摘 要

邮轮上分布的复杂管路系统在工作时也会产生严重的噪声问题。在各种管路中，空调通风管路与居住舱室和餐厅、会议室等公共舱室直接相连，成为影响居住舒适性的重要因素。减少邮轮管路噪声，提高船员和乘客的居住舒适性，对大力发展邮轮旅游，促进产业结构转型具有重要意义。

本文首先对气动噪声相关理论进行推导分析，确定了管道气动噪声问题中主要声源为固壁偶极子声源；接着简要介绍了计算流体力学软件fluent和其中使用到的标准湍流模型与LES大涡模拟理论，并对声学软件Virtual.Lab以及其中涉及到的声学有限元法、PML与AML技术、声学网格要求和几何网格映射关系进行介绍；以圆截面弯管为例，介绍了以声学有限元为基础的管路气动噪声计算过程；最后对于管路设计安装中可能会出现的截面形状、弯管角度、横截面尺寸和入口流速这四种影响因素，进行管口噪声分析。得到以下规律：

1. 圆截面管路管口噪声声压级要小于方形截面和矩形截面；
2. 弯管角度越小，出口噪声声压级水平越低；
3. 通风量一定，管道截面尺寸越大，出口声压级水平越低。当截面尺寸达到一定值时，减小速度下降，呈收敛趋势；
4. 管口流速增大，管口噪声迅速增大，增长速率逐渐减小，管口噪声声压级呈收敛趋势；

根据所得规律，在通风管路系统的设计时，当满足空间、重量和安全性要求的前提下，可以优先选用圆截面管道，适当减小弯管角度；通风量相同情况下，选择适当大的截面尺寸，适当减小风速；根据不同管路形式的频谱特性曲线所示的主频段，选择合适的消声材料，确定扩张管的截面当量直径，从而有效地降低通风管路噪声。

本文通过对邮轮空调通风管路气动噪声的预报方法和影响因素展开研究，为邮轮上管路气动噪声的预报及控制提供了指导，对改善邮轮居住舒适性有重要意义。

关键词：邮轮通风管路；气动噪声；Lighthill声类比；声学有限元

Abstract

Complex pipeline systems distributed on cruise liners can also cause serious noise problems during operation. Among various pipelines, the air-conditioning ventilation lines are directly connected to the living cabins and public rooms such as restaurants and conference rooms, and have become an important factor affecting the comfort of living. Reducing cruise line noise, improving the comfort of crew members and passengers, is of great significance to vigorously developing cruise tourism, changing industrial structure, and complementing the shortcomings in environmental issues.

Firstly, this paper deduces and analyzes the related theory of aerodynamic noise, and determines that the main acoustic source in the pipeline aerodynamic noise problem is a solid-walled dipole source; then it briefly introduces the computational fluid dynamics software fluent and the standard turbulencemodel used therein and the LES The theory of eddy simulation and the introduction of the acoustic software Virtual.Lab and the related acoustic finite element method, PML and AML techniques, acoustic mesh requirements and geometric grid mapping; taking the circular section elbow as an example, introduced Acoustic finite element based aerodynamic noise calculation process for the pipeline; Finally, the nozzle noise analysis is performed for the four factors that may occur in the design and installation of the pipeline: cross section shape, bend angle, cross section size and inlet flow velocity. Get the following rules:

1. The sound pressure level at the mouth of a circular section pipe is less than the square section and the rectangular section;
2. The smaller the bend angle, the lower the sound pressure level of the exit noise；
3. The ventilation volume is fixed. The larger the pipe cross-section size, the lower the sound pressure level at the outlet. When the cross-section size reaches a certain value, the decreasing speed decreases and converges；
4. The nozzle flow rate increases, the nozzle noise increases rapidly, the growth rate gradually decreases, and the sound pressure level of the nozzle mouth converges;

This paper studies the prediction method and influencing factors of the aerodynamic noise of the cruise air-conditioning ventilation line, provides guidance for the prediction and control of the aerodynamic noise on the cruise line, and has important significance for improving the comfort of the cruise ship.

According to the obtained law, in the design of the ventilating piping system, under the premise of satisfying the space, weight and safety requirements, the circular cross-section pipe can be preferentially selected, and the angle of the bent pipe can be appropriately reduced; under the same ventilation volume, the appropriate large size is selected. Cross-section size, reduce the wind speed properly; According to the main frequency band shown in the frequency spectrum characteristic curves of different pipeline types, appropriate silencing material can be selected to determine the equivalent diameter of the cross-section of the expansion pipe, so as to effectively reduce the ventilation pipeline noise.

