同一軸向截面面上，壓脈動力幅值沿著輪轂到輪緣逐漸增大；尤其在葉輪和導(dǎo)葉交界無葉區(qū)，動靜干涉作用較強，該監(jiān)測面的壓力脈動曲線出現(xiàn)了不規(guī)則的波動。

(2)在1.00Q與0.75Q運行工況下，噴水推進泵葉輪內(nèi)部的壓力脈動頻域時均在一階葉頻處出現(xiàn)峰值；在0.55Q運行工況(馬鞍區(qū))內(nèi)運行時，一階葉頻也出現(xiàn)了峰值，但同時出現(xiàn)明顯的低頻脈動，且某些監(jiān)測點低頻范圍內(nèi)的峰值已經(jīng)超過了一階葉頻的峰值，主頻不再是一階葉頻。三種工況下頻域變換的峰值最大值均出現(xiàn)在0.55Q運行工況，1.00Q工況下的壓力脈動峰值最小。

(3)在0.55Q與0.75Q和1.00Q三種運行工況下，噴水推進泵的內(nèi)聲場聲功率強度趨勢相似度很高，葉頻及其倍頻處都出現(xiàn)峰值；且1.00Q工況下的聲功率強度最低，0.55Q與0.75Q工況下聲功率強度最大值接近，但其余頻率下0.55Q工況聲功率強度大于0.75Q工況。

(4)額定工況下噴水推進泵聲場輻射云圖在徑向截面上聲壓云圖趨近于圓，在軸向截面上，呈現(xiàn)出明顯的偶極子分布規(guī)律，且極大值位于徑向方向，極小值位于軸向方向上。通過指向性場點網(wǎng)格可知，噴水推進泵外聲場聲壓在不同工況下均呈現(xiàn)出明顯的偶極子特性，且極小值位于90°與270°附近，極大值出現(xiàn)在0°與180°附近。且壓力脈動程度越強的工況，呈現(xiàn)出的外聲場聲壓輻射水平也越強。