1.1目的

为了保证船舶的正常运行，其内部分布着众多管路系统。这些管路在工作的同时，也会带来许多负面形象，在这里我们重点提到噪声的影响。噪声不可避免地会对船上工作人员到来困扰。其中，空调的通风管路更是直接与各个舱室相通，其噪声问题就需要引起的更大的重视。管路的形式多种多样，其截面就包括圆形，方形，渐变等。管路系统的结构和连接方式也是多种多样。由于大型邮轮通风管道庞大且复杂，所以其噪声的预测一直都是一个难点。本课题的目的就是通过数值仿真来模拟以及预测大型邮轮空调通风管路的噪声。

1.2意义

船舶上的通风管路系统产生的中低频噪声，会对受其影响的工作人员身体产生慢性的、长期的损害。次声对人的生理和心理影响是多方面的，心理影响主要表现是烦扰，而对生理的影响主要是在较强次声刺激时，可引起中耳压迫感、耳痛、鼓膜损伤、耳鸣及头痛、恶心、呕吐、平衡失调、视觉模糊等。也有报道次声使血压、心律、呼吸出现异常变化。国际海事组织(IMO)下属的海上安全委员会(MSC)制订了《船上噪声等级规则》即IM0-A468(Ⅻ)，海上人命安全公约(SOLAS)引用了《船上噪声等级规范》的相关规定。该项内容已经引起了相关机构的重视并采取了强硬指标进行规定极高要求。通常情况管路噪声包括管内气体的气动噪声以及管壁振动向外辐射的噪声。M．S．Howe认为气动声学问题可以解释任何声音的产生机理，也就是说可以采用统一的分析方法进行振动噪声和气动噪声的研究。国内学者也提出了类似的声比拟理论，用科学的方法证明了其合理性和科学性。《家用和类似用途电器噪声限值》(GBl9606—2004)针对家用空调机出风口处的噪声值水平进行了相关规定，如表1所示。

表1 空调器噪声限值（声压级）

我国目前还没有专门针对船舶管路噪声的有关规定标准，可用上述表格提供一些参考。但是，船舶结构远比家用建筑复杂，相关管路距离更长，走势更复杂、噪声规律更难掌握。在这种情况下，研究船舶空调通气管噪声就显得尤为重要，式符合客观需要的、具有现实意义的课题。

1.3研究现状

气动噪声由气流直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音组成。喷气式发动机喷出的气流产生的声就是一种气动噪声。这种杂乱无章的声音，会让人产生一种不满的情绪。空气动力性噪声的声源一般可分为四类:单极子源、偶极子源、四极子源和实际声源。

单极子声源：单极子可以认为是一个脉动质量的点源。对于单极子声源，声场的振幅和相位在球表面上的每一个点都是相同的，在静止流体中的单极子声源的指向性是在各个方向均匀的。根据单极子声源的特点，立刻可以断定爆炸就是单极子声源。

偶极子声源：偶极子可以看作是相互十分接近而相位相差180度的两个单极子。偶极子声场的特征是，该声场有一个最大值方向，而与该方向垂直的方向上，声压应该为零值。正像在声源处流体的流出流动与流入流动的相位差那样，偶极子声场的每一个声瓣相差180度。如果质量中心产生运动，则一个偶极子声源就将产生。

四极子声源：四极子可以看作是由两个具有相反相位的偶极子形成的，因而也就是由四个单极子所组成。因为偶极子有一个轴，所以偶极子的组合可以是横向的，也可以是纵向的。横向四极子表示剪切应力，而纵向四极子则表示纵向应力。

实际声源：任何实际声源都可以看作是由适当的相位和幅值的诸单极子的一个分布系统所组成的。正常情况下，不可能把这样的问题公式化。采用称为偶极子和四极子的这种单极的特殊组合，就允许把直觉知识用于特殊问题。

