Page 166 - 《应用声学》2020年第3期
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2.2 直接数值预报方法 由于水下对转螺旋桨工作的介质为低马赫不
所谓直接数值预报方法(Direct numerical sim- 可压缩流体，流体的惯性特征占据主要位置，可以
ulation, DNS) 是指利用 N-S 方程直接求解水下对 忽略流场对声场的影响，近场流场的计算可以采
转螺旋桨的流场与声场。直接预报方法的突出优点 用不可压缩流场控制方程预报，因此特别适合声类
是其不受流动状态以及声源属性的限制，能够直接 比理论进行流致辐射声场的预报 [94] 。事实上，国
给出流致噪声的产生与传播特性，特别适合模拟宽 内很多学者利用声类比理论间接数值预报方法对
频段的流致辐射噪声。但需要注意的是直接数值模 水下对转螺旋的流致辐射噪声进行了预报，代表性
拟需要考虑流场的所有湍流尺度，而声场与流场的 的工作来自于朱锡清等 [19,46−47] ，其利用升力面理
论预报了流场中对转螺旋桨的脉动压力，以此作为
能级差别巨大，如何从流场中提取出声场脉动是一
声源项给出了水下对转螺旋桨的远场声辐射特性，
个巨大的挑战。直接数值模拟方法在低马赫数时难
并通过试验验证了数值计算结果。王顺杰等 [51] 则
以给出远场声辐射计算结果，计算资源受到极大的
利用 CFD 方法模拟了流场中的脉动压力，并通过
制约。事实上，直接数值模拟只在气动声学这一类
FW-H 方程计算了对转螺旋桨的近场辐射噪声。曾
高马赫数工况下取得了成功 [86−88] 。可以设想，采
赛等 [45] 则利用耦合数值方法预报了水下对转螺旋
用直接数值模拟方法求解水下对转螺旋桨这一类
桨的无空化线谱辐射噪声。常欣等 [95] 亦利用耦合
低马赫数旋转机械的流致噪声会面临巨大的困难。
数值方法分析了对转螺旋桨几何参数对于无空化
为了避免直接数值模拟的困难，工程中一个折
辐射噪声的影响。王顺杰等 [96] 研究了片空化对于
衷的办法是采用大涡模拟方法(Large eddy simula-
对转螺旋桨空化噪声的影响。此外，国内外学者基
tion, LES) 对流致噪声进行数值求解，该方法较好
于间接数值预报方法各种旋翼以及水下航行体流
地平衡了计算成本与收益 [89] 。但需要注意采用低
致噪声进行了研究 [97−103] ，为实际的工程问题解决
色散、低耗散、高精度的数值格式和低耗散、高精度
提供了参考。
的亚格子模型，还需要确保所画网格分辨率能够分
辨所有频率的辐射声波 [90−91] 。 3 结论
综上所述，采用直接数值预报方法模拟水下对
转螺旋桨流致辐射噪声的一般过程可以概述为：首 水下对转螺旋桨广泛用于各种水下与水面航
先使用直接数值模拟或大涡模拟方法求解对转螺 行体，水下对转螺旋桨流致噪声产生机制以及预报
旋桨近场流场，然后在远场划分一定精度的网格，在 方法的研究对于水下/水面目标的特性分析以及探
近场与远场的边界上给出无反射边界条件，使用简 测识别具有重要的意义。本文对水下对转螺旋的流
化的线性控制方程求解远场辐射声场。一般而言， 致辐射噪声产生机制以及预报方法进行了综述。水
只要流场计算得足够精确，那么远场声辐射的计算 下对转螺旋桨的流致辐射噪声本质属于水动力噪
结果便是可信的。 声，可以借鉴气动噪声的研究方法，但需要注意介
质属性的不同会导致水动力噪声与气动噪声的研
2.3 间接数值预报方法
究侧重点不同。声类比理论、Kirchhoff 理论和涡声
所谓间接数值模拟方法，是指将流场与声场 理论能够较好地解释水下对转螺旋桨的流致辐射
的计算分开，忽略流场与声场的耦合性，先进行流 噪声的形成机制。数值模拟是进行水下对转螺旋桨
场的模拟，然后进行声场的模拟。声类比理论和 流致辐射噪声预报的有效方法，但直接数值模拟会
Kirchhoff 理论为间接数值预报方法奠定了理论基 存在计算效率与成本不匹配的缺点，基于声类比理
础。按照声类比理论的观点，只需要在流场中找到 论的间接数值模拟方法是工程预报水下对转螺旋
声源项便可以进行辐射噪声的模拟，声源项是先验 桨流致辐射噪声的可行方法，但需要注意流场模拟
的，只需要精确地模拟流场，提取出声源项便可以使 的精度直接影响辐射声场的模拟。尽管如此，水下
用古典波动声学预报流致辐射声场 [92−93] 。从这个 对转螺旋桨流致辐射噪声的预报仍然面临许多问
角度而言，间接数值预报方法具有重要的工程应用 题，如发声机制有待进一步深入研究、数值计算精度
价值。 有待提高、计算效率有待提高、噪声源项对于整体
