舰艇内部有着极其复杂的水管路系统，覆盖范围广泛，并且水管路系统中附件形式多样．舰艇水管路系统附件包括T型管、弯管和变径管等，这些附件由于自身结构特征、设计加工和运行工况等原因，易引发管路流噪声及管路流激噪声，并且其噪声能量主要集中于中低频段[1]．由此看来，对舰艇内水管路系统的低频振动辐射噪声控制显得尤为重要，舰艇内水管路系统的降噪已经成为研究热点．仿生学作为近年来新兴的一门结合生物学、数学及工程技术的边缘科学，已经逐渐应用于建筑设计、桥梁建设、人体器官设计等领域，将仿生学应用于管路系统优化设计，达到减振降噪目的，是当前舰艇发展的重点．Chen等[2]对猫头鹰羽毛锯齿状尖端进行分析，并通过流场大涡模拟(large eddy simulation，LES)和低速风洞测速，发现其可以控制高频涡流，从而抑制噪声；Bachman等[3]指出了鸮翅膀构造对噪声的控制原理；Chong等[4]研究了锯齿尾缘对翼型离散噪声的影响，发现锯齿尾缘可显著降低不稳定离散噪声；Sirovich等[5]通过风洞试验研究如何控制高雷诺数下的管路湍流脉动噪声，其试验管道采用V型凸起结构设计，降噪效果明显．刘小民等[6]提出利用苍鹰翅膀整体结构仿生设计，改装风机叶片，发现风机涡流噪声峰值处噪声明显降低；张金凤等[7]基于CFD+Lighthill声类比理论，借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构对管道泵进行仿生优化和数值模拟，达到降噪目标；汪久根等[8]将鲨鱼皮的表面菱形织构应用到高速列车的车厢，数值分析结果与光滑表面相比摩擦噪声最大可降低24 dB；许影博等[9]利用全消声环境的低速开口风洞对锯齿型翼型尾缘进行实验，结果表明锯齿型仿生结构是可行的降噪方案．随着仿生学研究的兴起，将其应用于噪声控制是目前的一大研究热点，将仿生技术应用于海水管路噪声控制中有十分重要的意义[10]．本研究借鉴生物的非光滑结构形式，探究其对流场声学特性的影响．1 计算模型考虑到加工方便及计算效率，对表皮结构尺寸进行放大及简化，如图1所示，将其应用于海水管路中，分析其对管路流场和声振特性的影响．10.13245/j.hust.231278.F001图1河豚表皮及简化模型1.1　模型构建本研究以圆形截面通水弯管为研究对象，其直径D=85 mm，为防止流场计算出现回流，计算模型进流段与去流段的长度均为10D，弯管几何模型如图2(a)所示．在原始模型基础上，将仿生织构布置在管路弯头中(如图2(b)所示)，提出基于仿生织构的噪声控制技术，并分析不同布置位置的降噪效果．本研究在弯管的五个典型位置布置仿生织构进行分析，分别是入口段中间、入口段尾部、肘部中间、出口段首部及出口段中间，命名为位置1～5．在管路各研究位置交错布置19排菱形织构，即R=19，菱形织构边长s=1.25 mm，其流向夹角为α=60°，高度为h=0.5 mm，以管路中线为轴心，每列相邻的菱形织构夹角为θ=5°，每排相邻的织构间距2.5 mm，如图2(c)所示．其中水中声速为c=1 500 m/s．弯管材料参数：密度ρ=7 930 kg/m3，泊松比为μ=0.3，弹性模量为E=1.96×1011 Pa，结构阻尼因子η=1%．10.13245/j.hust.231278.F002图2管路模型示意图1.2　流场设置在对典型海水弯管及仿生设计后的管路计算中，稳态计算采用标准k-ε模型，选择标准壁面函数；为加速稳态计算收敛，速度与压力耦合采用SIMPLEC算法；管路入口处设置速度边界，出口处设置压力边界，其中表压为0 Pa，并且基于湍流强度和水力直径进行边界处湍流设定；管壁设定为无滑移壁面．瞬态计算时采用LES湍流模型，WMLES亚格子模型[11-12]；并且通过监测出口处平均压力，判定是否达到计算稳定；流场计算的时间步长根据库朗数(Courant number)[13]进行估算，本研究采用0.1 μs．2 网格划分及无关性验证本研究采用混合网格对弯管流体域进行网格划分．由于涉及边界层计算的精度问题，对于大分离流动模型，y+取值为1～5最佳，为了更好地满足之后的声学计算要求，取y+=1，所以六个模型流体域网格第一层网格质心至壁面距离均小于0.01 mm，网格增加率为1.2，设置边界层网格总厚度为主体网格尺寸的1.5倍左右，确保可以完整捕捉壁面信息．在确定了第一层边界层厚度之后，对网格尺寸大小进行无关性验证．选择仿生设计前的弯管作为验证模型，以3 m/s的流速作为验证工况，出口中心处作为管路流噪声声压监测点，比较不同数目网格下监测点的流噪声总声压级变化情况．