泵喷推进器导管对转子声场的影响

卢丁丁, 付 建



泵喷推进器导管对转子声场的影响

卢丁丁1, 付 建2

(1. 海军装备部, 陕西西安, 710077; 2. 海军潜艇学院, 山东青岛, 266199)

泵喷推进器由于导管的存在, 使其声场的产生与传播较螺旋桨有很大不同。为掌握该推进器的声学性能,指导推进器的声学优化设计, 文中结合点源模型和边界元方法完成了泵喷推进器导管内转子的声场预报, 分析了导管对转子声场的影响。对导管内转子声场而言, 其声场特性与螺旋桨有相似之处, 宽带声源级指向性呈8字形。由于导管散射效应的存在, 转子的入射声场与散射声场存在较大差异, 使得导管对径向测点处转子声场影响较大, 对轴向测点处转子声场的影响可以忽略。

泵喷推进器; 导管; 转子; 声场; 点源模型; 边界元法

0 引言

泵喷推进器是由导管、定子和转子构成的组合式推进装置。泵喷推进器与螺旋桨相比, 流体动力特性以及噪声产生、传播方式均存在较大差异, 导管将泵喷推进器流场分解成内外流场, 其相应的声场亦被分为内外两部分, 内声场通过导管口向外传播, 相对于自由空间而言其指向性明显不同[1-2]。国内外对泵喷流体动力性能预报与分析的相关研究相对较多[3-5], 而和噪声性能相关的研究很少[2,6-7]。由于泵喷一般工作于一定水深条件下且减速导管可以有效抑制空泡的发生, 因此转子作为主要做功部件, 其壁面脉动压力引起的负载噪声是推进器噪声的最主要贡献者。转子位于导管内部, 如何准确计算导管内转子的辐射声场, 分析导管对转子声场的影响, 对低噪声泵喷推进器转子和导管的声学优化设计具有重要意义。

泵喷叶轮属于旋转声源, 旋转声源的声场主要是依据声类比方程或点源模型求解。声类比方程适用于旋转机械的自由声场计算, 不能考虑推进器导管对叶轮声场的影响[8-9]; 点源模型即把旋转叶轮等效为若干个旋转点声源, 所有旋转点声源声场总和即为旋转叶轮声场, 可以计算任意边界条件下的旋转声源辐射声场[10-11]。此外, 前人对管道内旋转声源声场仿真所做研究多以点声源为研究对象[10-11], 文中研究的对象是分布式声源。作者在前人工作基础上, 进一步完善了点源模型在旋转机械自由声场计算中的应用, 并以泵喷推进器为对象, 计算了考虑导管散射时的叶轮声场, 并分析了导管对叶轮声场的影响。

1 导管内旋转声源计算方法

在数值方法中, 由于边界元法只需在导管边界面上划分网格, 不受形状、边界条件的限制, 在导管声场的数值计算中应用最为广泛[12-13]。文中基于点源模型和边界元方法完成导管内转子辐射声场的计算和分析。

1.1 点源模型理论

任何噪声源都可以看作由多个具有适当相位、幅值和位置的点声源组成。结合点源模型理论, 当叶片尺寸同分析频率对应波长相比足够小时, 可将单个叶片作为紧致声源处理; 如果单个叶片不能作为紧致声源处理时, 可以将叶片沿径向和轴向划分为若干部分, 每一部分作为紧致声源处理[12]。根据点源模型理论将每个旋转点声源沿运动轨迹离散为旋转圆周上均匀分布的一系列具有相位差的静止点声源(见图1), 每个离散声源做相应处理, 使得不同时刻静止点声源按照沿旋转点声源运动轨迹的排列顺序依次发声, 从而模拟点声源在旋转过程中的发声过程, 时域声源可进一步变换为频域声源[12]。

1.2 边界元方法

边界元法分为直接边界元法和间接边界元法。直接边界元法采用具有明确物理意义的量(如声压和振速)作为变量求解, 适用于封闭空间的内声场或外声场求解; 间接边界元法以振动位移和声学势函数作为变量求解, 适用于封闭空间或非封闭空间的声场求解。间接边界元方法可以从直接边界元方法推导出来, 因此本节主要介绍有入射波条件下的直接边界元声场求解方法。

导管内点声源声场P为入射声场P和散射声场P的叠加, 即

文中借鉴Seol等人计算导管桨噪声的方法[14], 基于Helmholtz方程预报简单声源的非自由声场, 并应用边界元法求解Helmholtz方程。Helmholtz方程解的积分形式可以表示为

(2)

导管作为刚性壁面, 在入射声波确定后, 由式(2)可以首先计算出结构表面声压, 然后由式(3)可计算出对应的散射声场和总声场。

2 分析对象

图2为所分析的鱼雷用泵喷模型。在计算转子负载噪声之前, 首先要获得转子壁面的脉动压力信息, 文中采用CFD方法完成“鱼雷+泵喷”的瞬态流场模拟, 对应的流场计算模型如图3所示(为雷体长度)。

对流场计算域进行离散时, 泵喷壁面第1层网格厚度控制在/1 000左右(为泵喷进口直径), 以准确模拟固体壁面的脉动压力信息; 瞬态流场计算时, 泵喷转子与定子的动静耦合选用滑移网格模型, 湍流模拟方法选择分离涡模型, 时间步长定为转子旋转0.3°所需时间。设定泵喷转速和对应的来流速度, 进行系统的瞬态流场计算, 待流场稳定后提取转子壁面脉动压力信息, 即可进行声场计算。

