锥柱组合结构水动力噪声试验研究

沈喆，王雪仁，缪旭弘，庞福振,，马建强

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2.中国人民解放军92537部队，北京100161)

锥柱组合结构水动力噪声试验研究

沈喆1，王雪仁2，缪旭弘2，庞福振1,2，马建强1

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2.中国人民解放军92537部队，北京100161)

开展锥柱组合结构水动力噪声试验，研究不同流速情况下结构的水动力噪声规律。基于重力式水洞试验场地，设计锥柱组合结构试验模型与水动力噪声测量试验方案，开展锥柱组合结构水动力噪声试验，对比不同流速情况下锥柱组合结构水动力噪声特性，阐述流速对锥柱组合结构水动力噪声的影响规律；试验表明：在中低流速情况下，锥柱组合结构的水动力噪声较小；但随着流速的增大，其水动力噪声迅速增大；当来流速度达到8.59 m/s时，由于流体与模型产生的空化效应，锥柱组合结构在高频时的水动力噪声声源级增幅较大。

声学；重力式水洞；锥柱组合结构；水动力噪声；流速；测量实验

水下航行器在海洋资源开发、国防作战等方面的作用日益显著[1]。随着反潜技术的不断发展与进步，水下航行器的声学性能也逐渐受到关注；当水下航行器高速航行时，水动力噪声成为影响其声学性能的重要因素之一。

为提升水下航行器高速航行时的声学性能，国内外学者展开了大量研究：Lighthill提出声学类比理论，该理论将声场计算与流场计算统一在一起[2–3]；Bailly采用直接声场计算和声学类比理论两种方法对平板的水动力噪声特性进行数值模拟[4]；Moon通过大涡模拟求解流场，并运用线性扰动可压缩方程将声源表达为水动力压力的导数，计算不同雷诺数下平板结构的水动力噪声[5]；Shur以大涡模拟为基础，在静态和飞行状态下对微型喷气发动机的降噪进行分析[6]；张允基于大涡模拟和声学类比法对开孔潜艇水动力噪声进行数值模拟[7]。

由以上分析可知，国内外学者主要开展了水动力噪声理论及数值仿真方面的研究，对水动力噪声的试验研究较少。为此，文中拟用混响法进行锥柱组合结构水动力噪声测量的试验研究，旨在为水动力噪声的后续研究提供参考依据。

1 试验原理及测试方法

1.1 试验原理

混响法测量模型水动力噪声的关键技术是空间平均。由于简正波的干涉，使得混响声场中的每个具体测量点来说，其测量结果具有随机性，通过空间平均，可消除简正波的干涉，使测量结果准确可靠。混响法测量模型水动力噪声是通过在混响箱中离工作段较远处的混响控制区测量出空间平均声压级，再经混响箱的校准，从而得到流激励模型的辐射声功率。

混响法测量模型水动力噪声声源级的表达式为

空间平均声压级的测量方法是通过在混响箱中缓慢移动水听器竖直阵，在水听器阵移动的同时，分析仪作谱分析取上百次数据。由于水听器阵的运动，每个水听器的单个样本便相当于空间上某点处的声压级，因此，测量的每个水听器声压级相当于空间上上百个点声压级的平均。再对整个水听器阵进行垂直平均，便得到稳定具有重复性的水下航行器空间平均声压级。对于较大范围内的空间平均，可忽略其测量时不同点的不确定性因素，因此其测量结果为常量。

锥柱模型结构水动力噪声的测量在重力式水洞中进行，重力式水洞由水箱、管道系统、工作段（包括混响箱）及各种控制流速的阀门等构成；水洞正常运行时先将水抽到18.2 m高的水箱中，再利用水的重力使水箱中的水流入到水洞工作段中；工作段的流速通过水的重力和五个阀门的开关组合来获得。重力式水洞工作段水动力噪声测量系统如图1所示。

图1 水动力噪声测量系统

如图1所示，水听器阵置于混响箱中离工作段较远的区域，尽量避免离池壁、池底太近，通过水听器阵横向（沿工作段方向）移动的方式进行空间扫描测量。

1.2 试验模型

一般而言，水下航行器的外形主体上都是锥柱形，尾部由锥形壳组成，首部由球壳组成，而艇身由圆柱壳组成。锥柱壳的构造使得水下航行器在前进过程中受到的阻力减小，因此多数水下航行器的外形都采用锥柱壳形。考虑到试验条件的限制，以水下航行器的缩比模型为例，研究锥柱组合结构的水动力噪声特性，旨在为水动力噪声的后续研究提供参考依据。锥柱组合结构首部为半球，中间段为圆柱壳，尾部为圆柱台与球壳的组合体，具体尺寸与实物图如图2所示。

图2 锥柱组合结构三视图与实物图

将图2所示的锥柱组合结构安装在重力式水洞工作段内，安装调试完毕后，测量不同流速下锥柱组合结构的水动力噪声，见图3。

图3 模型安装示意图

2 水动力噪声特性分析

为分析锥柱组合结构的水动力噪声特性，首先测量了水洞工作段无模型情况下水流速度分别为4.62 m/s、6.69 m/s以及8.59 m/s等时的背景噪声；在此基础上，测量了锥柱组合结构在对应水流速度下的水动力噪声；经测量发现，无模型时的背景噪声较小，与锥柱组合结构的水动力噪声相比可忽略不计，试验所得锥柱组合结构在不同水流速度下的水动力噪声如图4－图5所示。

