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不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析

王甫江, 桂洪斌

王甫江, 桂洪斌. 不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 276–286. DOI: 10.19693/j.issn.1673-3185.02848
引用本文: 王甫江, 桂洪斌. 不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 276–286. DOI: 10.19693/j.issn.1673-3185.02848
WANG F J, GUI H B. Acoustic radiation characteristics analysis of submarine-propeller coupling under different operating conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 276–286. DOI: 10.19693/j.issn.1673-3185.02848
Citation: WANG F J, GUI H B. Acoustic radiation characteristics analysis of submarine-propeller coupling under different operating conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 276–286. DOI: 10.19693/j.issn.1673-3185.02848
王甫江, 桂洪斌. 不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 276–286. CSTR: 32390.14.j.issn.1673-3185.02848
引用本文: 王甫江, 桂洪斌. 不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 276–286. CSTR: 32390.14.j.issn.1673-3185.02848
WANG F J, GUI H B. Acoustic radiation characteristics analysis of submarine-propeller coupling under different operating conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 276–286. CSTR: 32390.14.j.issn.1673-3185.02848
Citation: WANG F J, GUI H B. Acoustic radiation characteristics analysis of submarine-propeller coupling under different operating conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 276–286. CSTR: 32390.14.j.issn.1673-3185.02848

不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析

详细信息
    作者简介:

    王甫江,男,1997年生,硕士生。研究方向:螺旋桨声辐射。E-mail:m17863107901@163.com

    桂洪斌,男,1967年生,博士,教授。研究方向:船舶结构设计,结构振动与噪声控制。E-mail:guihongbin@sina.com

    通讯作者:

    桂洪斌

  • 中图分类号: U664.33

Acoustic radiation characteristics analysis of submarine-propeller coupling under different operating conditions

知识共享许可协议
不同工况下潜艇艇体−桨整体声辐射特性分析王甫江,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:
      目的  旨在研究潜艇大侧斜螺旋桨在不同工况下的艇体−桨整体声辐射特性。
      方法  以SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟(LES)和声学有限元方法(FEM),以及使用Fluent流体计算软件和LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件进行联合仿真计算。
      结果  结果表明:在潜艇存在进速的工况下,其艏部、指挥室围壳、艉部方向舵和螺旋桨区域的速度压力分布变化最大,整体系统的噪声传播方向以艇体周向某一方向的声压级(SPL)最高,艉部方向舵次之;在潜艇不存在进速的工况下,整体系统的噪声与螺旋桨的旋转作用有关,且在440 Hz频率处存在峰值,超过其他工况下的声压级。
      结论  潜艇的艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域是压力脉动的重点区域,与潜艇的进速密切相关;艇体−桨整体螺旋桨噪声在低频段也主要由上述3个区域产生,在中高频段螺旋桨区域开始对艇体−桨整体噪声产生作用,总的声压级随着频率的增加而逐渐升高。
    Abstract:
      Objective  This paper aims to study the overall acoustic radiation properties of a submarine hull-propeller system with a seven-blade highly skewed propeller working under different operating conditions.
      Methods  Taking the SUBOFF submarine model and a highly skewed propeller as the research object, the large eddy simulation (LES) and acoustic finite element method are adopted, and Fluent fluid calculation software and LMS Virtual.Lab acoustic simulation software are used to carry out joint simulation calculation.
      Results  The results show that the velocity and pressure distributions in the bow, conning tower, stern rudder and propeller area change the most when the submarine has advance speed. The noise propagation direction of the whole system has the highest sound pressure level (SPL) in a certain direction of the hull's circumference, followed by the aft direction. When the submarine has no advance speed, the noise of the coupling system is related to the rotating action of the propeller, and there is a peak at the 440 Hz frequency, which exceeds the SPL under other operating conditions.
      Conclusions  The three regions of the bow, conning tower and stern rudder are the key regions that generated pressure pulsation, which is closely related to the advance speed of the submarine. In the low frequency band, the propeller noise is mainly generated by the bow, conning tower and stern rudder. In the middle and high-frequency bands, the overall submarine hull-propeller noise also begins to have an effect, and the total SPL increases gradually with the increase in frequency.
  • 潜艇噪声主要来自于设备的机械振动噪声、流噪声和螺旋桨噪声,随着科学技术的发展,机械振动噪声已得到一定程度的解决[1],流噪声也通过潜艇外形的优化设计得到了降低[2],潜艇的螺旋桨噪声一直以来都是一个重要的研究方向[3]。螺旋桨噪声主要分为4类:一是空泡噪声[4],当螺旋桨转速达到一定程度时,桨叶表面的局部压力降低,当低于水的汽化压力时,就会发生空化,产生空泡,空泡发生溃灭,产生内爆,内爆则导致很大的噪声;二是因螺旋桨在船舶或潜艇艉部工作导致伴流非均匀,或因斜流而引起的桨叶振动噪声[5];三是螺旋桨工作时产生的尾涡而引起的涡噪声[6];四是艇体艉部反射的噪声以及螺旋桨旋转引起的艇体振动噪声。美、英、法等国家海军采用新型推进器(主要是指泵喷推进器)来降低螺旋桨噪声,已成功应用[7]。目前,潜艇上使用的推进器主要还是螺旋桨,除了需要追求推进性能之外,还需要尽可能地兼顾低噪声性能,因此十分有必要对使用螺旋桨作为推进器的潜艇进行艇体−桨整体水动力噪声分析。