3 导管内转子声场的计算与分析

3.1 导管内转子声场的仿真方法

应用点源理论和边界元法求解泵喷转子声场时, 首先将泵喷转子壁面流体网格上的压力映射到转子声场网格, 然后将转子分块离散, 每个分块等效为一个偶极子, 根据瞬态流场计算时间步长将旋转偶极子沿运动轨迹离散为有限个有固定相位差的偶极子, 最后考虑泵喷静止壁面的声反射、散射作用, 即得到转子对应声场。导管内转子噪声的计算模型如图4所示。

3.2 导管内转子声场的计算

泵喷转子声场计算对应的场点布置如图5所示, 指向性场点在水平方向360°范围内, 场点之间间隔3°。

叶频(blade passing frequency, BPF)是转子线谱噪声的主要来源, 因此以叶频处的声场特性为对象做进一步分析。图6即为10BPF以内导管内转子声场所对应的宽带声源级指向性。由图6可知, 转子噪声在轴向测点宽带声源级最高, 这与螺旋桨噪声指向性类似, 主要是由于转子的轴向载荷要远大于水平方向和垂直方向的载荷, 使得轴向声场最强, 指向性呈类8字形分布。

3.3 导管对转子声场的影响分析

由于导管作为刚性壁面, 其散射效应会对转子的辐射声场产生一定影响, 图7为考虑导管声散射效应前后部分频率点处转子的声源级指向性对比。由图7可知, 考虑导管散射效应后, BPF处的转子声场在90°和255°处变化较大, 其中90°处声压降低了6.8 dB; 3BPF处声场除在90°和270°附近有较小变化外, 其余测点噪声基本不受影响; 10BPF声场在75°和250°附近变化较大。

图8为BPF处总声场、入射声场和散射声场的近场声压分布云图。从声压最大幅值上而言, 散射声场要远低于入射声场; 从声压分布上讲, 散射声场和入射声场之和即总声场与入射声场存在较大差异。

为深入分析导管声散射效应对转子声场的影响, 将转子对应的每个离散偶极子按照力的矢量方向分解为,和3个分量, 并计算所有偶极子的不同方向分量所对应的入射声场和散射声场的声源级指向性, 如图9所示。

由图9可知, 由于指向性场点所在平面与轴垂直, 使得在平面的入射声场较弱, 且指向性基本呈圆形;和对应的入射声场声压指向性分别是关于轴和轴对称的8字形, 这与自由场条件下偶极源的声场指向性一致。考虑导管声散射作用后,对应的散射声场在大部分测点处强于入射声场;对应的散射声场在90°附近较强, 且与入射声场强度相当;的散射声场在轴向低于入射声场, 而在径向高于入射声场, 使得散射声场对轴向测点总声场的影响很小; 由于径向测点处的声场主要是由贡献, 轴向测点处的声场主要由贡献, 因此考虑导管散射后, 轴向测点的声压基本不变, 而径向测点声压变化较大。

由上述计算分析结果可知, 导管的存在会对转子声场产生较大影响, 尤其是在径向测点, 可称其为“侧壁屏蔽效应”; 由于导管长度较短其对轴向测点噪声的影响可以忽略; 虽然散射声场强度要远低于入射声场, 但考虑导管散射效应之后的转子声场与自由声场的声压分布存在较大差异。

4 结束语

通过分析可知, 点源模型和边界元方法的联合应用可以解决导管内旋转声源声场的计算问题, 文中用该方法完成了导管内转子声场的计算和分析, 并且考虑泵喷导管对转子声场的散射效应后, 转子的入射声场和散射声场存在较大差异, 导管对径向测点处转子声场影响较大, 对轴向测点处转子声场的影响可以忽略。

文中主要针对推进器的中低频噪声进行分析, 在高频段导管对转子声场的影响更为突出, 由于硬件条件限制, 尚未对该部分开展相关研究。利用该方法指导低噪声泵喷尤其是泵喷转子和导管的声学优化设计将是下一步主要工作。

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(责任编辑: 许 妍)

Effect of Pump-jet Propulsor Duct on Sound Field of Rotor

LU Dingding, FU Jian

(1. Navy Armament Department, Xi′an 710077, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

The sound field generation and propagation of a pump-jet propulsor is quite different from that of a propeller because of the existence of the duct. In order to understand the sound performance of the pump-jet propulsor for its acoustic optimization design, the point source model and boundary element method are used to forecast the sound field of rotor in the duct, and the effect of the duct on the sound field is analyzed. The characteristic of rotor sound field in the duct is similar to that of the propeller, and the directivity of wide-band acoustic source level shows 8 shape. The incident sound field and scattering sound field of the rotor are quite different due to the scattering effect of the duct, resulting a remarkable effect of the duct on the sound field of the rotor in radial direction, and a neglectable effect in axial direction.

pump-jet propulsor; duct; rotor; sound field; point source model; boundary element method

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.002

TJ630.33; U664.34

A

1673-1948(2016)06-0407-05

2016-09-11;

2016-10-15.

卢丁丁(1986-), 男,博士, 工程师, 主要研究方向为鱼雷总体技术.