科考设备斜滑道入水流致噪声的数值模拟与实验测试研究.pdf
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1、DOI:10.11991/yykj.202203024网络出版地址:https:/ CFD 软件对不同入水速度与投放角度进行投放噪声的数值模拟,选用分离涡模型(detached-eddysimulation,DES)和 FW-H(FfowcsWilliams-Hawkings,FW-H)声类比模型开展入水物体噪声计算。在计算得到水动力噪声的时域脉动压力结果后,通过傅里叶变换得到频域的噪声分布。本文设计了相关实验对数值结果进行验证,并通过分析典型工况下的流场域以及噪声的时域及频域特性,进一步分析实验与数值系统误差的来源。结果表明,流致噪声占总噪声的主要部分,斜滑道与科考设备之间的相互耦合作用、滑
2、道壁的流固耦合现象、传送过程中不可避免的机械噪声以及声辐射特性数值模拟模型的不完备性是系统性误差的来源。关键词:噪声预报;数值模拟;流激噪声;分离涡模型;FW-H;时频转换;实验验证;声辐射中图分类号:U661.1;TB535文献标志码:A文章编号:1009671X(2023)04000107Numerical simulation and experimental study on the noise generated byscientific research equipment entering water in an inclined slidewayHUYulong1,CHENSi
3、1,NINGXiaoshen2,LIFugeng2,WANGZibin2,YANGHeng21.ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China2.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,ChinaAbstract:Inordertostudythenoisepredictionofscientificresearchequipmententeringwaterinaninclinedslideway,a kind of incl
4、ined slideway delivery device is designed in this paper.The CFD software is used to carry out thenumericalsimulationoflaunchingnoiseatdifferententryspeedsandwithdifferentincidentangles.Thedetached-eddysimulation(DES)modelandFfowcsWilliams-Hawkings(FW-H)acousticanalogymodelareselectedtocalculatetheno
5、ise generated by the equipment entering water.After calculation on the time-domain pulsation pressure ofhydrodynamicnoise,thenoisedistributioninfrequencydomainisobtainedbyFouriertransform.Inthispaper,relevantexperimentsaredesignedtoverifythenumericalresults.Thesourcesofsystematicerrorsoftheexperimen
6、talandnumerical methods are further derived by analyzing the flow field under typical working conditions and thecharacteristicsofnoiseintimedomainandfrequencydomain.Theresultsshowthattheflow-inducednoiseisthemainpart of noises.The coupling between the inclined slideway and scientific research equipm
7、ent,the fluid-structurecouplingphenomenonoftheslidewaywall,theinevitablemechanicalnoiseduringthetransmissionprocessandtheincompletenumericalsimulationmodelofacousticradiationcharacteristicsarethesourcesofsystematicerrors.Keywords:noise prediction;numerical simulation;flow induced noise;detached eddy
8、 simulation;FW-H;time-frequencyconversion;experimentaltest;soundradiation科考设备在海洋研究方面发挥着至关重要的作用,从科考船内将科考设备释放入水是一种强烈的砰击问题,自由液面附近发生剧烈变化,其噪声辐射特性具有非线性、非稳态的特点1,对于这类问题的研究有助于提高物体入水噪声预报的准确性,有效降低船舶入水作业的噪声级。因此,该研究具有重要的科学价值及实际工程意义。收稿日期:20220315.网络出版日期:20230516.基金项目:国家自然科学基金项目(52071105);中央高校基本科研业务费项目(3072020CFT0
9、103);黑龙江省自然科学基金项目(LH2019E024,QC2018052,YQ2019E010).作者简介:胡玉龙,男,高级工程师,博士.杨衡,男,副研究员,博士.通信作者:杨衡,E-mail:.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023水下装备的噪声试验需围绕水洞等实验设备开展23,受到水洞尺寸及背景噪声影响,对于可测试的设备的尺寸及测试精度都有所限制。流激噪声的数值模拟一直是一个重要的问题,国内外对此有很多相关的研究。Yeo 等4将水动力计算后的数值结果,应用气泡噪声模型和 FfowcsWilliams
10、-Hawkings(FW-H)方程的渗透形式,计算了潜艇的流致噪声,通过与韩国船舶与海洋工程研究所大型空化风洞实验结果的对比,验证了流致噪声的数值结果。白俊强等5通过采用基于可穿透数据面的 FW-H 方法模拟声学远场,该方法与传统的半经验方法相比具有计算量小、计算精确、易于工程实现的特点,可以计算非线性噪声。欧阳绍修等6研究了三维非定常雷诺平均 N-S 方 程 和 分 离 涡 模 拟(detachededdysimulation,DES)方法在空腔流动及空腔噪音问题的应用,利用 2 种方法对三维空腔流动及噪音进行了数值计算并与实验数据进行了对比,通过分析比较发现DES 方法得到的结果更加准确,
