基于新型涡声理论的流场-声场耦合模拟技术预测导管螺旋桨水动力噪声

文摘   2024-10-05 12:00   安徽  
  • 参考文献:Si Q, Ali A, Tian D, et al. Prediction of hydrodynamic noise in ducted propeller using flow field-acoustic field coupled simulation technique based on novel vortex sound theory[J]. Ocean Engineering, 2023, 272: 113907.

  • 期刊等级:中科院2区

  • 第一作者单位:江苏大学国家泵研究中心,江苏镇江

作为水下机器人的主要噪声源之一,管道螺旋桨的水动力噪声来源于流场中的各种非定常流动。为了研究DP流场与声场的耦合机理,本文基于涡声方程建立了三维流场-声场耦合数值计算模型。采用仿真与实验相结合的方法,对其非定常流场进行了研究。研究了声波的产生机理和声场的分布特征,并基于场协同理论分析了水动力噪声的DP传播规律。结果表明,DP域的涡结构主要受拉伸变形和科里奥利力项的影响。然而,水动力噪声的产生与流场中的涡流、湍流脉动等不稳定流动密切相关。随着进气道速度系数(IVC)的增大,螺旋桨辐射噪声先减小后增大,在最佳效率点(J = 0.6)处最小。随着IVC的增大,螺旋桨流场-声场的协同作用增强,声传输的能量损失增大,远场辐射噪声减小。本文为抑制DP的水动力噪声和水下机器人的声学优化设计提供了理论参考。

建立了基于CFD和涡声方程的三维流场-声场耦合数值计算模型,研究了DP流场与声场的耦合机理。试验结果验证了仿真方法的准确性。在此基础上,基于场协同理论分析了水动力噪声的传播规律。主要结论如下:

(1)导管域中形成了两种明显的涡结构:圆柱状脱落涡和环形附着涡。叶轮区域存在叶尖涡、轮毂涡、圆柱脱落涡和叶片脱落涡四种涡旋分布,且涡旋之间存在相互干扰和融合,使得叶轮区域的涡旋结构更加复杂。由于各种涡的相互融合和扩散,在螺旋桨尾流区形成明显的环形涡结构。螺旋桨尾迹区涡结构形成明显的环形涡结构,随着进口速度系数的增大,环形涡结构逐渐减小。桨道区域的涡结构主要受拉伸和扭转项的影响,而扭转项和科里奥利力项共同影响桨叶区域的叶顶涡。相反,叶片脱落涡和轮毂涡的主要贡献者是科里奥利力项。

(2)筒形尾迹区是风道域声压脉动最突出的主要噪声源,而叶片脱落涡等涡结构是叶片域水动力噪声的主要噪声源。声源标准差、声压标准差、螺旋桨涡体积的云图分布基本重合,表明水动力噪声的产生与流场中旋涡、湍流脉动等非定常流场密切相关。螺旋桨声源的主声源是声源项引起的速度和涡束拉伸,叶轮区域对螺旋桨噪声源的贡献最大,近场声压脉动最强烈。螺旋桨远场辐射噪声具有主要的叶片通过频率特性。四倍叶片通过频率时的峰值声压级,噪声定向偶极子分布;螺旋桨辐射噪声随着进气道速度系数的增大,在最优效率点(J = 0.6)辐射噪声最小时先减小后增大。

(3)随着进口速度系数的增大,叶轮区域的平均协同角先减小后增大。而导管域平均协同角始终呈减小趋势,这与DP远场辐射噪声的变化趋势基本一致,即随着平均协同角远离90◦,流场-声场协同作用增强。声传输的能量损失增大,远场辐射噪声减小。远场辐射噪声的实验值和模拟值与转速趋势一致,两者之间的最大误差仅为5.16%。验证了基于流声场耦合数值计算模型得到的声场结果的准确性。

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