    龚京风等[8]利用Lighthill声类比理论将流场计算和声场计算结合在一起,单独对DTMB P4119螺旋桨进行了数值模拟并分析其水动力特性和声辐射特性,由RANS方法得到稳态流场,用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法进行非稳态计算,当流场达到动态稳定后求解FW-H方程获得声场分布。张楠等[9]将SUBOFF潜艇模型与AU5-65螺旋桨相结合,分析了敞水状态及伴流状态下螺旋桨的噪声。王诗洋等[10]以SUBOFF潜艇模型和DTMB 4383螺旋桨为计算对象,结合LES湍流模型和无限元方法(I-FEM),分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。在采用ACTRAN声学计算软件对艇体−桨一体的水动力噪声性能进行数值预报方面,Choi等[11]基于艇体−附体−螺旋桨相互作用的考虑,通过数值分析,预测了螺旋桨的非空泡噪声,利用FW-H声类比理论数值预测了厚度噪声和负载噪声;Ebrahimi等[12]采用边界元法(BEM)和FW-H方程分别对螺旋桨的水动力及其声学性能进行了分析,并在空泡水筒中进行实验测试,验证了所得结果。目前,对于潜艇上常用的大侧斜螺旋桨的噪声分析研究比较少,特别是对于不同工况下艇体−桨整体声辐射研究较少。大侧斜螺旋桨与常规螺旋桨相比有着很多不可替代的优点[13],其可减少螺旋桨引起的不稳定轴承力和位移、脉动压力,改善螺旋桨空泡性能,有效推迟空化、抑制空化,并可显著提高临界航速。

    综上,本文拟以大侧斜螺旋桨为研究对象,针对不同工况下艇体−桨整体系统的声辐射开展研究。根据现有资料,自行改进设计一款七叶大侧斜螺旋桨,对其进行敞水实验和数值模拟,分析螺旋桨单独工作时的声辐射特性;依托SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨,研究常规工况下潜艇非均匀伴流场的速度分布规律, 并开展不同工况下艇体−桨一体的螺旋桨水动力噪声性能数值预报。

    本文研究涉及计算流体力学方面的内容。一方面,使用SST k-ω模型计算定常水动力性能,以所得的定常水动力性能结果作为非定常水动力计算的初始条件,最后导出潜艇和螺旋桨表面的时域脉动压力,其中非定常计算使用LES模型;另一方面,将流体计算结果导入LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件,加载潜艇和螺旋桨表面的壁面偶极子声源,然后应用声学有限元法进行声场分布计算,导出相应的监测点数据。

    本文研究采用SUBOFF潜艇模型和自行改进设计的一款七叶大侧斜螺旋桨为计算对象。表1所示为SUBOFF潜艇模型的主要参数,图1所示为三维SUBOFF潜艇模型。该潜艇模型为单桨驱动,艇体细长,全艇附体只有指挥室围壳和艉部的4个方向舵,艉舵剖面为NACA 0020翼型。

