搜索基于Sysnoise軟件的循環(huán)水槽聲場(chǎng)數(shù)值計(jì)算
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
本文運(yùn)用Sysnoise軟件中的邊界元方法對(duì)大型循環(huán)水槽中脈動(dòng)球源的聲輻射進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到水槽試驗(yàn)段的自由聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù),并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。然后,計(jì)算偶極子聲源在循環(huán)水槽試驗(yàn)段中的輻射,得到了偶極子聲源的水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù)。
陳奕宏 孫紅星 劉竹青 韓用波 來(lái)源:LMS
關(guān)鍵字:CAE LMS 循環(huán)水槽 聲場(chǎng) 數(shù)值計(jì)算
1 引言
中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的大型循環(huán)水槽是國(guó)內(nèi)開展船舶推進(jìn)器模型噪聲試驗(yàn)研究最為理想試驗(yàn)設(shè)施。就模型噪聲測(cè)量試驗(yàn)而言,其具有:低背景噪聲;可以開展整船模型帶推進(jìn)器的噪聲試驗(yàn),模擬伴流場(chǎng)更加接近于實(shí)艇真實(shí)流場(chǎng);建有專用的水聲測(cè)量艙;水聽器與推進(jìn)器更遠(yuǎn),有效測(cè)試頻率范圍更寬等優(yōu)勢(shì)。該試驗(yàn)設(shè)備自建成以后,已先后完成多型水面船舶和水下航行體的推進(jìn)器模型聲學(xué)試驗(yàn),為我國(guó)船舶推進(jìn)器噪聲研究作出了重要貢獻(xiàn)。
開展推進(jìn)器模型噪聲試驗(yàn)的主要目的是預(yù)報(bào)自由聲場(chǎng)條件下推進(jìn)器的聲源譜級(jí),而試驗(yàn)室的聲場(chǎng)卻不可能滿足自由場(chǎng)的條件。因此,需要研究循環(huán)水槽試驗(yàn)室聲場(chǎng)特性,進(jìn)而建立循環(huán)水槽試驗(yàn)室聲場(chǎng)與自由聲場(chǎng)之間的修正關(guān)系。早在1987年,國(guó)際拖曳水池大會(huì)(International Towing Tank Conference,ITTC)就對(duì)空泡水筒的自由聲場(chǎng)修正方法進(jìn)行了討論,并提出了自由場(chǎng)修正的試驗(yàn)方法。K.OHTA[2,3](1987年)則采用邊界元方法對(duì)日本船舶研究所(Ship Research Institute SRI)的空泡水筒進(jìn)行了聲場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明空泡水筒的聲場(chǎng)與自由聲場(chǎng)差異較大,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致。國(guó)外的空泡水筒和循環(huán)水槽均采用試驗(yàn)方法建立各自的自由場(chǎng)修正關(guān)系,但由于涉及軍事秘密未能公開其具體過(guò)程與修正數(shù)據(jù)。
本文將采用Sysnoise軟件中提供的邊界元方法對(duì)循環(huán)水槽試驗(yàn)段中的聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并與自由場(chǎng)中聲源的輻射場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,得到循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。本文計(jì)算分為兩個(gè)部分:首先根據(jù)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正的試驗(yàn)方法,計(jì)算脈動(dòng)球作為單極子聲源的水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正結(jié)果,并與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。然后,根據(jù)螺旋槳噪聲偶極子特性,計(jì)算偶極子聲源的水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正結(jié)果。
本文第二部分將介紹循環(huán)水槽試驗(yàn)段以及水聲測(cè)量艙的邊界元模型,第三部分中給出單極子聲源的水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正結(jié)果及與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較、偶極子聲源的水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正結(jié)果。
2 循環(huán)水槽試驗(yàn)段的計(jì)算模型
2.1 循環(huán)水槽試驗(yàn)段和水聲艙的模型
循環(huán)水槽試驗(yàn)段的尺寸為10.5m(長(zhǎng))×2.2m(寬)×2.0m(高)。試驗(yàn)段下方設(shè)有水聲測(cè)量艙,尺寸為9.5m(長(zhǎng))×2.2m(寬)×2.0m(高)。圖1、圖2分別為循環(huán)水槽試驗(yàn)段和水聲測(cè)量艙的照片。
圖1 大型循環(huán)水槽 圖2 循環(huán)水槽試驗(yàn)段下方的水聲艙
為了減少水流對(duì)噪聲測(cè)量的影響,水槽試驗(yàn)段和水聲艙采用有機(jī)玻璃進(jìn)行隔離。但有機(jī)玻璃的透聲性能較好,計(jì)算中忽略其對(duì)聲傳播的影響。為了減弱壁面反射對(duì)噪聲測(cè)量的影響,水聲艙的四壁布滿消聲尖劈。因此,水聲艙的計(jì)算模型尺寸取為:9.5m(長(zhǎng))×2.0m(寬)×2.0m(高)。圖3為水槽試驗(yàn)段和水聲艙的計(jì)算模型,網(wǎng)格尺寸為0.25m。
