﻿ 基于声类比的仿生圆柱壳流噪声特性研究
 舰船科学技术  2021, Vol. 43 Issue (12): 76-82    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2021.12.014 PDF

1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074;
2. 中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094

Research on acoustic performance of bionic cylinder based on acoustic analogue
HUANG Hui1, CUI Zi-xian2, ZHANG Tao1
1. Huazhong University of Science and Technology, Naval Architecture and Ocean Engineering, Wuhan 430074, China;
2. Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China
Abstract: Based on the tooth-like structure on the surface of shark skin, the cylindrical shell surface is modified and designed, and a typical bionic cylindrical shell structure is designed. The large vortex simulation (LES) combined with the Lighthill acoustic analogy method is used to solve the flow noise of the bionic cylindrical shell. The results show that the bionic cylinder can reduce the amplitude of the pulsating pressure, while improving the wake flow field and reducing the simulation of the cylindrical wake. Among the measuring cylinders, the V-shaped bionic cylinder has the best noise reduction effect, and the critical value of s/h of the V-shaped cylinder is about 2.5. When s/h> 2.5, the V-shaped bionic cylinder no longer has the noise reduction effect.
Key words: bionics     flow around cylinders     flow noise     LES     Lighthill acoustic analogy
0 引　言

1 仿生圆柱壳绕流计算模型

 图 1 光滑圆柱及仿生圆柱几何模型 Fig. 1 Geometric model of smooth cylinder and bionic cylinder
1.1 流场计算模型 1.1.1 流场计算模型

 图 2 计算流域几何模型 Fig. 2 Computational drainage basin geometry model

 图 3 计算流域边界条件 Fig. 3 Calculation of watershed boundary conditions
1.1.2 网格划分方式

 图 4 光滑圆柱计算流域网格示意图 Fig. 4 Schematic diagram of smooth cylindrical calculation watershed grid

 图 5 仿生圆柱计算流域网格示意图 Fig. 5 Schematic diagram of watershed grid for calculation of bionic cylinder
1.2 声场计算模型 1.2.1 声场计算模型介绍

 图 6 声学计算模型 Fig. 6 Acoustic calculation model
1.2.2 声场计算结果监测点

 图 7 声场计算监测点示意图 Fig. 7 Schematic diagram of sound field calculation monitoring points
1.2.3 声学网格划分

 图 8 传播域网格示意图 Fig. 8 Schematic diagram of propagation domain grid
2 仿生圆柱的流噪声特性分析 2.1 光滑圆柱和仿生圆柱的声学结果

 图 9 光滑圆柱与仿生圆柱在监测点B1处的声压级频谱 Fig. 9 Sound pressure level spectrum of smooth cylinder and bionic cylinder at monitoring point B1
2.2 V型仿生圆柱降噪机理 2.2.1 声指向性

 图 10 光滑圆柱在不同雷诺数下的声指向图 Fig. 10 Acoustic patterns of smooth cylinders under different Reynolds numbers

2.2.2 升力系数脉动对比

 图 11 光滑圆柱与V型仿生圆柱升力系数对比 Fig. 11 Comparison of lift coefficient between smooth cylinder and V-shaped bionic cylinder
2.2.3 涡量强度对比

 图 12 光滑圆柱与 V 型仿生圆柱模型尾流涡量图 Fig. 12 Wake vorticity diagram of smooth cylinder and V-shaped bionic cylinder model
2.3 不同s/h的V型仿生圆柱降噪效果对比 2.3.1 模型基本尺寸

 图 13 不同s/h比例的 V 型圆柱 Fig. 13 V-shaped cylinder with different s/h ratio
2.3.2 声学结果对比

 图 14 监测点示意图 Fig. 14 Schematic diagram of monitoring points

 图 15 不同s/h的 V 型仿生圆柱在监测点 M6 处的降噪量 Fig. 15 Noise reduction of V-shaped bionic cylinder with different s/h at monitoring point M6

3 结　语

1）3种典型仿生圆柱中，V型仿生圆柱的降噪效果最好。圆柱上的V槽形结构可以减缓尾流的脱落，从而降低由尾流脱落引起的压力脉动幅值，进而有效地降低了由尾流周期性脱落引起的偶极子噪声。另外V型圆柱可以阻碍圆柱两侧的分离剪切层向湍流的转变，使得涡量减小，同时尾流的分离剪切层脱落变缓，变得更加稳定，进而降低了由涡旋脱落造成的噪声。

2）V型仿生圆柱的降噪作用与s/h呈近似线性关系，且随着s/h的增加，降噪效果逐渐降低。相较于光滑圆柱，V型仿生圆柱的降噪作用对应的s/h的临界值在2.5左右，当s/h<2.5时，V型仿生圆柱具有降噪作用，当s/h>2.5时，V型仿生圆柱不在具有降噪作用，当s/h增大到4～5之间时，噪声趋于稳定。

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