邮轮开敞区域典型杆件风致噪声特性数值研究

引用格式：姚志强,吴卫国,林永水.邮轮开敞区域典型杆件风致噪声特性数值研究[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(2): 45–52. YAO Z Q, WU W G, LIN Y S. Numerical study on wind-induced noise characteristics of typical rods in open area of cruise ship[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(2): 45–52 (in Chinese).姚志强1，吴卫国*2，林永水1

1武汉理工大学理学院，湖北武汉 430070

2武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，湖北武汉 430063

摘 要:［目的］旨在研究邮轮开敞区域典型杆件产生的风致噪声。［方法］基于计算流体动力学（CFD）联合声

类比法、声振耦合法开展气动噪声与风致振动噪声的数值模拟，探究上述两种噪声产生机理及特性。［结果］结果显示，在不同风速下，圆杆、方杆、椭圆杆的气动噪声最大值频率由脱涡频率主导，风致振动噪声最大值频率由结构固有频率主导。3种不同截面形状杆件产生的气动噪声总体上大于风致振动噪声，且方杆的气动噪

声最大。当杆件脉动压力频率接近固有频率时，在大柔度下风致振动噪声会接近甚至超过气动噪声。［结论］设计邮轮开敞区域典型杆件时应选择圆形杆件而避免使用方形杆件，且合理选择杆件尺寸，尽量避免杆件脱涡频率与固有频率接近，以此降低风致噪声。关键词：典型杆件；气动噪声；风致振动噪声；声类比法；声振耦合

中图分类号: U661.1；U661.44 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.02968

Numerical study on wind-induced noise characteristics of typical rods in open arena odf cruise ship

YAO Zhiqiang1, WU Weiguo*2, LIN Yongshui1

1 School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

2 Green & Smart River-Sea-Going Ship Cruise and Yacht Research Center , Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

Abstract: ［Objective］This paper aims to study the wind-induced noise of typical rods in the open areas of cruise ships. ［Methods］The numerical simulation of aerodynamic noise and wind-induced vibration noise is carried out using computational fluid dynamics (CFD) combined with the acoustic analogy method and vibro-acoustic coupling method in order to explore the generation mechanisms and characteristics of the two kinds of noise. ［ Results］ Under different wind speeds, the maximum frequency of aerodynamic noise is dominated by the vortex shedding frequency, while the maximum frequency of wind-induced vibration noise is dominated by the natural frequency of the structure. The aerodynamic noise of three different cross-section rods is generally greater than that of wind-induced vibration noise, and the aerodynamic noise of square rods is the greatest. Under large flexibility, when the fluctuating pressure frequency of the rod is close to the natural frequency, the wind-induced vibration noise will be close to or even exceed the aerodynamic noise. ［ Conclusions］In the design of typical rods to be applied in the open areas of cruise ships, in order to reduce wind-induced noise, circular rods should be selected, square rods should be avoided, reasonable rod sizes should be selected and the vortex shedding frequency of the rods should not be close to the natural frequency. Key words: typical rods；aerodynamic noise；wind-induced vibration noise；acoustic analogy method；vibroacoustic coupling

收稿日期: 2022–06–20 修回日期: 2022–10–29 网络首发时间: 2023–12–12 10:32

作者简介:姚志强 ，男，1998年生，硕士生。研究方向：船舶与海洋工程结构安全性与可靠性。E-mail：yzqylsf@163.com吴卫国 ，男，1960年生，硕士，教授，博士生导师。研究方向： 船舶与海洋工程结构安全性与可靠性。

E-mail：mailjt@163.com

林永水， 男，1983年生，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：船舶结构振动与噪声预报及控制。

