MSC:基于Actran的螺旋桨非空化噪声仿真研究

研究背景与内容

螺旋桨是船舶的主要推进器之一，具有良好的水动力性能、较高的推进效率和简单的结构等特点。然而，在船舶设计和运行中，螺旋桨的噪声问题一直是一个重要且复杂的挑战。

本研究使用仿真手段对旋转桨的非空化噪声进行研究。研究分为流体动力学仿真计算和声学仿真计算，流体计算以缩比的DMPT P4119标准桨为研究对象。在稳态计算中，采用SST 湍流模型。瞬态计算采用大涡模拟(LES)湍流模型，计算不同工况下螺旋桨的水动力性能。所得流场结果与文献中的试验数据误差在5%以内。声学计算采用声学商业软件ACTRAN中的Lighthill声类比方法计算螺旋桨在进速系数J=0.833时的非空化噪声，所得声场结果与文献中的试验数据误差在10dB以内。

研究方法

01桨叶模型

根据获得的DTMB P4119螺旋桨的型值表，进行几何建模。螺旋桨直径为0.3048米，叶片数为3。完成标准尺寸的螺旋桨建模后，以螺旋桨中心为基准点，按比例缩小，缩放因子为0.657894。缩放后的直径为D=0.2米。缩小比例的螺旋桨的主要特征如表1所示。

02流体动力学模型

如图1所示在螺旋桨周围创建三个流体域，即螺旋桨周围均匀包裹小流体域，中间流体域及最外层流体域。螺旋桨周围均匀包裹小流体域为旋转域，包裹住螺旋桨。中间流体域（Mid region）为静止域专为Actran计算时数据提取。采用速度进口边界（velocity inlet）模拟流体的流动，流体流动方向垂直于进口表面。螺旋桨表面被设定为无滑移边界（wall），而计算域的外圆柱面被设定为对称边界（symmetry）。流体出口被设定为压力出口边界（pressure outlet），不同区域之间的交界面设定为Interface边界，如下图2示。初始压力被设定为表压。

图1 缩比P4119螺旋桨计算域划分

图2 流场计算域的边界及交界面设定

03声学模型设置

声场几何模型与流场中间域(Mid Region)的模型一致，声学几何模型及网格划分如图3所示。声学边界条件及场点布置如图4所示。由于声学几何模型与流场的中间流域形状尺寸一致，所以将与流场内部交界面对应的面设置为面声源边界，与流场输出的域相对应的体设置为体声源边界，将体声源外部包裹体作为声传播域，将最外侧的面设置为无限元边界，插值阶次设置为7阶。场点设置在螺旋桨轴向尾部550mm，径向225mm的位置与文献中的试验验测点一致。

图3 声学几何模型及声学网格划分

图4 声学边界条件及场点布置位置

研究结论

面声源对应于流场的内交界面，体声源对应于流场的中间流域，通过ICFD变换得到面声源和体声源的声源信息，仿真计算结果与试验的对比如图5所示。

图5 均匀来流下仿真结果以及和试验结果对比

图5可知场点的试验和仿真的计算结果吻合性良好，说明该仿真方法的准确性。计算结果显示在低频时，体声源所产生的噪声占据主要地位，比面声源声压级大10dB左右。随着频率的增大，在2BPF(79.6Hz)后，面声源的声压级开始大于体声源，并随后一直处于主导地位。下图6是不同声源项作用在不同叶频下的纵向声压云图。可以发现随着距离的增加声压级逐渐降低。随着频率的增大，声压级逐渐降低。在1BPF(39.6Hz)时，面声源的云图分布特点呈现8字形，且相比于面声源来说，体声源对噪声的贡献更大，面声源和体声源共同作用声压云图也和仅体声源作用的云图更接近。当频率在25BPF(990Hz)时，面声源和体声源共同作用声压云图和仅面声源作用的云图几乎没有差别,且声压云图已经从声源向空间各个方向发散。综上所述，在低频时，噪声主要来自体声源项的贡献，随着频率的增大，噪声主要来自面声源项的贡献。

该结果表明，使用Actran与流体结果的混合方法能够准确预测螺旋桨的非空化噪声。

图6 不同频率下螺旋桨纵向剖面的声压云图

注：此内容来自海克斯康工业软件2023年用户峰会投稿论文：《均匀来流下螺旋桨的非空化噪声预报》，作者：徐龙龙、叶栗栗、王献忠，武汉理工大学。