    表  1  SUBOFF潜艇主要参数
    Table  1.  Main parameters of SUBOFF model
    参数数值
    艇长/m4.356
    艇体最大直径/m0.508
    指挥室围壳长/m0.368
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    图  1  SUBOFF潜艇三维模型
    Figure  1.  The three-dimensional SUBOFF model

    表2所示为螺旋桨主要参数,该螺旋桨侧斜角为70.5°,旋向为右。由于桨叶数较多,单个桨叶较为细长,且由于叶梢部的侧斜角较大,导致叶梢变得更为瘦削。图2所示为螺旋桨三维模型。

    表  2  七叶大侧斜螺旋桨主要参数
    Table  2.  Main parameters of seven-blade highly skewed propeller
    参数数值
    叶数7
    盘面比0.701
    直径/m0.305
    侧斜角/(°)70.5
    毂径比0.2
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    图  2  七叶大侧斜螺旋桨三维模型
    Figure  2.  The three-dimensional model of seven-blade highly skewed propeller

    1) 流体控制方程。

    不可压缩的牛顿流体运动满足连续性及动量守恒方程,实际不可压缩流体运动的N-S方程为

    \left\{ \begin{aligned} & \nabla \cdot {\boldsymbol{u}}=0\\& {\boldsymbol{f}}-\frac{1}{\rho }\nabla p+v{\nabla }^{2}{\boldsymbol{u}}=\frac{\partial \boldsymbol{u}}{\partial t}+({\boldsymbol{u}} \cdot \nabla ){\boldsymbol{u}} \end{aligned}\right. (1)

    式中: \nabla 为哈密顿算子;u为流体的速度矢量;v为速度;t为时间; \rho 为流体密度;p为压力;f为流体所受到的体积力。

    连续性方程为

    \frac{\partial \rho }{\partial t}+\rho \nabla \cdot \boldsymbol{u}=0 (2)

    2) 湍流模型。

    本文在稳态计算中使用SST k-ω湍流模型,由于其适用范围更广,可以用于含逆压梯度的流动计算、翼型计算和跨音速激波计算。随后,使用LES模型进行瞬态计算,其基本思想是通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动,能够捕捉到许多其他湍流模型无法准确计算的非稳态和在非平衡过程中出现的大尺度效应及拟序结构,且与直接数值模拟相比,节省了很大一部分计算量。

    3) 流场计算模型。

    联合仿真需要Fluent和LMS Virtual.Lab两款软件的结合。在Fluent中进行流场计算时,根据选定的进速系数进行稳态计算,并且以稳态流场作为瞬态计算的初始条件;声学计算所需要的湍流模型为LES模型,该模型对于网格大小有其自身的要求,其中第1层网格大小需要满足y+≤1。图3所示为流场计算的各部分流场划分情况。

    图  3  流场计算域划分
    Figure  3.  Division of flow-field computational domain

    流域入口定义为速度入口,速度由不同工况的潜艇进速决定;流域出口定义为压力出口,设置为0压力;外流场周向壁面设置为wall,定义为无剪切壁面,减少壁面摩擦对流场区域的影响;潜艇内流场壁面(Interface)和螺旋桨内流场壁面进行流场数据交换,螺旋桨内流场区域为旋转区域。

    计算时,需要对艇前和艇后区域的网格进行加密,并且潜艇及螺旋桨周围的网格系也应进一步加密。图4所示为满足要求的流体计算网格,图5所示为带桨潜艇艇后区域网格剖面。

    图  4  流场计算域网格划分
    Figure  4.  Mesh division of flow-field computational domain
    图  5  带桨潜艇艇后区域网格剖面
    Figure  5.  Tail mesh section of submarine with propeller

    4) 流体计算边界条件。

    实际模拟时,按照预先设定的潜艇不同转速下的4个工况,包括全速前进、减速前进、螺旋桨故障停车和潜艇启动,在流体计算软件中通过不同入口速度与螺旋桨转速n对各工况进行模拟。表3所示为不同工况下对应的潜艇进速及螺旋桨转速。

