泵喷推进器水动力噪声的数值预报

第20卷第5期船舶力学Vol.20No.5 2016年5月Journal of Ship Mechanics May2016

文章编号：1007-7294（2016）05-0613-07

泵喷推进器水动力噪声的数值预报

付建1，宋振海1，王永生2，靳栓宝2

（1.海军潜艇学院动力操纵系，山东青岛266199；2.海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

摘要：泵喷推进器由于其高航速时优异的噪声性能，在核潜艇上已得到广泛应用，对其水动力噪声数值计算方法进行研究具有重要意义。文中首先在利用CFD方法得到固体壁面脉动压力分布的基础上，基于边界元方法完成了静止固体壁面流噪声的计算，结合点源模型并借鉴扇声源理论完成了任意边界条件下旋转声源噪声的计算，并且噪声计算结果与试验值、文献值吻合较好；然后以某泵喷为对象分别计算了泵喷静止部件和旋转部件的水动力噪声，最后对二者声场进行叠加即得到泵喷总噪声。结果表明静止部件噪声宽带总声级在径向最高，旋转部件噪声则在轴向最高；在导叶通过频率及其谐频处，由于叶轮与导管内壁面相互作用区域脉动剧烈，使得导管成为径向测点处噪声的主要贡献者，导叶对总声场的贡献量很小。

关键词：泵喷推进器；水动力噪声；点源模型；扇声源；边界元法；计算流体力学

中图分类号：U664.34文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.05.012 Numerical predicting of hydroacoustics of pumpjet propulsor

FU Jian1,SONG Zhen-hai1,WANG Yong-sheng2,JIN Shuan-bao2

(1.Department of Power Manipulation,Naval Submarine Academy,Qingdao260042,China;2.College of

Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan430033,China)

Abstract：The pumpjet propulsor was used widely in nuclear submarine due to the excellent acoustic per-formance in high speed,and it is significant to research on the numerical predicting method of hydroacous-tics of pumpjet.When the fluctuation pressure distribution of solid boundary is calculated based on CFD,the flow noise of stationary wall is calculated by BEM and the noise of rotating source is calculated consulting the point source model and acoustic fan source,the numerical result is well in agreement with the data from experiment or reference.After that the hydroacoustics of stationary component and rotating component of pumpjet is analyzed,the pumpjet noise is equal to the sum of two components noise.The result shows that the biggest wide band overall sound level of stationary component is in radial,and the biggest wide band overall sound level of rotating component is in axial.The duct is the biggest contributor for noise in radial due to the acute pressure fluctuation between blade and duct interior wall interaction area at the stator passing frequency and its harmonics,and the stator contribution to total noise is very small.

Key words:pumpjet propulsor;hydroacoustics;point source model;acoustic fan source;BEM;CFD

0引言

近年来由于泵喷推进器在高航速时具有优异的推进性能、抗空化性能和噪声性能，已广泛应用于

收稿日期：2015-12-19

基金项目：国家自然科学基金青年基金（No.51309229）

作者简介：付建（1985-），男，博士，E-mail：fujian_qdqy@；

王永生（1955-），男，教授，博士生导师。

核潜艇推进。泵喷推进器是由导管、导叶和叶轮构成的组合式推进装置。导管是剖面为机翼翼型的环状结构，叶轮是主要做功部件，导叶为一组与来流成一定角度的固定叶片。为使叶轮入流流场均匀，并且为叶轮入流提供预旋，从而降低推进器噪声，潜艇用泵喷导叶一般位于叶轮前方，即所谓的“前置导叶式”泵喷[1]。

泵喷推进器相对螺旋桨而言，不仅在水动力方面具有不同的流体流动现象，同时噪声的产生与传播亦有很大不同，国内外有关泵喷性能分析尤其是噪声性能分析的文献很少[2-5]。泵喷推进器不仅有旋转叶轮也有导叶和导管等静止部件，本文同文献[6-7]类似亦将旋转部件声场和静止部件声场分开计算，然后对两部分声场进行叠加。静止部件噪声基于声类比方程即可计算，关键是导管内旋转叶轮的声场计算。旋转声源如推进器、风扇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或风扇管道对叶轮声场的影响[8-9]；点源模型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，可以考虑固体边界的声散射效应[10-11]，本文即基于点源模型，结合边界元方法计算泵喷叶轮的辐射声场。

本文首先对静止固体壁面流噪声和旋转声源噪声计算方法的可信性进行了验证，然后计算分析了泵喷推进器的水动力噪声，希望能为低噪声泵喷推进器的设计提供参考。

1静止固体壁面流噪声计算方法验证

静止固体壁面流噪声的计算是以瞬态脉动流场计算结果作为边界条件，基于声类比方程采用边界元方法求解声场控制方程，从而在频域内求解空间任意点的声压。

研究对象为NACA0012翼型，弦长150mm ，尾部为厚度0.39mm 的钝体，最大厚度为18mm ，上下对称，攻角为9°，如图1（a ）所示。采

用与文献[12]相同的边界条件，速度进

口边界条件设置为20m/s ，出口设置为

大气背压边界条件。介质为25度空气，

雷诺数为2×105。翼型表面第一层网格

厚度均为0.1mm ，绕翼型周向布置320

个节点，尾部布置80个节点，下游方向

布置100个节点，计算域共计208万节

点，216万单元，如图1（b ）所示。

翼型流场的稳态计算采用SST 湍

流模型，瞬态计算采用大涡模拟方法（LES ）。图2为翼型稳态流场对应的中纵剖面的压力系数校核。图3为特征测点（测点位于翼型中剖面随边正上方1m 处）的声压频谱曲线计算值与试验值比较。由图2和图3可知，流场和声场计算结果同试验值均吻合较好，这验证了静止固体壁面流噪声计算方法的准确性。

614船舶力学第20卷第5期（a ）翼型计算域参数（b ）计算域网格图1翼型计算域与计算网格Fig.1Computational domain and mesh of aerofoil 图2中剖面压力系数分布图3特征点声压频谱比较

Fig.2Distribution of the pressure coefficient in

Fig.3Comparison of the sound pressure in typical middle section point with the experiment

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