11、特别是通过声压级(soundpressurelevel,SPL)分析发现 DES 方法能够较好地捕捉空腔流动中的压强脉动及噪声水平。张群峰等7分别利用 DES 方法和求解非线性脉动方程组的非线性声学方法,对来流马赫数为2.0 条件下、长度与深度比为 5.88 的开式空腔进行了数值模拟,计算结果表明 DES 方法能较为准确地捕捉噪声源。结合 Lighthill 声类比理论的 FW-H 噪声预报模型是现阶段前景良好的噪声计算手段之一8。王春旭等9对该方法的基本原理和适用性进行了讨论,确认了这一手段在工程应用中的价值。随着研究的深入,这一模型在噪声预报领域的应用逐渐扩大,已从传统的推进器噪声预报扩展
12、到多种结构体的噪声预报工作中。刘波等10结合流体域体积(volumeoffraction,VOF)方法与 k-模型完成了对船舶绕流场发声机理的相关研究。从国内外研究来看,投送设备的入水方式大多是在水面以上直接抛出经抛物线运动后自由落水。为了考虑结构的安全性以及降低噪声级,本文提出了一种斜滑道装置,能够将设备以一定角度及入水速度释放。针对该投送入水设备,基于CFD 软件,结合分离涡 DES 湍流模型和 FW-H 声学模型进行建模和数值模拟。根据得到的噪声时域脉动情况,通过傅里叶变换得到频域噪声分布,对声指向性和总声级进行分析,并与实验数据进行对比。分析不同工况下载荷、流场信息,时域和频域特性的数
13、值结果的误差原因。1数值方法1.1建立 DES 湍流模型滑道投放噪声是基于水动力计算结果开展计算和分析的,在现阶段常用的湍流模型中,雷诺平均方程(ReynoldsaverageNavier-Stokes,RANS)的优势在于可以较好地计算时均载荷,但对湍流 特 征 不 能 精 确 展 示;大 涡 模 拟(largeeddysimulation,LES)的优势在于能够较好地展示螺旋桨周围的湍流脉动,但所需计算量很大。DES 综合了这 2 种方法的优点,因而计算采用 DES 湍流模型。在 DES 方法中,湍流动能 k 的方程可以用修正的耗散项写成:dkdt=Pk3/2lDES+D式中:为流体密度;
14、t 为时间;P 为湍流的生成项,表示为雷诺应力和平均运动变形率张量的二重标量积;lDES为长度尺度;D为扩散项。DES 的长度尺度被定义为 RANS 长度尺度和局部分辨率 的最小值,RANS 长度尺度为lRANS=k/=0.09式中:为耗散率,为模型常数,局部分辨率 被评估为局部壁面距离的最小值和网格分辨率的最大值(xi),其中 xi为不同折射率方向上网格单元的厚度。这时 DES 的长度尺度为lDES=min(CDES,lDES)CDES式中系数的计算公式为CDES=(1F1)CkDES+F1CkDESCkDES=0.61CkDES=0.78其中:常数,F1是 Menter11所提到的混合功能
15、。值得一提的是,当使用延迟分离涡模拟(delayeddetachededdysimulation,DDES)方法时,长度尺度表示为12lDDES=lRANSF1max(0,lRANSCDES)F11lDDES=CDES式中,位于边界层之外,在网格间距允许的情况下,长度尺度变为。DES 变型DDES 的 目 的 在 于 提 高 计 算 的 精 度,因 为 在DES 的长度尺度计算公式中,在某些情况下已存在网格诱导分离现象。1.2声学模型 FW-H 方程FW-H 方程13是解决声学预测问题的重要方法,Farassat14发展了几个时域公式用来求解 FW-H 方程15。FW-H 方程是一个非齐次波动
16、方程,它由广义函数形式的质量和动量守恒定律产生:2应用科技第50卷D2 p(x,t)=t0vn+(unvn)(f)xiPijnj+ui(unvn)(f)+2xixjTijH(f)pD2式中:为声压脉动;ui和 vi分别为流体和表面的速度分量;0、分别表示介质恒密度和扰动下的介质密度;下标 n 表示沿着法向方向的投影;f 为描述任意表面的方程;(f)为狄拉克函数;H(f)为海维赛德函数;为达朗贝尔算子,D2=1c202t22TijLighthill 张量为Tij=uiuj+Pijc20 ijc0uijij式中:为在无扰动介质中的声速,为压应力张量,为克罗内克符号。1.3声压级换算方法声压谱级为单
17、位频率带宽内的声压级,频率分辨率 1Hz,则总声级 L1为L1=10lg(p2(f)p20)=20lg(p(f)p0)p0=1106Pa式中参考声压。f01/3 频程谱级是在每 1/3 个倍频程内噪声的声压 谱 级,其 中 心 频 率按 ISO 推 荐 频 率 为1.010m、1.2510m、1.610m、2.010m、2.510m、3.1510m、4.010m、5.010m、6.310m、8.010mHz。由声压谱级计算 1/3 倍频程谱级为L13oct=10lgf10L1(f)1010lg f0+6.38216f0 f 216f0式中。1/3 倍频程带级是指一定频带内的声压级,由声压谱级或
18、 1/3 倍频程谱级可以计算得到 1/3 倍频程带级,用于表征一定频带内的噪声水平,表达式为Lband=10lgfhfl10L1(f)10=10lgfhflfi10L13oct(fi)106.38fiflfh式中:为指定频率范围内所包含的 1/3 倍频程中心频率,和分别为频率范围上、下限频率。总声级是指整个频带范围内的声压级,用来表征整个频带内的噪声水平,其表达式为Lp=10lgfhfl10Lband102计算域及网格划分滑道入水几何模型如图 1 所示,入水模型置于滑道正中央,模型前端与滑道前端对齐。滑道内径宽度 440mm,高度 560mm,模型截面尺寸为300mm300mm。(a)滑道几何
19、模型(b)入水网格分布图1滑道及入水模型物理模型选择 SST(Menter)k-分离涡、DES,另外结合全 y+壁面处理,精确壁面距离模型,确保近壁面流动精度。考虑重力、湍流、VOF 波和欧拉多相流,形成水气两相并创建其分界面。后期计算流体域噪声时,需要选择气动声学模型和FW-H 非稳态模型。水动力计算过程不添加噪声计算模型,选取时间步长为 1.0103s。流场充分发展后,在时间步节点位置暂停计算,选取噪声计算物理模型。采用 FW-H 声类比模型开展后续声学计算,依据水中声学参数设置声学接收器的相关参数,取接收器位置处声速为1482.9m/s,密度为 1025kg/m3。时间步长通过最大声波求
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