    表  3  不同工况下的潜艇运行参数
    Table  3.  Parameters of submarine operation under different operating conditions
    工况潜艇进速/(m·s−1)螺旋桨转速n/(r·min−1)
    全速前进3.05515
    减速前进3.05200
    故障停车3.050
    潜艇启动0515
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    为实现时间精度和数值的稳定性,需要一个小于1的常数——收敛条件判断数(CFL),定义为

    CFL=\frac{\mathrm{\Delta }t\left|U\right|}{\mathrm{\Delta }x} (3)

    式中: \mathrm{\Delta }t 为时间步长,s; \mathrm{\Delta }x 为流动方向的单元格大小,m;U为通过该单元的流速,m/s。

    为确保所有流场区域的 CFL < 1 ,根据最坏情况(最小单元格∆x和最大流速U)选择时间步长∆t,使用的∆t由需要分析的最大频率给出。对于最高计算频率 {f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} 为1 kHz,∆t应为

    \Delta t < \frac{1}{2 \cdot {f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}} (4)

    需计算的实际时间由所需频率步长给出:

    T=\frac{1}{\Delta f} (5)

    式中,T为瞬态计算的总时间,s;∆f 为频域分析中的频率步长,Hz。

    因此,本文计算的 {f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} =1 kHz, \Delta f =1 Hz ,对应的 \mathrm{\Delta }t =0.0005 s,T=1 s,即2000步。使用SIMPLE方法求解,在瞬态计算中每个时间步保存1次计算结果,共迭代20次。

    5) Fluent和LMS Virtual.Lab联合仿真。

    首先,提取流场计算中潜艇和螺旋桨表面的时域压力结果作为声源。在Fluent中生成CGNS文件并导入LMS Virtual.Lab软件,导入结果时需要先进行一步数据映射,以便将单元中心的数据映射到单元节点上。在完成映射以及导入后,LMS Virtual.Lab中会生成节点和单元文件和单元数据文件,并作为激励条件在后续计算中导入。

    然后,将导入的流体数据映射到潜艇结构网格,再传递到定义的声学包络网格与结构网格贴合的第1层网格,并对压力结果进行快速傅里叶变换(FFT),实现时域向频域的转化,最后通过声学响应模块进行流动噪声计算。

    本文采用声学有限元方法进行声学分析。使用LMS Virtual.Lab分析时,通常假设最小波长内有6个单元,即最大单元的边长要小于最短波长的1/6。对于二次单元,最大单元的边长要小于最短波长的1/3,或者是小于最高计算频率 {f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} 点处波长的1/3。一般情况下,使用线性单元,假设声音在某流体介质中的传播速度是c,要求最高计算频率为 {f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} ,则需要的单元长度L应满足:

    L\le \frac{c}{6{f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}} (6)

    图6所示为声学包络网格。

    图  6  潜艇模型外声学包络网格
    Figure  6.  Outer acoustic envelope mesh of submarine model

    除了声学近场包络网格之外,还需要远场场点网格。场点网格只需要二维平面网格就可以满足,按照XYXZYZ这3个平面构造场点网格,以便于检测远场声辐射,并且选取潜艇附近3个点作为监测点来分析声压。图7所示为划分好的场点网格和监测点位置。

    图  7  场点网格和监测点位置
    Figure  7.  Field point mesh and arrangement of monitoring points

    首先,对潜艇全速前进时的流场计算结果进行分析,图8所示为此时潜艇表面压力分布结果。

    图  8  全速前进潜艇表面压力分布云图
    Figure  8.  Contours of surface pressure distribution on submarine under full speed ahead condition

    从图中可以看出:在潜艇艏部存在一个高压区域,并高出周围区域很多,容易产生较大噪声;在潜艇的指挥室围壳前部先出现高压区域,之后压力向两边迅速减小,并产生低压区,由此形成很大的压力差,因此这个位置是一个重要的噪声源;同样,在潜艇艉部也可以观察到压力的变化,在艉部方向舵位置,存在着与指挥室围壳相似的压力分布,且由于有4方向舵,其噪声水平也不会太低;最后一个重要的噪声来源就是潜艇尾部伴流场中的螺旋桨受到非均匀来流产生的压力脉动。图9所示为螺旋桨表面压力分布,图10所示为潜艇全速前进时外流场轴向速度分布。