气动声学和流动噪声是20世纪50年代从流体力学和声学这两个经典学科中产生出来的交叉学科，一般来说学界普遍以Lighthill在1952年发表声比拟论文作为该学科起源标志。Lighthirl方程假设在自由空间下进行求解，对在固体边界不起决定性因素作用的问题，莱特希尔的基本理论是适用的。柯尔(Curle)将莱特希尔理论进一步发展，在固体静止边界条件上进行研究。证明了固体边界条件与将偶极子源均匀分布在整个固体边界上的情形十分相似，而且任一偶极子源强与固体表面上那点作用在流体之上的作用力大小相等。柯尔理论成功地解释了圆柱旋涡脱落引发的噪声问题及湍流中的静止物体引发的风鸣声的问题。但是，该理论并没有考虑固体运动边界与流体的藕合作用的发声问题，不能对风扇与压气机的转子、螺旋桨引起的噪声水平进行预测。进入19世纪60年代，洛森(Lowson)研究了存在于自由空间的某个运动奇点声场的特性。该奇点是四极子源、集中偶极子源或单极子源用来建立压气机转子与静子干涉及直升机转子的噪声模型。后来，福茨·威廉姆斯(Ffowcs-Williams)和霍金斯(Hawkings)进一步考虑了旋转壁面的情况，采用广义函数方法将柯尔的研究结果扩展到考虑运动固体边界对声音的影响，得到一个较普遍的结果，即FW-H方程。

我国前辈科学家很早就规划和开展了与气动声学相关的应用和基础研究， 最具代表性的工作来自马大猷先生所研究的强声喇叭的调制气流发声原理和针对导弹发射井噪声防护所研究的微穿孔板设计理论。近年来，随着我国大量新型国防装备和汽车、高铁、商用大飞机等的降噪和适航需求问题的日益凸显，气动声学研究越来越引起工业界和学界的重视。其中，管路气动噪声的数值模拟大体可分为两种方法：直接模拟法和间接模拟法。直接模拟法是通过求解全流场的Navier-Stokes方程，得到流场声场的信息，这种方法的计算量大。间接模拟法应用CFD方法计算主要噪声源，并用积分或者声比拟法得到远场噪声级，这种发发适用于低马赫数情况。应用Mohring声类比法可对高马赫情况进行求解。里昂中法他的控制方程均可以通过雷诺平均纳维一斯托克斯方程法(RANS)、直接模拟法(DNS)以及大涡模拟(LES)模型进行求解。

2. 研究的基本内容与方案

2.1目标

通过对大型邮轮空调通风管路噪声数值仿真，预测大型邮轮空调通风管路的噪声，提出一种管道气动噪声性能的控制方案。说

2.2基本内容

（1）为研究大型邮轮空调通风管路噪声问题，得到不同管路模型的噪声特点和规律，对不同的管路系统的噪声进行模拟分析。首先，根据图纸，通过Ansys软件中的Geometry建立管路几何模型，然后通过ICEM对物理模型进行网格划分，并合理定义网格模型边界条件。要对部分结构进行模拟数值分析，主要分析管道的不同截面形状、转角形状、以及管道大小等，然后对整体系统进行模拟数值分析。

（2）在建立出管路模型后，采用计算流体力学的办法，利用大型流体仿真软件Fluent对相应的CFD模型内部流场进行计算。确定合理湍流数值模型、流体物理性质以及边界条件。将计算结果作为初值，采用大涡模拟方法（LES）和有限体积法来计算管路内部流场特性以及管壁压力特性。然后以.cgns文件的形式输出时域的计算结果。然后将时域结果导入LMS Virtual. Lab Acoustics中进行声学计算。

（3）对结果进行分析，通过管道噪声预测可对管道结构进行优化方案的设计，提出一种管道气动噪声性能的控制方案。

2.3拟采用的技术方案及措施

（1）空调通风管路气动噪声计算的数值建模研究，首先根据图纸建立管路几何模型，然后使用ICEM或GAMIBIT对物理模型进行网格划分，并合理定义网格模型边界条件。掌握网格划分、质量检查以及改善网格质量的方法。作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。