弯管流噪声总声压级变化见表1，可以看出当弯管网格数目达到358×104及以上时，监测点处的总声压级变化不超过0.5%，说明当弯管在网格数目为358×104时达到无关性要求，此时网格大小为3 mm．对于仿生设计后的管路，由于存在结构突变，对结构突变位置进行网格细化，因此本研究网格细化尺寸为0.5 mm．10.13245/j.hust.231278.T001表1弯管不同数目网格总声压级网格数目/104146258358460553总声压级/dB103.28107.39111.35111.26111.833 流场计算结果图3为弯管的原管及其五个位置的仿生管在1.6 s，当雷诺数为Re=2.5×105时的速度云图．当流体流过弯管的弯头处时，由于流动方向的急剧改变，因此高速流体会在弯头内侧处大量聚集形成高速低压区，而外侧形成低速高压区；高速流体会直接冲击出流段管路壁面，对出流段处流体产生较大的扰动作用．对比分析原管及其各仿生管可以看出：仿生织构的存在主要影响管路出流段的流场分布，位置1和位置2在进流段布置了仿生织构，位置3在弯头处布置了仿生织构，但并未在布置处的流速产生明显的变化，反而对出流段的流场速度分布产生了影响，可以得出仿生织构对管路流场的影响效果最终会表现在出流段；相较于仿生管，原管出流段外侧的高速流体分布更广、聚集区域更大，而在出流段内侧，尤其是靠近弯头处会出现明显的低速区域，在截面处会形成较大的速度变化梯度，从而容易产生流体分离现象，并生成强度和流速较大的涡；可以看出仿生织构的存在可以改善出流段流速分布，抑制壁面速度过大引起的流体分离现象，减少涡量的产生，其中位置1、位置2、位置4和位置5情况下对流场分离的改善较为明显，可以抑制弯头内侧处的低速流体聚集，改善出口附近处的速度变化，而位置3情况下表现较差，甚至高速流体和低速流体分层更加明显．10.13245/j.hust.231278.F003图3Re=2.5×105下速度云图变化4 声场分析4.1　模态分析为了分析管路流噪声频谱曲线特征，须要对管路声学模态进行求解，弯管及仿生设计后弯管前五阶声学模态见表2，弯管与仿生管各阶模态的频率差值不超过0.05%，仿生织构的存在对于管路声学模态的影响微乎甚微，并且不受仿生织构的布置位置影响．除此之外，因为不同于通气管路，海水管路的阻抗与水介质阻抗相比不能忽略，所以在分析中还要考虑管路结构与水的耦合作用．对不同位置仿生设计后的弯管进行结构模态以及水对结构单向耦合模态计算，得到三种厚度下不同仿生设计位置处的弯管自由边界条件下的前五阶模态频率．10.13245/j.hust.231278.T002表2弯管及仿生设计后弯管前五阶声学模态弯管一阶二阶三阶四阶五阶原管403.01803.491 208.841 607.082 014.06位置1403.01803.461 208.801 607.122 014.12位置2403.00803.511 208.811 607.092 014.07位置3403.45804.381 210.141 608.842 016.24位置4403.00803.511 208.811 607.092 014.07位置5403.01803.461 208.801 607.122 014.12Hz为便于比较弯管结构模态和耦合模态，将其绘制如图4所示，可见弯管在布置仿生织构后结构模10.13245/j.hust.231278.F004图4不同厚度下弯管模态固有频率曲线图态和耦合模态的固有频率会略微变大，这是因为仿生织构的存在，不仅导致管路结构质量增加，而且结构刚度也增加，并且刚度对管路模态影响更大，这也解释了随着管壁厚度的增加，管路固有频率反而增加的原因，但是整体看来仿生织构的存在对结构模态和耦合模态影响不明显，并且壁面越厚越不明显；另外，三种壁厚的管路在不同位置添加仿生织构后，结构模态和耦合模态曲线几乎重叠在一起，说明仿生设计位置对管路模态影响微弱．4.2　管路流噪声为了直观表现仿生织构的不同布置位置对管路噪声的影响，将出口处中心点作为声压监测点，用边界元方法计算并对比了原管及五种位置仿生管在Re=2.5×105下的流噪声声压频谱曲线及1/3倍频程曲线，计算频段为10 Hz～1 kHz，曲线对比如图5所示，可以看出：管路声压级频谱曲线在频率点400 Hz和800 Hz附近出现峰值，这与管路第一阶和第二阶声学模态频率相对应，说明管路的流噪声曲线峰值特征与其声学模态密切相关；将仿生管路声压曲线与原管相比可以看出，位置1、位置2、位置4和位置5的频谱曲线在10～100 Hz频段处明显低于原管，并且抑制了峰值，说明在这些位置设计仿生表面织构可以降低低频噪声和抑制模态频率点的响应，其中位置2处效果最明显，而在位置3处布置仿生表面织构对管路噪声抑制效果并不理想，甚至加剧了管路声压级曲线峰值的突变．