    图  9  非均匀伴流场中螺旋桨表面压力分布云图
    Figure  9.  Contours of pressure distribution on propeller blade surface in non-uniform wake field
    图  10  潜艇全速前进时外流场轴向速度分布云图
    Figure  10.  Contours of axial velocity distribution in outflow field of submarine under full speed ahead condition

    图10所示速度分布云图与之前的结果相对应,速度变化较大的区域与压力变化明显的区域基本一致。另外,潜艇向艉部过渡的区域也存在明显的速度变化,且需要重点考虑的是方向舵之后区域的速度分布。由此推断,潜艇的艏部、指挥室围壳和潜艇艉部会出现3个明显的高声压级区域。

    通过观察螺旋桨前的速度分布可以更好地理解潜艇伴流对螺旋桨进流带来的影响。图11所示为伴流状态下螺旋桨前的速度分布云图。

    图  11  伴流状态下螺旋桨前的速度分布云图
    Figure  11.  Contours of velocity distribution in front of the propeller under wake state

    潜艇进速一定时,其周围外流场不会发生大的变化,唯一区别在于不同螺旋桨转速影响了艇后尾流区域的速度分布。在潜艇全速前进时,艇后尾流区域的流体速度存在着明显的轴向高速。在潜艇减速前进时,螺旋桨在对应转速下所产生的推力已不足以推动潜艇维持当前的速度,螺旋桨后的流体加速并不明显。在故障停车时,由于潜艇的进速依然维持在一个比较高的状态,但螺旋桨此时完全不提供任何推力,因此螺旋桨会成为潜艇阻力的重要来源。在潜艇启动时,螺旋桨后的流体受螺旋桨作用开始加速,并以一定的速度向后流动,由于没有进速,因此几乎不存在伴流影响,螺旋桨表面压力分布与螺旋桨单独工作时类似。图12所示为潜艇故障停车时外流场轴向速度分布云图。

    图  12  潜艇故障停车时外流场轴向速度分布
    Figure  12.  Contours of axial velocity distribution in the outflow field of submarine under fault shutdown condition

    潜艇在全速前进、减速前进和故障停车工况下,螺旋桨均会受到由于潜艇外形引起的非均匀伴流场的影响。图13所示为这3种工况下螺旋桨表面压力分布。

    图  13  全速前进、减速前进和故障停车工况下的螺旋桨叶片表面压力分布云图
    Figure  13.  Contours of pressure distribution on propeller blade surface under full speed ahead, easy ahead and fault shutdown conditions

    首先,对潜艇全速前进工况下的声辐射特性进行分析,然后将潜艇流体计算的时域结果导入LMS Virtual.Lab中,最后经过声学计算,得到图14所示X=2 460 mm, Y=600 mm, Z=600 mm这3个监测点的声压曲线。

    图  14  潜艇全速前进工况下3个监测点的声压曲线
    Figure  14.  Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points under full speed ahead condition

    图14中可以看出,各监测点的声压变化趋势相近,区别在于:Z方向的声压级最低,Y方向的声压级最高。经过数据分析,Y方向的声压级平均比Z方向的声压级数大约高10 dB。但从图中无法看出明显的峰值,通过观察各频率下的声压分布,可以发现,不同频率范围下的声压分布云图可以分为3类,即取1,401,1000 Hz这3个声压分布云图较为典型的频率来观察其所对应的声压分布云图,如图15所示。

    图  15  部分频率下潜艇的声压分布云图
    Figure  15.  Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies

    图15中可以看出, 在第1类即f=1 Hz时,整个潜艇存在3个沿X方向分布的声压级较高的区域,包括艏部、指挥室围壳附近和艉部(但明显观察到该位置并不是螺旋桨,因此可以判断为艉部方向舵),这说明在低频范围内,潜艇噪声主要来源于自身形状变化导致的非均匀流场;在第2类即f=401 Hz时,存在2个沿Z方向分布的声压级较高区域,主要是潜艇艉部过渡区域;在第3类即f=1000 Hz时,存在2个沿X方向分布的声压级较高区域,潜艇噪声主要声源变化为潜艇艉部过渡区域和螺旋桨区域,并且随着频率的增加,声压级也越来越大,可以认为螺旋桨噪声是潜艇高频噪声的主要来源。

