Page 165 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 曾赛等： 水下对转螺旋桨流致辐射噪声机理与预报方法 485

化噪声，国内学者王顺杰等 [51] 尝试使用声类比理 声形成机制的研究，如电解泡、火花泡、激光泡以及
论建立水下对转螺旋桨的空化噪声模型，基本的考 声全息照相技术等 [62−67] 。
虑是将 Goldstein 方程右边的四极子和偶极子源项
忽略，将空泡简化为单极子模型，通过求解简化的 1.4 水下对转桨流致噪声预报方法
Goldstein 方程给出对转螺旋桨空化噪声解。分析 1.1∼1.3 节综述了水下对转螺旋桨流致辐射噪
表明，在空化状态下，线谱幅度与宽带噪声幅度差别 声预报的进展，无论是湍流噪声、旋转噪声还是空化
减小，空化噪声整体噪声级提升。曾赛等 [61] 通过空 噪声，建立流致辐射声源项是关键，声源的提取与计
泡水筒试验测量了对转螺旋桨的空化噪声，并观察 算主要有 3 种方法，即声类比理论 [68] 、Kirchhoff 理
了空泡形成的过程。许多新的手段也被用于空泡噪 论 [69] 和涡声理论 [70] 。3种方法的比较如表2所示。

表 2 声类比理论、Kirchhoff 理论和涡声理论比较
Table 2 Comparison of acoustic analogy, Kirchhoff method and vortices-induced noise theory

声类比理论 Kirchhoff 理论 涡声理论
源于惠更斯理论，可以预报任意 声波的产生与流体中涡、势流以
属于非直接法，噪声源先验假定，
声源产生的声场，无需先验假定， 及涡之间的相互作用有关，声能
理论特征 即将流场区划分为声源区和声波
但需要将控制面分为近场声源区 量的形成与转化是通过这类非线
动区分别进行模拟 [71]
和远场声波动区 [74] 性相互作用完成 [70−81]
源场与声场 流场计算提供等效声源，源于声 源项与声场区域分离，仅在边界 源项与声场重合，在全流域模拟
的耦合方式 分离，源项不包含声脉动 [72] 处重合 流场
方法简洁，源项的形式直接，物理 精确的流场会给出精确的声场；
精确的流场会给出精确的声场；
优点 意义明确，源项可以找到对应表 给出了声辐射与散射的原因，对
工程应用广泛 [75−77]
述；工程应用广泛 [73] 源域的计算精度要求不高
需要声源的先验知识，无法预测 三维计算的正确性有待验证；工
缺点 对流场模拟的精度要求过高
声源的产生，忽略声脉动影响 程应用价值有待挖掘

(3) 计算噪声的带宽选择。非定常流场模拟的
2 水下对转桨流致噪声数值预报方法
步长决定了声场频率的分辨率，如果需要计算宽带

2.1 对转桨流致噪声数值预报的难点 噪声，则需要足够小的时间步长，这对于数值模拟资
数值计算方法是对水下对转螺旋桨流致辐射 源形成巨大的挑战。
噪声进行预报的重要方法，得益于计算机计算能力 (4) 声场与流场的传输特性差异 [83] 。流场中的
的飞速发展，对流场进行大规模数值模拟成为可能， 声辐射传播具有各向同性，无色散、无耗散，而流场
这就为声源项的提取提供了有力的方法。考虑到流 中的涡传播则是高色散、高耗散的，且数值模拟的
场与声场的量级差别，对转螺旋桨流致噪声的数值 流场也是色散的，这样就无法保证声场计算的精度，
预报面临着许多难点 [82] ，主要表现在： 需要专门的色散保持方法解决该问题。
(1) 非线性效应影响。对转螺旋桨的流致辐射 (5) 边界条件的选择 [84] 。数值计算的有限区域
噪声是非线性、非稳态的过程，依赖于N-S方程的流 与流致发声的无边界区域存在矛盾，通常需要在人
场预报通常是非线性的，而声传播的过程则无需考 工区域的边界上赋予边界条件，但边界条件导致的
虑非线性，如何将这种线性与非线性问题统一进行 虚假数值反射误差与声场能量处于同一量级，使得
考虑是需要解决的难点。 数值预报的声场缺乏精度，因此通常需要采用无反
(2) 流动能量与声能量之间的量级差别巨大。 射边界条件。
通常流体动能远远大于的声能量，导致声场的幅度 事实上，上述数值计算困难是气动声学与流体
远小于湍流脉动的幅度，在数值计算值中要保证声 声学共同面临的难点 [85] ，水下对转螺旋桨流致噪声
场的计算精度则需要数值误差小于声场幅度，这对 的数值模拟方法完全可以借鉴气动声学领域成功
于计算资源形成了巨大的挑战。 的经验。