图4 不同流速下模型的水动力声测量结果

由图4可知，当测量频率小于1 kHz时，锥柱组合结构的水动力噪声较大；而当测量频率大于1 kHz时，锥柱组合结构的水动力噪声较小。当水流速度较大（为8.59 m/s）时，在大于1 kHz的某些频段上，锥柱组合结构的水动力噪声较大，这可能是由于空化、湍流压力增大、尾边涡脱落以及较大流速激励工作段的振动引起的。

锥柱组合结构在不同水流速度下的水动力噪声线谱对比如图5所示。

图5 不同流速下模型的水动力噪声对比

由图5可知，锥柱组合结构的水动力噪声声源级与流体的来流速度有关，来流速度越大，锥柱组合结构的水动力噪声也越大；来流速度为8.59 m/s时，锥柱组合结构在高频时的水动力噪声声源级增幅较大，为了探究流速与水动力噪声的具体关系，计算不同流速下0～2 kHz辐射声功率总级如表1所示。

由表1可以看出，随着流速的增加，辐射声功率的增幅明显提升，经计算可得，在5.71 m/s及以下，辐射声功率与流速的3～5次方成正比，随着流速的增加，其辐射声功率增幅明显提升，可达到与流速的7～9次方成正比。

表1 不同流速工况下水动力噪声声功率数值

这是由于流体尾涡脱落与空化效应所导致的。随着流速的升高，模型表面会由于空化产生逐渐增多的空化气泡，其在正压区域会发生空泡溃灭从而产生射流，射流冲击结构同时产生强烈的空化噪声，导致整体水动力噪声升高。

3 结语

基于混响法理论开展锥柱组合结构在不同流速下水动力噪声特性的试验研究，测试水流速度分别为4.62 m/s、6.69 m/s及8.59 m/s等时锥柱组合结构的水动力噪声线谱，分析各频段内水动力噪声较大的一些原因，通过上述研究可以得到如下结论：

(1)采用混响法可较准确地测量锥柱组合结构的水动力噪声并反映其特性。

(2)当测量频率小于1 kHz时，锥柱组合结构的水动力噪声较大；而当测量频率大于1 kHz时，锥柱组合结构的水动力噪声较小。

(3)锥柱组合结构的水动力噪声随来流速度的增加而增大；来流速度在5.71 m/s以下时，辐射声功率与流速的3～5次方成正比，随着流速的增加，可达到与流速的7～9次方成正比。锥柱组合结构在高速情况下的水动力噪声声源级增幅较大，这是由于流体与模型产生的空化效应造成的。

[1]王康，刘国庆，王强，等.水下航行器水动力噪声分离预报[J].中国舰船研究，2015（4）：39-38.

[2]LIGHTHILL M J.On sound generated aerodynamically.I. General Theory[C].Proceedings of the Royal Society of London,SeriesA,1952,211:564-587.

[3]LIGHTHILL M J.On sound generated aerodynamically.II. Turbulence as a source of sound[C].Proceedings of the Royal Society of London,SeriesA,1954,222:1-25.

[4]BAILLY C,BOGEY C,GLOERFELT X.Some useful hybrid approaches for predicting aerodynamic noise[J]. Comptes Rendus Mécanique,2005,333(9):666-675.

[5]MOON Y J,SEO J H,BAE Y M,et al.A hybrid prediction methodforlow-subsonicturbulentflownoise[J].Computer and Fluids,2010,39(7):1125-1135.

[6]SHUR M L,SPALART P R,STRELETS M K.LES-based evaluation of a microjet noise reduction concept in static andflightconditions[J].JournalofSoundand Vibration，2011，330（17）：4083-4097.

[7]ZHANG YUN,FU HUIPING,MIAO GUOPING.LES-based numerical simulation of flow noise for sub-merged body with cavities[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2011,45（12）:1868-1873.

Experimental Research on Hydrodynamic Noise of a Cone-cylinder Combined Structure

SHENZhe1,WANG Xue-ren2,MIAO Xu-hong2,PANG Fu-zhen1,2,MA Jian-qiang1
（1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.92537 Unit of PLA,Beijing 100161,China）

The hydrodynamic noise test for a cone-cylinder composed structure is done.Its hydrodynamic noise law for different flow velocity is analyzed.Based on a gravitational water tunnel testing system,experimental model of the conecylinder combined structure and the scheme of measurement test are designed.Influence of flow velocity on the hydrodynamic noise is given.Results of the test show that the hydrodynamic noise of the cone-cylinder combined structure is smaller in the range of low-middle flow velocity,while increases rapidly with the speed increasing.At the velocity of 8.59m/s,the increase of the noise source level of the hydrodynamic noise in high frequency range is very large due to the cavitation effect produced by the fluid and the model.

acoustics;gravitational water tunnel testing system;cone-cylinder combined structure;hydrodynamic noise;flow velocity;measurement test

O427.5

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.014

1006-1355(2017)02-0067-03+74

2016-07-16

国家自然科学基金资助项目（51209052）；黑龙江省青年科学基金资助项目（QC2011C013）；上海交通大学海洋工程国家重点实验室基金资助项目（1307）；工信部高技术船舶资助项目；中央高校基本科研业务费资助项目（HEUCFD1515）；中国博士后基金（2014M552661）

沈喆（1993－），男，安徽省蚌埠市人，硕士生，主要研究方向为舰船结构振动与噪声、舰船结构动力学。Email:shenzhe@hrbeu.edu.cn