    图16所示为全速前进和减速前进这两个工况下部分频率的声压分布云图对比。由图中可以看出,对于潜艇减速前进工况,f=1 Hz的声辐射云图与全速前进工况下的云图分布类似,此时声压的峰值比全速前进工况下低了4 dB,且艉部螺旋桨区域的声压有明显降低,其他区域相对保持不变,可以认为螺旋桨旋转作用对低频噪声的贡献度占比更大;在f=401 Hz的声辐射云图中,声压的峰值要比全速前进时高出7.8 dB,二者的主要区别还是在艉部螺旋桨附近,在中频段螺旋桨对噪声的贡献度仍很大,这是由于潜艇进速与螺旋桨转速的不匹配导致螺旋桨表面压力变化梯度过大,这一点可以从图13所示螺旋桨表面压力分布云图可以看出;在f=1 000 Hz的声辐射云图中,与f=401 Hz时的声压分布相似,声压的峰值点仍出现在艉部螺旋桨区域,比全速前进时高出4 dB。

    图  16  全速前进和减速前进工况下部分频率声压分布云图
    Figure  16.  Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies under full speed ahead and easy ahead conditions

    图17所示为全速前进与故障停车工况下的声压分布云图对比。对于潜艇故障停车工况,分析不同频率下的声压分布云图和声压级,可以得到以下结果:在低频段的声压分布云图和声压级与潜艇全速前进和减速前进工况下的基本一致;随着频率的升高,不同工况下的声压分布云图开始出现明显不同,且声压级随着频率的升高,降幅越来越大。

    图  17  潜艇全速前进与故障停车时部分频率下的声压分布云图
    Figure  17.  Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies under full speed ahead and fault shutdown conditions

    由此可以认为,艇体−桨整体的低频段噪声主要是由潜艇外形变化引起的,与潜艇进速可能有关,与螺旋桨的转速关系不大,螺旋桨转速影响的是较高频率的声压级,频率越高,受螺旋桨旋转作用的影响越大,具体的噪声产生区域与潜艇外形有关。

    图18图19所示分别为潜艇故障停车和潜艇启动工况下3个监测点的声压曲线。图20所示为潜艇启动时峰值频率下的声压分布云图。对于潜艇启动工况,从3个监测点的声压曲线可以看出,由于没有受到潜艇进速的影响,在该工况下潜艇噪声主要由螺旋桨旋转作用产生的压力脉动所致,且在中心频率为400 Hz处存在明显的峰值,该频率下的声压级已经超过了潜艇前进状态下3种工况的情况。

    图  18  潜艇故障停车时3个监测点的声压曲线
    Figure  18.  Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points under fault shutdown condition
    图  19  潜艇启动时3个监测点的声压曲线
    Figure  19.  Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points during startup
    图  20  潜艇启动时峰值频率下的声压分布云图
    Figure  20.  Contours of sound pressure distribution around submarine at peak frequency during startup

    本文以SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨为研究对象,使用Fluent软件对艇体−桨整体系统的流场和表面压力进行分析,并导出相应的时域结果,通过LMS Virtual.Lab软件中的声学有限元模块对不同工况下艇体−桨整体的声辐射特性进行分析,得到如下结论:

    1) 潜艇外形会影响其表面压力分布和周围流场的速度分布,特别是艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域是潜艇表面压力脉动的重点区域,其压力变化与潜艇进速密切相关。

    2) 螺旋桨表面压力变化除了受潜艇伴流的影响外,还受到自身旋转作用的影响,特别是在潜艇进速与螺旋桨转速不匹配时,但与转速之间的关系还有待进一步研究和确定。

    3) 在低频段,艇体−桨整体螺旋桨噪声主要由潜艇的艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域产生,尤其以艏部方向舵区域的贡献度最大;在中高频段,螺旋桨区域也开始对艇体−桨整体噪声产生作用,艏部和指挥室围壳处对噪声的贡献度减少,甚至消失,并且各监测点处总的声压级随着频率的增加而逐渐升高。