Re=2.5×105下各管总声压级如下：原管为111.35 dB，位置1～5总声压级分别为106.62，105.49，112.33，107.06，106.82 dB．总声压级的公式如下10.13245/j.hust.231278.F005图5Re=2.5×105下各管声压频谱曲线Ls=10lg(10Lp1+10Lp2+⋯+10Lpn)，式中：Lp为声压级，基准声压值为1×10-6 Pa；Ls为总声压级．4.3　流激振动噪声低速下当流体介质流过管路时，不仅会作为壁面偶极子声源产生管路流噪声，而且偶极子声源会作为外部激励作用于管路壁面，使管路发生振动并辐射噪声，这部分噪声称之为流激振动噪声．本研究选取并计算了原弯管及各仿生管在三种壁面厚度下(2，3，5 mm)，当雷诺数Re=2.5×105时弯管流激振动噪声，如图6所示．为对应前文耦合模态分析边界，本研究的流激振动噪声计算的边界条件仍选择自由边界．可以看出：流激振动噪声声压频谱曲线不仅在声学模态频率处出现峰值，而且在耦合模态频率附近出现峰值，但峰值位置外的区域声压级又远小于流噪声声压级，说明管路流激振动噪声相对流噪声较小，但应当注意对弯管耦合模态频率处的响应进行抑制．10.13245/j.hust.231278.F006图6当Re=2.5×105时弯管流激振动噪声频谱图对比三种厚度下的各管频谱曲线，可以看到弯管流激振动噪声对厚度变化并不敏感，大幅增加管路厚度后仅对峰值产生抑制，因此无限增加弯管壁面厚度对降低流激振动噪声效果有限；对比不同厚度下原管与各仿生管频谱曲线，发现位置2处布置仿生织构对流激振动噪声的抑制最为明显，在低频10～200 Hz频段内效果最好，并且可以抑制流激振动噪声频谱曲线峰值，而其他位置却加剧了流激振动噪声，在频段200～1 000 Hz各个位置均可降低流激振动噪声，且位置2仍然效果最佳．结合前文流场分析，可以推测出这是因为在位置2处布置仿生织构对流场漩涡进行“切割”效果最好，有效抑制了壁面偶极子的强度，减少了对管路壁面的激励．5 试验验证为了验证上述数值计算方法的准确性及仿生设计管路的降噪效果，依托自建的循环水管路实验平台对仿生管路进行噪声测试，如图7所示．在测量水管路系统运行时的噪声过程中，为保证实验准确性，需要有完备的测试系统和测量仪器，其中包括水听器[14]、数据采集器、功率放大器和数据处理软件等．10.13245/j.hust.231278.F007图7循环水管路系统本研究选择使用3D打印技术对所需的仿生织构部分直管段进行加工，打印材料为不锈钢，经过外表打磨之后，最终得到的实际实验模型如图8所示，将其安装到弯管入口段尾端．10.13245/j.hust.231278.F008图8仿生织构实验模型在实验段安装上带仿生织构的弯管，弯管直径为85 mm，与仿真模型一致．调整阀门开度将流速控制在3 m/s，此时流量为55 m3/h，流量稳定后开始测量，测量结束后将测量结果与原管3 m/s流速下的测量结果进行对比，结果如图9所示．可以看出：在低频段100～200 Hz内带仿生织构的弯管流噪声声压幅值要略低于原管，说明仿生织构在低频段起到一定的降噪效果，而在高频段内仿生管流噪声幅值没有明显低于原管，部分原因是在实验管路内不仅存在仿生织构对流体涡团产生影响，而且部分连接区域的焊接痕迹也对流场产生影响，形成了大量小涡团，增加了高频噪声，造成高频降噪效果不佳，但总体可以得出仿生织构对弯管流噪声有一定的降噪效果．由于实验条件的限制，实验结果和仿真结果有一些差距．10.13245/j.hust.231278.F009图9弯管声压级频谱曲线对比6 结论本研究基于仿生学原理对弯管海水管路进行改造，并运用混合计算方法和声固耦合方法对仿生设计管路进行参数化声振特性分析；最后基于自主搭建的实验平台对仿生设计管路进行管路实验验证，得到以下主要结论．a. 仿生织构的存在可以改善出流段流速分布，抑制壁面速度过大引起的流体分离现象，减少涡量的产生，其中仿生织构布置在入口段中间、入口段尾部、出口段首部及出口段中间情况下，对流场分离的改善较为明显，可以抑制弯头内侧处的低速流体聚集，改善出口附近处的速度变化，而布置在肘部中间情况下表现较差，甚至高速流体和低速流体分层更加明显．b. 管路的声学模态、结构模态和耦合模态基本不会受到仿生织构的影响．c. 流激振动噪声声压频谱曲线不仅在声学模态频率处出现峰值，而且在耦合模态频率附近出现峰值，但峰值位置外的区域声压级又远小于流噪声声压级，说明管路流激振动噪声相对流噪声较小．d. 数值仿真及试验结果表明对弯管的不同位置进行仿生设计，当设计位置在靠近入流段弯头处(位置2)时对弯管声振特性影响效果最好，而当设计位置在弯管的弯头位置(位置3)时反而会起到反作用．