搜索基于Sysnoise軟件的循環水槽聲場數值計算
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文運用Sysnoise軟件中的邊界元方法對大型循環水槽中脈動球源的聲輻射進行了數值計算,得到水槽試驗段的自由聲場修正數據,并與試驗測試結果進行了比較。然后,計算偶極子聲源在循環水槽試驗段中的輻射,得到了偶極子聲源的水槽試驗段聲場修正數據。
陳奕宏 孫紅星 劉竹青 韓用波 來源:LMS
關鍵字:CAE LMS 循環水槽 聲場 數值計算
1 引言
中國船舶科學研究中心的大型循環水槽是國內開展船舶推進器模型噪聲試驗研究最為理想試驗設施。就模型噪聲測量試驗而言,其具有:低背景噪聲;可以開展整船模型帶推進器的噪聲試驗,模擬伴流場更加接近于實艇真實流場;建有專用的水聲測量艙;水聽器與推進器更遠,有效測試頻率范圍更寬等優勢。該試驗設備自建成以后,已先后完成多型水面船舶和水下航行體的推進器模型聲學試驗,為我國船舶推進器噪聲研究作出了重要貢獻。
開展推進器模型噪聲試驗的主要目的是預報自由聲場條件下推進器的聲源譜級,而試驗室的聲場卻不可能滿足自由場的條件。因此,需要研究循環水槽試驗室聲場特性,進而建立循環水槽試驗室聲場與自由聲場之間的修正關系。早在1987年,國際拖曳水池大會(International Towing Tank Conference,ITTC)就對空泡水筒的自由聲場修正方法進行了討論,并提出了自由場修正的試驗方法。K.OHTA[2,3](1987年)則采用邊界元方法對日本船舶研究所(Ship Research Institute SRI)的空泡水筒進行了聲場數值計算,計算結果表明空泡水筒的聲場與自由聲場差異較大,數值計算的結果與試驗測量結果趨勢一致。國外的空泡水筒和循環水槽均采用試驗方法建立各自的自由場修正關系,但由于涉及軍事秘密未能公開其具體過程與修正數據。
本文將采用Sysnoise軟件中提供的邊界元方法對循環水槽試驗段中的聲場進行數值計算,并與自由場中聲源的輻射場進行對比,得到循環水槽試驗段聲場修正量的數值計算結果。本文計算分為兩個部分:首先根據水槽試驗段聲場修正的試驗方法,計算脈動球作為單極子聲源的水槽試驗段聲場修正結果,并與試驗測量結果進行比較。然后,根據螺旋槳噪聲偶極子特性,計算偶極子聲源的水槽試驗段聲場修正結果。
本文第二部分將介紹循環水槽試驗段以及水聲測量艙的邊界元模型,第三部分中給出單極子聲源的水槽試驗段聲場修正結果及與試驗測量結果的比較、偶極子聲源的水槽試驗段聲場修正結果。
2 循環水槽試驗段的計算模型
2.1 循環水槽試驗段和水聲艙的模型
循環水槽試驗段的尺寸為10.5m(長)×2.2m(寬)×2.0m(高)。試驗段下方設有水聲測量艙,尺寸為9.5m(長)×2.2m(寬)×2.0m(高)。圖1、圖2分別為循環水槽試驗段和水聲測量艙的照片。
圖1 大型循環水槽 圖2 循環水槽試驗段下方的水聲艙
為了減少水流對噪聲測量的影響,水槽試驗段和水聲艙采用有機玻璃進行隔離。但有機玻璃的透聲性能較好,計算中忽略其對聲傳播的影響。為了減弱壁面反射對噪聲測量的影響,水聲艙的四壁布滿消聲尖劈。因此,水聲艙的計算模型尺寸取為:9.5m(長)×2.0m(寬)×2.0m(高)。圖3為水槽試驗段和水聲艙的計算模型,網格尺寸為0.25m。
圖3 循環水槽試驗段和水聲艙的計算模型
2.2 邊界條件
模型邊界條件是本文計算中的關鍵。循環水槽中聲源輻射場計算時,試驗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。考慮到試驗段前后方分別為水槽的收縮段和擴散段,因此試驗段的兩個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。
自由聲場中聲源輻射場計算時,所有壁面均作消聲邊界處理,也即壁面無聲反射。
3 計算結果與分析
3.1 循環水槽中單極子球聲源輻射聲場計算結果
首先參照循環水槽試驗段自由聲場修正的試驗方法,計算了脈動球源作為單極子聲源的自由聲場和水槽試驗段中的聲輻射。然后,對比自由場和水槽試驗段中聲輻射計算結果,得到單極子聲源循環水槽試驗段的聲場修正量。計算時,脈動球源設置于試驗段橫截面的中心位置(距入口6.75m處),接收點取為水聲艙內脈動球正下方1.25m處。
圖4和圖5是自由聲場和水槽試驗段中脈動球源的聲輻射分布圖。
圖4 自由聲場中球聲源輻射 圖5 水槽試驗段中球聲源輻射
為了驗證計算的可靠性,本文開展了循環水槽試驗段自由聲場修正試驗。試驗中采用直徑為40mm的小球作為聲源,B&K8105水聽器作為接收水聽器,試驗中采用1/3Oct分析儀處理噪聲測量結果。自由場中脈動球聲輻射測量試驗在消聲水池中進行。循環水槽中球源輻射噪聲測量時,接收水聽器位于水聲艙內聲源正下方1.25m處。最后,根據試驗測量結果對比,得到循環水槽試驗段聲場修正量。圖6是循環水槽試驗段聲場修正量的計算結果與試驗結果比較。從圖中可知,在315Hz~415Hz范圍內邊界元計算結果與試驗結果差別在2dB以內,吻合較好。
圖6 計算結果與試驗結果比較
3.2 循環水槽中偶極子聲源輻射聲場計算結果
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循環水槽自由場修正的影響,本文分別計算了自由聲場和循環水槽試驗段中偶極子聲源的輻射噪聲,得出偶極子聲源循環水槽試驗段的聲場修正量。偶極子聲源的位置與球聲源位置相同,接收點的位置也相同。偶極子聲源強度定義為:(D=10i+0j+10k)
圖7 自由聲場中偶極子聲源輻射 圖8 水槽試驗段中偶極子聲源輻射
圖9 偶極子聲源結果與單極子聲源結果比較
圖7和圖8是自由聲場和水槽試驗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算的循環水槽試驗段聲場修正結果比較。從圖中可知,在315Hz~415Hz范圍內偶極子和單極子聲源循環水槽試驗段聲場修正數據隨頻率變化的趨勢一致,兩者在各個頻率點上的修正數據存在差異。
4 結論
本文采用Sysnoise軟件中提供的邊界元方法分別對自由聲場和循環水槽試驗段中脈動球聲源的輻射聲場進行數值計算,并得到了單極子的循環水槽試驗段聲場修正數據。計算結果表明:數值計算得到的循環水槽試驗段聲場修正數據與試驗結果吻合較好。然后,本文對自由聲場和循環水槽試驗段中偶極子聲源的輻射聲場進行數值計算,得到了偶極子聲源的循環水槽試驗段聲場修正數據。計算結果表明:不同的聲源在循環水槽試驗段內的輻射聲場不同,得到的循環水槽試驗段聲場修正關系也不同。
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