E-mail：peakspylin@163.com。

*通信作者:吴卫国

0 引 言

邮轮是航行于大洋之间具有固定航线、固定航班的大型客船[1]。邮轮上层建筑最顶层露天活动场所为邮轮开敞区域，邮轮作为一种上层建筑巨大的船舶，其稳定性和重心要求极为严格[2]，开敞区域使用了许多细长杆件和由细长杆件组成的轻型结构，以此来减轻重量、降低重心[3]。邮轮不仅是旅游运输工具，也是休闲娱乐场所，故邮轮开敞区域对噪声舒适性要求比一般商用船舶乃至普通客船的更严格[4]。各大船级社规范中对邮轮不同区域的噪声限值的规定也极为严格[5]。邮轮开敞区域为了追求与众不同、别具一格的感觉效果，会使用不同形状的杆件，这些轻型杆件在风速下会产生绕流，发生流动分离及旋涡脱落和破碎现象[6]，在结构表面及附近产生脉动压力场，诱发气动噪声[7]。上述情况下产生的壁面压力为低频脉动压力，当频率达到杆件固有频率时，会引起结构共振，诱发较强的风致振动噪声[8]。鉴此，需要研究杆件的气动噪声与风致振动噪声产生的机理，为此类噪声的控制提供指导。声。李玲等[9]通过对亚临界雷诺数下圆柱绕流气动噪声的实验研究，发现圆柱表面交替脱落产生的非定常脉动压力是噪声产生的主要原因，属于典型的偶极子噪声源辐射特性。这里，声指向性主要集中在垂直来流方向，主频率分量为涡脱落频率。Moreauh 和 Doolan[10] 对有限长悬臂式圆柱气动噪声进行了风洞试验，发现此类圆柱产生的气动噪声声压级（ SPL）频谱曲线存在 3个峰值（即主峰、次主峰和次峰）。其中，主峰是由跨中规律的卡门涡脱落所引起的，随长径比的减小而减小；次主峰是由圆柱底部边界层导致较低的脱涡频率所引起的，不随长径比的变化而变化；次峰是由顶部次流动减弱旋涡脱落所引起的，也不随长径比的变化而变化。目前，对于风致振动噪声的研究鲜见报道，研究较多的是杆件流致振[11]动。林凌霄等 数值模拟了质量比为7的单自由度二维圆柱流致振动，发现单圆柱流致振动的锁定区间为 4.8

1 基本理论1.1 流场理论

在对气动噪声和风致振动噪声进行研究时， 3大方程包括连续方程、动量方程和能量方程。若不考虑流场中的温度分布，则不需要引入能量方程。对于不可压缩牛顿流体，湍流的控制方程包括连续方程和 N−S方程，其数学表达式分别为：式中： ρ表示流体密度；t表示时间；p表示流体微元体上的压力； v表示流体的运动黏性系数； ui， u 表示速度在 x， y， z方向上的分量； xi ， x 表示 x， j j y，z 方向上的坐标； fi表示在 x，y， z方向上微元体的体积力向量。风致噪声主要是由杆件尾流区域旋涡脱落引起的。为了衡量杆件旋涡脱落频率，一般通过无量纲参数斯特劳哈尔数St来表示，其定义为式中：f为旋涡脱落频率；D为特征长度；u为风速。1.2 气动噪声理论对于气动噪声的求解，多数研究学者采用混合 CA（ computational aeroacoustics）方法。1953 年，

Lighthill 基于 N−S方程，不经任何简化和假设，将声场待解项和声源项分开，推导出了著名的Lighthill声学波动方程，如式（4）所示。式中： c为声速； ∇2为拉普拉斯算子； p为远场噪声的压力脉动； T 为 Lighthill 湍流应力张量。ij因 Lighthill 声学波动方程比经典的声学方程复杂得多，难以求解。但经过研究学者们不断改进 ， Ffowcs-Williams 与 Hawkings 最终推导出了FW−H 方程（Lighthill 声类比法），其数学表达式如式（5）所示。该方程式等号右边 3项代表声辐射源，第 1项代表气动噪声的四极子源，第2项代表偶极子源，第3项代表单极子源。式中： n 为控制面上的单位外法向矢量； un为流体j在f = 0面上的法向速度； νn向分量； ρ0为流体密度参考值； w ( f )为 Dirichlet 函数； H ( f )为 Heaviside 广义函数； P ij为可压缩流体应力张量。

1.3 风致振动噪声理论

风致振动噪声的求解涉及结构、流体和声学三者之间的耦合，声学波动方程和结构动力学方程如下：将上式的声学波动方程和结构动力学方程进行耦合，得到求解风致振动噪声的声振耦合方程如下：以上式中： Ms ， Cs ， Ks分别为结构质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵； U为结构广义位移矢量； f (t)为流体作用在结构湿表面上的压力； f0 (t)为除流体压力外结构受到的作用力； Mf ， Cf ， Kf为声场质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵； Mfs ， Kfs为结构和声场耦合矩阵；Fs为结构所受外激励载荷。