    4) 在其他工况下,由于螺旋桨受到非均匀伴流的影响更大,对艇体−桨整体噪声的贡献度也更大;潜艇启动时,噪声全部由螺旋桨所贡献,存在明显的峰值,且声压级高出潜艇航行状态下的值,可以认为是螺旋桨自噪声性能的表现。

  • 图  1   SUBOFF潜艇三维模型

    Figure  1.   The three-dimensional SUBOFF model

    图  2   七叶大侧斜螺旋桨三维模型

    Figure  2.   The three-dimensional model of seven-blade highly skewed propeller

    图  3   流场计算域划分

    Figure  3.   Division of flow-field computational domain

    图  4   流场计算域网格划分

    Figure  4.   Mesh division of flow-field computational domain

    图  5   带桨潜艇艇后区域网格剖面

    Figure  5.   Tail mesh section of submarine with propeller

    图  6   潜艇模型外声学包络网格

    Figure  6.   Outer acoustic envelope mesh of submarine model

    图  7   场点网格和监测点位置

    Figure  7.   Field point mesh and arrangement of monitoring points

    图  8   全速前进潜艇表面压力分布云图

    Figure  8.   Contours of surface pressure distribution on submarine under full speed ahead condition

    图  9   非均匀伴流场中螺旋桨表面压力分布云图

    Figure  9.   Contours of pressure distribution on propeller blade surface in non-uniform wake field

    图  10   潜艇全速前进时外流场轴向速度分布云图

    Figure  10.   Contours of axial velocity distribution in outflow field of submarine under full speed ahead condition

    图  11   伴流状态下螺旋桨前的速度分布云图

    Figure  11.   Contours of velocity distribution in front of the propeller under wake state

    图  12   潜艇故障停车时外流场轴向速度分布

    Figure  12.   Contours of axial velocity distribution in the outflow field of submarine under fault shutdown condition

    图  13   全速前进、减速前进和故障停车工况下的螺旋桨叶片表面压力分布云图

    Figure  13.   Contours of pressure distribution on propeller blade surface under full speed ahead, easy ahead and fault shutdown conditions

    图  14   潜艇全速前进工况下3个监测点的声压曲线

    Figure  14.   Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points under full speed ahead condition

    图  15   部分频率下潜艇的声压分布云图

    Figure  15.   Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies

    图  16   全速前进和减速前进工况下部分频率声压分布云图

    Figure  16.   Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies under full speed ahead and easy ahead conditions

    图  17   潜艇全速前进与故障停车时部分频率下的声压分布云图

    Figure  17.   Contours of sound pressure distribution around submarine at partial frequencies under full speed ahead and fault shutdown conditions

    图  18   潜艇故障停车时3个监测点的声压曲线

    Figure  18.   Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points under fault shutdown condition

    图  19   潜艇启动时3个监测点的声压曲线

    Figure  19.   Curves of sound pressure around submarine at three monitoring points during startup

    图  20   潜艇启动时峰值频率下的声压分布云图

    Figure  20.   Contours of sound pressure distribution around submarine at peak frequency during startup

    表  1   SUBOFF潜艇主要参数

    Table  1   Main parameters of SUBOFF model

    参数数值
    艇长/m4.356
    艇体最大直径/m0.508
    指挥室围壳长/m0.368
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    表  2   七叶大侧斜螺旋桨主要参数

    Table  2   Main parameters of seven-blade highly skewed propeller

    参数数值
    叶数7
    盘面比0.701
    直径/m0.305
    侧斜角/(°)70.5
    毂径比0.2
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    表  3   不同工况下的潜艇运行参数

    Table  3   Parameters of submarine operation under different operating conditions

    工况潜艇进速/(m·s−1)螺旋桨转速n/(r·min−1)
    全速前进3.05515
    减速前进3.05200
    故障停车3.050
    潜艇启动0515
    下载: 导出CSV
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  • 期刊类型引用(1)

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    其他类型引用(1)

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-12
  • 修回日期:  2022-06-17
  • 网络出版日期:  2022-07-19
  • 刊出日期:  2023-08-27

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