圖3 循環(huán)水槽試驗(yàn)段和水聲艙的計(jì)算模型
2.2 邊界條件
模型邊界條件是本文計(jì)算中的關(guān)鍵。循環(huán)水槽中聲源輻射場(chǎng)計(jì)算時(shí),試驗(yàn)段的四壁作為剛性邊界處理。水聲艙的四壁布有消聲尖劈,因此其邊界則作為消聲邊界處理?？紤]到試驗(yàn)段前后方分別為水槽的收縮段和擴(kuò)散段,因此試驗(yàn)段的兩個(gè)端面作為阻抗邊界處理,其聲阻抗為:
zn=ρ0c0
其中,ρ0、c0分別為水的密度和聲速。
自由聲場(chǎng)中聲源輻射場(chǎng)計(jì)算時(shí),所有壁面均作消聲邊界處理,也即壁面無(wú)聲反射。
3 計(jì)算結(jié)果與分析
3.1 循環(huán)水槽中單極子球聲源輻射聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果
首先參照循環(huán)水槽試驗(yàn)段自由聲場(chǎng)修正的試驗(yàn)方法,計(jì)算了脈動(dòng)球源作為單極子聲源的自由聲場(chǎng)和水槽試驗(yàn)段中的聲輻射。然后,對(duì)比自由場(chǎng)和水槽試驗(yàn)段中聲輻射計(jì)算結(jié)果,得到單極子聲源循環(huán)水槽試驗(yàn)段的聲場(chǎng)修正量。計(jì)算時(shí),脈動(dòng)球源設(shè)置于試驗(yàn)段橫截面的中心位置(距入口6.75m處),接收點(diǎn)取為水聲艙內(nèi)脈動(dòng)球正下方1.25m處。
圖4和圖5是自由聲場(chǎng)和水槽試驗(yàn)段中脈動(dòng)球源的聲輻射分布圖。
圖4 自由聲場(chǎng)中球聲源輻射 圖5 水槽試驗(yàn)段中球聲源輻射
為了驗(yàn)證計(jì)算的可靠性,本文開展了循環(huán)水槽試驗(yàn)段自由聲場(chǎng)修正試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用直徑為40mm的小球作為聲源,B&K8105水聽器作為接收水聽器,試驗(yàn)中采用1/3Oct分析儀處理噪聲測(cè)量結(jié)果。自由場(chǎng)中脈動(dòng)球聲輻射測(cè)量試驗(yàn)在消聲水池中進(jìn)行。循環(huán)水槽中球源輻射噪聲測(cè)量時(shí),接收水聽器位于水聲艙內(nèi)聲源正下方1.25m處。最后,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比,得到循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正量。圖6是循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正量的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較。從圖中可知,在315Hz~415Hz范圍內(nèi)邊界元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別在2dB以內(nèi),吻合較好。
圖6 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較
3.2 循環(huán)水槽中偶極子聲源輻射聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果
眾所周知,螺旋槳噪聲有十分明顯的偶極子聲源特性。為了考察偶極子聲源對(duì)循環(huán)水槽自由場(chǎng)修正的影響,本文分別計(jì)算了自由聲場(chǎng)和循環(huán)水槽試驗(yàn)段中偶極子聲源的輻射噪聲,得出偶極子聲源循環(huán)水槽試驗(yàn)段的聲場(chǎng)修正量。偶極子聲源的位置與球聲源位置相同,接收點(diǎn)的位置也相同。偶極子聲源強(qiáng)度定義為:(D=10i+0j+10k)
圖7 自由聲場(chǎng)中偶極子聲源輻射 圖8 水槽試驗(yàn)段中偶極子聲源輻射
圖9 偶極子聲源結(jié)果與單極子聲源結(jié)果比較
圖7和圖8是自由聲場(chǎng)和水槽試驗(yàn)段中偶極子聲源的聲輻射分布圖。圖9是偶極子和單極子聲源計(jì)算的循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正結(jié)果比較。從圖中可知,在315Hz~415Hz范圍內(nèi)偶極子和單極子聲源循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù)隨頻率變化的趨勢(shì)一致,兩者在各個(gè)頻率點(diǎn)上的修正數(shù)據(jù)存在差異。
4 結(jié)論
本文采用Sysnoise軟件中提供的邊界元方法分別對(duì)自由聲場(chǎng)和循環(huán)水槽試驗(yàn)段中脈動(dòng)球聲源的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并得到了單極子的循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明:數(shù)值計(jì)算得到的循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。然后,本文對(duì)自由聲場(chǎng)和循環(huán)水槽試驗(yàn)段中偶極子聲源的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到了偶極子聲源的循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明:不同的聲源在循環(huán)水槽試驗(yàn)段內(nèi)的輻射聲場(chǎng)不同,得到的循環(huán)水槽試驗(yàn)段聲場(chǎng)修正關(guān)系也不同。
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