舵对螺旋桨线谱噪声的影响

    螺旋桨噪声是潜艇噪声源中的一个重要分量。潜艇螺旋桨通常工作在艇体形成的非均匀尾流场中,桨盘面处来流在空间上呈非均匀性,因此,螺旋桨辐射的主要噪声是桨盘面处大尺度非均匀速度场与旋转叶片相互作用所产生的线谱噪声以及由艇体(包括附体)边界层湍流与旋转叶片相互作用所产生的宽带谱噪声,其中线谱噪声通常具有较高的幅值。非均匀流场中,螺旋桨的辐射噪声主要取决于螺旋桨参数和流场两个方面,而流场则与艇体线型及附体结构密切相关[1]。因此,分析螺旋桨线谱噪声与潜艇附体之间的关系,对于衡量螺旋桨和潜艇的噪声性能都具有十分重要的意义。因此,用CFD方法结合线谱噪声的频域预报理论,重点讨论和分析不同舵形状时螺旋桨的线谱噪声变化规律。

    1 线谱噪声频域预报方法

    潜艇螺旋桨盘面处的来流具有不均匀性,除平均来流速度外,还存在三个方向上的速度扰动,其中以轴向上的速度扰动为主,而径向和周向分量较之要小两个数量级,并考虑到轴向上的速度扰是产生线谱噪声的主要原因,因此在噪声计算中通常只考虑轴向速度分量。

    在随螺旋桨平移的坐标系中,轴向来流速度u(r,H)可表示为

u(r,H)=?u(r)+?u(r,H) (1)

    式中:?u(r)—半径r处的平均扰动速度,定义为

  ?u(r) =12PQ2P0u(r,H)dH(2)

    u(r,H)—轴向扰动速度,通过傅里叶级数形式表示为

    其中:An(r)—第n阶谐波幅值。

    将螺旋桨各截面当作二元机翼进行处理,则可根据Sears理论,得到翼表面的压力差。考虑到吸力面和压力面的压力幅值相等,相位相差P,因此,在桨叶固连坐标系中,桨截面上的压力分布可以表示为

    式中:K(r0)—半径r0处的几何螺距角;

    U0(r0)—半径r0处的平均合速度;

    kn,r0—第n阶来流谐波在半径处对应r0的量纲)量的波数。

    Sears(?kn,r0)表示Sears传递函数和弦向分布之积,定义为:

    式中:?x螺旋桨截面上的无量纲坐标;

    kx—弦向无量纲波数。

    Sears传递函数Se(?kx)表示为

    式中:H0—第0阶Hankel函数;

    H1—第1阶Hankel函数。

    考虑到水中螺旋桨情况,其来流速度U相对水中声速c0甚小,叶梢最大马赫数Ma[0.03,并且叶片为薄叶片,因此,在利用Ffowcs William-Hawkings方程时,忽略非线性四极子源和叶片厚度引起的体积排挤项,从而螺旋桨辐射声压的频域形式可以表示为