（2）基于CFD计算方法开展数值仿真研究，确定合理湍流数值模型、流体物理性质以及边界条件。采用大涡模拟方法（LES）和有限体积法来计算管路内部流场特性以及管壁压力特性，掌握数值计算方法。大涡模拟是对紊流脉动（或紊流涡）的一种空间平均，也就是通过某种滤波函数将大尺度的涡和小尺度的涡分离开，大尺度的涡直接模拟，小尺度的涡用模型来封闭。大涡模拟成立的理论基础是在高雷诺数紊流中存在惯性子尺度的涡，该尺度的涡具有统计意义上的各项同性的性质，理论上它既不含能量也不耗散能量，它将含能尺度的涡的能量传递给耗散尺度的涡。有限体积法是计算流体力学中常用的一种数值算法，有限体积法基于的是积分形式的守恒方程而不是微分方程，该积分形式的守恒方程描述的是计算网格定义的每个控制体。有限体积法着重从物理观点来构造离散方程，每一个离散方程都是有限大小体积上某种物理量守恒的表示式，推导过程物理概念清晰，离散方程系数具有一定的物理意义，并可保证离散方程具有守恒特性。

（3）对FLUENT计算结果进行分析，掌握管路内部流场及管壁压力特性，转化为声振源，利用Virtual. Lab Acoustics等声学软件对管口监测点处噪声进行预报。Virtual.LabAcoustics软件是专门从事噪声分析的CAE 软件。船舶管路气动噪声来源于管路中紊乱的气流作用，是管路中由于气体的撞击、减速或扩张作用而在流体内产生的雷诺应力或剪应力而形成的。因此，对不同形态的船舶管路气动噪声进行了研究和分析。采用的声学数值模拟分析流程如图1所示。

（4）对原始方案进行优化设计，根据控制要求和数值仿真结果，提出一种管道气动噪声性能的控制方案。 总方案图如图2所示。

图1 管路气动噪声数值模拟分析流程

图2 方案流程图

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1.1目的

为了保证船舶的正常运行，其内部分布着众多管路系统。这些管路在工作的同时，也会带来许多负面形象，在这里我们重点提到噪声的影响。噪声不可避免地会对船上工作人员到来困扰。其中，空调的通风管路更是直接与各个舱室相通，其噪声问题就需要引起的更大的重视。管路的形式多种多样，其截面就包括圆形，方形，渐变等。管路系统的结构和连接方式也是多种多样。由于大型邮轮通风管道庞大且复杂，所以其噪声的预测一直都是一个难点。本课题的目的就是通过数值仿真来模拟以及预测大型邮轮空调通风管路的噪声。

1.2意义

船舶上的通风管路系统产生的中低频噪声，会对受其影响的工作人员身体产生慢性的、长期的损害。次声对人的生理和心理影响是多方面的，心理影响主要表现是烦扰，而对生理的影响主要是在较强次声刺激时，可引起中耳压迫感、耳痛、鼓膜损伤、耳鸣及头痛、恶心、呕吐、平衡失调、视觉模糊等。也有报道次声使血压、心律、呼吸出现异常变化。国际海事组织(IMO)下属的海上安全委员会(MSC)制订了《船上噪声等级规则》即IM0-A468(Ⅻ)，海上人命安全公约(SOLAS)引用了《船上噪声等级规范》的相关规定。该项内容已经引起了相关机构的重视并采取了强硬指标进行规定极高要求。通常情况管路噪声包括管内气体的气动噪声以及管壁振动向外辐射的噪声。M．S．Howe认为气动声学问题可以解释任何声音的产生机理，也就是说可以采用统一的分析方法进行振动噪声和气动噪声的研究。国内学者也提出了类似的声比拟理论，用科学的方法证明了其合理性和科学性。《家用和类似用途电器噪声限值》(GBl9606—2004)针对家用空调机出风口处的噪声值水平进行了相关规定，如表1所示。

表1 空调器噪声限值（声压级）