Key words：Ventilation pipe of Cruise ship；Aerodynamic noise；Lighthill’s acoustic analogy；FEM

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景和意义 1

1.3 气动声学问题研究现状 2

1.3.1 气动声学理论研究 2

1.3.2 气动声学数值模拟方法 3

1.4 国内外研究现状 4

1.5 本文主要工作 5

第2章 气动噪声计算基础理论 7

2.1 引言 7

2.2 Lighthill声类比理论 7

2.3 存在固壁的气动噪声计算 10

2.3.1基本方程推导 10

2.3.2 FW-H方程 12

2.4本章小结 13

第3章 空调通风管路噪声预报方法 14

3.1 引言 14

3.2 CFD软件 14

3.2.1 fluent软件介绍 14

3.2.2 标准湍流模型与LES大涡模拟理论 15

3.3 声学软件 16

3.3.1 LMS Virtual.lab Acoustics软件简介 16

3.3.2声学有限元法 17

3.3.3 PML与AML技术 18

3.3.4 声学网格要求 20

3.3.5 几何/网格映射 20

3.4 管路噪声仿真路线 21

3.4.1 计算模型 22

3.4.2 弯管内部流场计算 23

3.4.3 管口声场计算及结果分析 28

3.5 本章小结 31

第4章 管路参数对管口噪声的影响 32

4.1 引言 32

4.2 截面形状对管口噪声的影响 32

4.2.1 计算模型 32

4.2.2 不同截面形式管口声场计算与分析 34

4.3 弯管角度对管口噪声的影响 36

4.3.1 计算模型 36

4.3.2 不同弯管角度管口声场计算与分析 38

4.4 横截面尺寸对管口噪声的影响 41

4.4.1 计算模型 41

4.4.2 不同截面尺寸管口声场计算与分析 42

4.5 入口流速对管口噪声的影响 43

4.5.1 计算模型 43

4.5.2 不同入口流速管口声场计算与分析 44

4.6 本章小结 45

第5章 总结与展望 46

5.1 全文总结 46

5.2 工作展望 46

参考文献 48

致谢 50

第1章 绪论

1.1 引言

本章首先对研究的背景和意义进行了分析；然后介绍了气动声理论的发展历程和现有气动噪声数值模方法；接下来，对气动噪声问题的国内外研究现状进行分析，介绍了目前取得的成果和进一步研究方向；最后综述本文的主要研究内容。

1.2 研究背景和意义

由于航运的发展和军事上的需要，船舶制造技术飞速发展，造船业已经成为世界上最重要的重工业部门之一。然而，随着工业化水平的提高，人们不再只满足于对船舶的安全性、稳定性和机动性等方面的要求，船舶的舒适性受到重视。邮轮这种大型船舶过去被用于跨洋邮件的运输，但是航空运输的快速发展以及取代了这种速度慢的运输方式。现在，邮轮被更多的用于旅游客运中。所以邮轮上居住环境的舒适度显得尤为重要。而邮轮工作时产生的噪声问题向来被忽视，现在已经成为居住舒适度的短板。邮轮上噪声产生的原因复杂多样，其中包括有主辅机等机械系统产生的噪声；吊舱等推进系统产生的噪声；船体外部流体产生的水流噪声等，其中邮轮上分布的复杂管路系统在工作时也会产生严重的噪声问题。

管路系统是指为专门用途而输送流体（液体或气体）的成套设备，以保证船舶动力装置可靠正常地工作以及船舶安全航行而设置的辅助机械、辅助设备、检测仪表、附件以及管路的总称^[1]。按照使用功能和输送的工作介质来分类，可将管路系统分为两类。一是为确保推进装置正常工作的动力管路；二是保障船舶安全航行，船上旅客工作和生活的管路，其中包括空气调节管路和疏排水管路等。这些管道的连接，才使得船舶各系统得以正常运转。

暖气通风空调(Heating Ventilation Air Conditioning HAVC) 系统是邮轮中重要的噪声声源，且气动噪声是HVAC系统主要声源。管道介质在流动中，会产生振动和噪声，并且影响着船员和乘客的工作和生活。这些噪声包括管内气体自身不规则运动产生的气动噪声和气体与固体相对运动使管壁振动向外辐射的噪声。管道内产生的中低频噪声会人的睡眠心理造成影响，长期受到噪声影响会对人产生慢性危害^[2]。因此，研究和控制邮轮管路气动噪声就变得意义重大。国际各大船级社^[3]对船不同区域噪声限值都颁布了相应的规范，如表1.1所示。可以看出居住区域的噪声限值大多都在50dB以下，最为严格的要求为45dB。因此，噪声限值对通风管路的设计和安装过程提出了很高的要求。本文通过研究四种管路参数对管口噪声的影响，能为设计人员在管路布置设计中提供参考依据。

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