研究背景及內容

螺旋槳是船舶的主要推進器之一，具有良好的水動力性能、較高的推進效率和簡單的結構等特點。然而，在船舶設計和運行中，螺旋槳的噪聲問題一直是一個重要且復雜的挑戰。

本研究使用仿真手段對旋轉槳的非空化噪聲進行研究。研究分為流體動力學仿真計算和聲學仿真計算，流體計算以縮比的DMPT P4119標準槳為研究對象。在穩態計算中，采用SST 湍流模型。瞬態計算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計算不同工況下螺旋槳的水動力性能。所得流場結果與文獻中的試驗數據誤差在5%以內。聲學計算采用聲學商業軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計算螺旋槳在進速系數J=0.833時的非空化噪聲，所得聲場結果與文獻中的試驗數據誤差在10dB以內。

Research Methods

研究方法

01

槳葉模型

根據獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數為3。完成標準尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準點，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

流體動力學模型

如圖1所示在螺旋槳周圍創建三個流體域，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為旋轉域，包裹住螺旋槳。中間流體域（Mid region）為靜止域專為Actran計算時數據提取。采用速度進口邊界（velocity inlet）模擬流體的流動，流體流動方向垂直于進口表面。螺旋槳表面被設定為無滑移邊界（wall），而計算域的外圓柱面被設定為對稱邊界（symmetry）。流體出口被設定為壓力出口邊界（pressure outlet），不同區域之間的交界面設定為Interface邊界，如下圖2示。初始壓力被設定為表壓。

圖1 縮比P4119螺旋槳計算域劃分

圖2 流場計算域的邊界及交界面設定

03

聲學模型設置

聲場幾何模型與流場中間域(Mid Region)的模型一致，聲學幾何模型及網格劃分如圖3所示。聲學邊界條件及場點布置如圖4所示。由于聲學幾何模型與流場的中間流域形狀尺寸一致，所以將與流場內部交界面對應的面設置為面聲源邊界，與流場輸出的域相對應的體設置為體聲源邊界，將體聲源外部包裹體作為聲傳播域，將最外側的面設置為無限元邊界，插值階次設置為7階。場點設置在螺旋槳軸向尾部550mm，徑向225mm的位置與文獻中的試驗驗測點一致。

圖3 聲學幾何模型及聲學網格劃分

圖4 聲學邊界條件及場點布置位置

研究結論

面聲源對應于流場的內交界面，體聲源對應于流場的中間流域，通過ICFD變換得到面聲源和體聲源的聲源信息，仿真計算結果與試驗的對比如圖4所示。

圖4 均勻來流下仿真結果以及和試驗結果對比

圖4可知場點的試驗和仿真的計算結果吻合性良好，說明該仿真方法的準確性。計算結果顯示在低頻時，體聲源所產生的噪聲占據主要地位，比面聲源聲壓級大10dB左右。隨著頻率的增大，在2BPF(79.6Hz)后，面聲源的聲壓級開始大于體聲源，并隨后一直處于主導地位。下圖5是不同聲源項作用在不同葉頻下的縱向聲壓云圖。可以發現隨著距離的增加聲壓級逐漸降低。隨著頻率的增大，聲壓級逐漸降低。在1BPF(39.6Hz)時，面聲源的云圖分布特點呈現8字形，且相比于面聲源來說，體聲源對噪聲的貢獻更大，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。當頻率在25BPF(990Hz)時，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,且聲壓云圖已經從聲源向空間各個方向發散。綜上所述，在低頻時，噪聲主要來自體聲源項的貢獻，隨著頻率的增大，噪聲主要來自面聲源項的貢獻。

該結果表明，使用Actran與流體結果的混合方法能夠準確預測螺旋槳的非空化噪聲。

圖5 不同頻率下螺旋槳縱向剖面的聲壓云圖

注：此內容來自海克斯康工業軟件2023年用戶峰會投稿論文：《均勻來流下螺旋槳的非空化噪聲預報》，作者：徐龍龍、葉栗栗、王獻忠，武漢理工大學。