2 数值模拟方法2.1 模型构建

针对不同形状杆件的研究，本文选取圆杆 I、方杆、椭圆杆，并保证这3种截面杆件外部排开的空气体积相同。针对不同柔度的研究，则选取圆杆 I 和Ⅱ，二者的自由端无量纲柔度Y/L（柔度Y指在单位力作用下杆件自由端在垂直于杆件轴线方向的线位移， L指杆件长度，单位均为 m）分别为 2.0×10−6 和 3.0×10−4。杆件均为铝材料，密度2710 kg/m3，泊松比 0.33，弹性模量 7×1010 Pa。杆件内部空心，顶部为自由端，底部为固定端。杆件几何模型尺寸如表1所示。对于风致噪声的研究，首先需要提取准确的壁面压力数据。在进行流场计算时，为了消除边界对杆件周围流场的影响，杆件中心距离上游入口 2 m，距离下游出口 4 m，距离左、右壁面 2 m，杆件顶部自由端距离流体域顶部壁面1 m。边界条件如图 1（ a）所示。来流方向垂直于方杆壁面和椭圆杆短轴。图 1（ b） ～图 1（ e）为 4种杆件周边网格划分剖面图。流体域介质为空气，声速为340 m/s。风致噪声监测点为距离杆件中心轴1 m的声压级最大值点。湍流模型采用基于雷诺时均算法的 Realizable k−ε湍流模型。由于声场计算结果由流场信息所决定，声场计算可得到的最高频率为 0.5Δt−1，最低频率分辨率为 T −1。本文风致噪声计算时采用频率范围为0～200 Hz，频率分辨率为 0.1 Hz。因此，为了同时满足流场和声场计算的要求，流场计算设置时间步 Δt = 1×10−4 s，且提取杆件T = 10 s的稳定脉动压力数据作为风致噪声激励源。对于气动噪声数值研究，目前以声类比法为主。在低马赫数下，单极子噪声和四极子噪声可忽略不计，噪声的主要贡献者是偶极子噪声采用 Fluent 软件计算单向流−固耦合作用下杆件壁面脉动压力，通过 Virtual.Lab 软件将其映射到

声学网格，运用声类比法来求解气动噪声。风致振动噪声涉及流、固、声三者的耦合，通过软件将流场计算得到的壁面脉动压力映射到结构网格进行快速傅里叶变换（ FFT），将声学网格与结构网格进行声振耦合计算得到风致振动噪声。具体数值模拟流程如图2所示。

2.2 仿真验证

网格质量和数量是影响流场数值模拟的重要因素，同时决定了风致噪声计算准确性。为此，本文选取5种网格方案计算圆杆Ⅰ在30 m/s 风速下的流场，进行网格无关性验证，并分别讨论y+值和杆件垂向网格数对St数的影响，结果如表2所示。对于 y+值的选取，网格Ⅲ所得 St数在网格Ⅰ的基础上有 9.2%的提升，网格Ⅴ在网格Ⅲ的基础上仅有 1.3%的变化，故可以忽略不计。对于垂向网格数的选取，网格Ⅲ所得 数在网格Ⅱ的基础上有 0.08% 的变化，网格Ⅳ在网格Ⅲ的基础上有0.5% 的变化，这表明 St数不随垂向网格数的变化而变化。因此，结合对比结果和声学网格参数要求，后续流体域网格采用了 y+= 50和垂向节点数为 的方案进行网格划分。基于王毅刚等[18] 研究中的杆件模型，采用本文的模拟流程和方法与该文献中的数值仿真结果进行气动噪声声压级对比验证，如图 3所示。从图中可以看出，本文数值计算结果与文献 [18] 的结果吻合良好，虽然在 100 Hz后存在一定误差，但气动噪声主要考虑脱涡频率处极值噪声，可以风致振动噪声的仿真与气动噪声的仿真均需提取杆件壁面脉动压力作为激励源来进行声振耦合计算。脉动压力准确性已在网格无关性和气动[19]噪声仿真验证中得到肯定，因此，基于朱理等研究中的四边固支薄板模型，采用本文的模拟流程和方法计算的仿真结果与文献仿真计算的声功率级（ SWL）结果进行了对比验证，如图 4所示。从图中可以看出，此数值仿真流程计算的结果与文献所得结果吻合较好，这间接验证了风致振动噪声仿真流程的可靠性。

扫码阅读全文