MSC:基于Actran的螺旋槳非空化噪聲仿真研究

研究背景與內(nèi)容

螺旋槳是船舶的主要推進(jìn)器之一，具有良好的水動(dòng)力性能、較高的推進(jìn)效率和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。然而，在船舶設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，螺旋槳的噪聲問題一直是一個(gè)重要且復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

本研究使用仿真手段對(duì)旋轉(zhuǎn)槳的非空化噪聲進(jìn)行研究。研究分為流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和聲學(xué)仿真計(jì)算，流體計(jì)算以縮比的DMPT P4119標(biāo)準(zhǔn)槳為研究對(duì)象。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，采用SST 湍流模型。瞬態(tài)計(jì)算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計(jì)算不同工況下螺旋槳的水動(dòng)力性能。所得流場(chǎng)結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)。聲學(xué)計(jì)算采用聲學(xué)商業(yè)軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計(jì)算螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.833時(shí)的非空化噪聲，所得聲場(chǎng)結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在10dB以內(nèi)。

研究方法

01槳葉模型

根據(jù)獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進(jìn)行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數(shù)為3。完成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準(zhǔn)點(diǎn)，按比例縮小，縮放因子為0.657894。縮放后的直徑為D=0.2米。縮小比例的螺旋槳的主要特征如表1所示。

02流體動(dòng)力學(xué)模型

如圖1所示在螺旋槳周圍創(chuàng)建三個(gè)流體域，即螺旋槳周圍均勻包裹小流體域，中間流體域及最外層流體域。螺旋槳周圍均勻包裹小流體域?yàn)樾D(zhuǎn)域，包裹住螺旋槳。中間流體域（Mid region）為靜止域?qū)锳ctran計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)提取。采用速度進(jìn)口邊界（velocity inlet）模擬流體的流動(dòng)，流體流動(dòng)方向垂直于進(jìn)口表面。螺旋槳表面被設(shè)定為無滑移邊界（wall），而計(jì)算域的外圓柱面被設(shè)定為對(duì)稱邊界（symmetry）。流體出口被設(shè)定為壓力出口邊界（pressure outlet），不同區(qū)域之間的交界面設(shè)定為Interface邊界，如下圖2示。初始?jí)毫Ρ辉O(shè)定為表壓。

圖1 縮比P4119螺旋槳計(jì)算域劃分

圖2 流場(chǎng)計(jì)算域的邊界及交界面設(shè)定

03聲學(xué)模型設(shè)置

聲場(chǎng)幾何模型與流場(chǎng)中間域(Mid Region)的模型一致，聲學(xué)幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。聲學(xué)邊界條件及場(chǎng)點(diǎn)布置如圖4所示。由于聲學(xué)幾何模型與流場(chǎng)的中間流域形狀尺寸一致，所以將與流場(chǎng)內(nèi)部交界面對(duì)應(yīng)的面設(shè)置為面聲源邊界，與流場(chǎng)輸出的域相對(duì)應(yīng)的體設(shè)置為體聲源邊界，將體聲源外部包裹體作為聲傳播域，將最外側(cè)的面設(shè)置為無限元邊界，插值階次設(shè)置為7階。場(chǎng)點(diǎn)設(shè)置在螺旋槳軸向尾部550mm，徑向225mm的位置與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)一致。

圖3 聲學(xué)幾何模型及聲學(xué)網(wǎng)格劃分

圖4 聲學(xué)邊界條件及場(chǎng)點(diǎn)布置位置

研究結(jié)論

面聲源對(duì)應(yīng)于流場(chǎng)的內(nèi)交界面，體聲源對(duì)應(yīng)于流場(chǎng)的中間流域，通過ICFD變換得到面聲源和體聲源的聲源信息，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比如圖5所示。

圖5 均勻來流下仿真結(jié)果以及和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5可知場(chǎng)點(diǎn)的試驗(yàn)和仿真的計(jì)算結(jié)果吻合性良好，說明該仿真方法的準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果顯示在低頻時(shí)，體聲源所產(chǎn)生的噪聲占據(jù)主要地位，比面聲源聲壓級(jí)大10dB左右。隨著頻率的增大，在2BPF(79.6Hz)后，面聲源的聲壓級(jí)開始大于體聲源，并隨后一直處于主導(dǎo)地位。下圖6是不同聲源項(xiàng)作用在不同葉頻下的縱向聲壓云圖。可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加聲壓級(jí)逐漸降低。隨著頻率的增大，聲壓級(jí)逐漸降低。在1BPF(39.6Hz)時(shí)，面聲源的云圖分布特點(diǎn)呈現(xiàn)8字形，且相比于面聲源來說，體聲源對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)更大，面聲源和體聲源共同作用聲壓云圖也和僅體聲源作用的云圖更接近。當(dāng)頻率在25BPF(990Hz)時(shí)，面聲源和體聲源共同作用聲壓云圖和僅面聲源作用的云圖幾乎沒有差別,且聲壓云圖已經(jīng)從聲源向空間各個(gè)方向發(fā)散。綜上所述，在低頻時(shí)，噪聲主要來自體聲源項(xiàng)的貢獻(xiàn)，隨著頻率的增大，噪聲主要來自面聲源項(xiàng)的貢獻(xiàn)。

該結(jié)果表明，使用Actran與流體結(jié)果的混合方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)螺旋槳的非空化噪聲。

圖6 不同頻率下螺旋槳縱向剖面的聲壓云圖

注：此內(nèi)容來自?？怂箍倒I(yè)軟件2023年用戶峰會(huì)投稿論文：《均勻來流下螺旋槳的非空化噪聲預(yù)報(bào)》，作者：徐龍龍、葉栗栗、王獻(xiàn)忠，武漢理工大學(xué)。