水路运输

LESPowell

张楠，李亚，王志鹏，等

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

张楠，李亚，王志鹏，等

目的：孔腔流激噪声是水动力噪声的重要组成部分。在工业领域的实际应用中，孔腔流动常诱导各类振荡，能够引起结构振动与疲劳，激发很强的噪声，而且由于从孔腔中向外抛射较大尺度的涡而造成物体压力脉动和阻力的急剧增加。孔腔流动包含了剪切层不稳定性，湍流与结构和流动噪声之间的相互作用等流固耦合、流声耦合复杂现象，给理论分析、数值模拟和试验测量带来了很大的挑战。本文致力于建立基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟方法。方法：采用大涡模拟结合动态Smagorinsky亚格子模型对孔腔周围非定常流场进行模拟，从流动计算结果中萃取声源项输入到Powell涡声方程中来计算流激噪声，声学远场解通过格林函数求解密度摄动得到。时间项采用二阶隐式格式离散，动量方程采用限界中心差分格式离散，压力速度耦合采用SIMPLE算法。利用代数多重网格方法加速收敛。采用FFT结合Hanning窗处理非定常信号时间序列。算例全部在无锡超算中心通过并行计算完成求解。结果：声源项对于网格形式与疏密程度比较敏感，在网格划分时要特别注意网格长宽比，且要疏密得当，在涡量变化大的区域要加密网格。圆柱/机翼组合体流激噪声基准检验试验是校验计算方法的良好选择。计算方法对于谐音峰幅值、共振频率、斯特洛哈尔数的计算误差分别为：－4.6%、5.3%、5.2%；计算得到的宽带噪声谱型分布及幅值也与试验结果吻合得较好，在800～1180 Hz频段以及1700～3400 Hz频段，计算结果与试验结果吻合得非常好，差异在1～3 dB，在4000 Hz以上的高频频段，计算准确度有所下降，幅值误差最大可达10 dB。整体计算效果是令人满意的。随后又选择方腔流激噪声测试结果来验证所建立的计算方法。方腔内的旋涡产生、输运并相互干扰，构成了主要的发声根源。流激噪声的计算误差为2.0～8.8 dB，计算与试验吻合较好。最后对于带两型格栅的孔腔流激噪声进行计算。孔腔流激噪声总声级计算误差在1～3 dB之内。三个水速下孔腔流激噪声谱型与幅值都与试验吻合较好，计算误差在1～6 dB。在500 Hz以下低频段，孔腔1流激噪声要显著大于孔腔2；在500～10 KHz的高频段，孔腔1流激噪声小于孔腔2。随着流速的增高，孔腔1与孔腔2流激噪声差异越来越小，可以等量齐观。孔腔1的涡旋结构迁移速度和变化率都要小于孔腔2，因而频谱特征在低频段更为显著，造成低频段孔腔1的流激噪声比孔腔2大的现象。由此可知，工业领域孔腔的治理工作是比较复杂的，要综合考虑不同频段的影响，还要兼顾流体动力特性。结论：涡声方程的声源项空间分布具有紧致特征，适用于大尺度涡诱发的流激噪声，目前亟需在此方面开展相应的研究。详细阐释了Powell涡声理论的内涵，推导了相应的数学公式，然后利用大涡模拟方法结合Powell涡声方程计算了圆柱/机翼组合体、方腔与两型孔腔的涡旋流场与辐射噪声，结果表明数值计算方法切实可行，计算结果可靠。上述研究结果是流声耦合领域的重要组成部分，并有益于未来新型潜艇的设计与优化研究。

来源出版物：船舶力学, 2015, 19(11): 1393-1408

入选年份：2015