预测导管式潮汐涡轮机的水声特征：一种计算效率高的边界元法/有限元-亥姆霍兹方法

《Ocean Engineering》：Predicting the hydroacoustic signature of ducted tidal turbines: A computationally efficient BEM/FW-H approach

本研究通过耦合BEM与FW-H方法，系统分析带罩水平轴潮汐涡轮机的流体声学性能，揭示罩体对轴向声压级增强与横向噪声屏蔽的双重作用，验证了该方法相比高精度URANS计算效率提升10倍以上，为潮汐涡轮机的水声环境影响评估提供了高效工具。

　　

吴Thomas S. | 金Spyros A. | 金Seungnam | 库马尔Kyle

德克萨斯大学奥斯汀分校Maseeh土木、建筑与环境工程系海洋工程小组，美国德克萨斯州奥斯汀市

摘要

带管道的水平轴潮汐涡轮机相比传统的开放式转子设计，可提供超过30%的功率提升，但它们对水下声学环境的影响尚未得到量化。本文通过应用一个耦合的数值框架，系统地分析了带管道涡轮机的水声性能，填补了这一关键知识空白。该方法结合了流体动力学边界元方法（BEM）和全尾流对齐（FWA）方案来预测叶片和管道的载荷，使用Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）声学类比来计算叶片辐射的音调噪声（叶片通过频率及其谐波），并利用边界积分方程（BIE）来模拟管道的声学散射。FW-H公式能够捕捉到厚度和载荷源，同时忽略了与湍流噪声相关的四极源。该框架通过开放转子配置的实验数据以及高保真度非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）模拟进行了严格验证。结果表明，管道在放大轴向声压水平（SPL）的同时，也能屏蔽横向噪声。所提出的方法与URANS结果具有合理的一致性，并且计算速度提高了10倍以上，验证了其效率和准确性。研究结果表明，流体动力学性能与声学特性之间的权衡并非简单的折中，而是一种可以工程化调控的能量重新分配过程。

引言

作为利用可预测海洋流量的可靠技术，水平轴潮汐涡轮机（HATTs）正逐渐具备商业可行性（Bahaj等人，2007年；Khan等人，2009年）。提高其性能的一个关键进展是采用带管道的设计，这可以将功率系数提升30%以上（Du等人，2019年；吴Thomas S.和Kinnas Spyros A.，2024年）。这种提升是通过加速流经转子的管道实现的。然而，这种管道的引入也带来了一个关键且尚未量化的环境影响。尽管流体动力学上的好处已经得到充分研究，但管道同时也作为一个散射体，改变了旋转叶片产生的水下噪声的传播。随着商业部署规模扩大到大型阵列，预测这种声学影响变得至关重要，因为涡轮机的运行噪声可能在超过1公里的范围内对海洋哺乳动物造成行为干扰（Lossent等人，2018年），并且在2公里外仍可被检测到（Risch等人，2020年）。

核心挑战在于开发一种能够有效模拟带管道涡轮机耦合水声特性的预测工具。在流体动力学方面，边界元方法（BEM）已被证明是一个稳健且计算效率高的框架。研究表明，BEM在单台涡轮机中的应用是准确的（Kim等人，2021年），它也可以用于具有修正尾流几何形状的非稳态、偏航条件，并且尾流模型表示在性能预测中起着关键作用（Baltazar和Falc?o de Campos，2011年；Menéndez Arán和Kinnas，2014年）。对于带管道的涡轮机而言，结合全尾流对齐（FWA）的BEM能够准确预测控制功率提取的管道-尾流相互作用，其计算时间仅需几分钟，而更高保真度的CFD求解器则需要数小时甚至数天（Kim等人，2023年）。

在声学方面，研究要么集中在开放式涡轮机上，要么采用计算成本较高的方法。高保真度的大涡模拟（LES）结合Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）声学类比对于识别主要噪声源（如叶片前缘）和湍流的影响至关重要（Dang等人，2022年；Lloyd等人，2014年）。更高效的BEM/FW-H混合模型成功预测了开放式转子的声学方向性和载荷噪声，突显了入流条件（如偏航角）对声压水平的影响（Kim和Kinnas，2023年）。其他数值研究探讨了空化流中的噪声以及仿生叶片改进的声学影响（Shi等人，2016年）。最近，Kumar等人（2024年）对带管道涡轮机进行的初步BEM/FW-H分析揭示了管道的双重声学作用：它提供了物理屏蔽，减少了横向噪声，但由于增加了叶片载荷，同时也加剧了轴向噪声。

基于这些发现，需要一种更全面的方法来完全表征带管道涡轮机的复杂声学行为。最近的一项突破性研究开发了一个耦合的BEM/FW-H框架，用于带管道的海洋推进器，与非稳态RANS相比，计算时间减少了90%（Kim和Kinnas，2025年）。然而，这一先进框架尚未应用于提取能量的带管道潮汐涡轮机的独特运行条件。

本研究通过实施一个耦合的BEM/FW-H模型来分析带管道潮汐涡轮机的水声特性，系统地研究了管道作为流体动力学性能增强器和声学散射体的双重作用。该研究扩展了Kim和Kinnas（2025年）建立的框架，并基于Kumar等人（2024年）的发现，考虑了特定于涡轮机的运行条件，包括不同的叶尖速度比。这首次系统地评估了带管道设计带来的显著功率提升是否伴随着有害的声学影响，或者这种影响是否是可以管理和缓解的副作用。

节选内容

流体动力学边界元方法（BEM）

带管道潮汐涡轮机的流体动力学分析采用了基于势流理论的边界元方法（BEM），该方法借鉴了已建立的海洋螺旋桨方法。该方法考虑了一个固定坐标系，该坐标系适用于受到${\overrightarrow{q}}_{\text{in}}$的旋转涡轮机。总速度场可以分解为：$\overrightarrow{q}={\overrightarrow{q}}_{\text{in}}?\overrightarrow{\omega }\times \overrightarrow{r}+\overrightarrow{u}，$其中$\overrightarrow{\omega }$表示角速度，$\overrightarrow{r}$表示径向距离，$\overrightarrow{u}$表示诱导的扰动速度。对于无粘性、无旋流动，扰动

带管道涡轮机的流体动力学分析

流体动力学分析首先需要对BEM模型进行验证，这是至关重要的一步，因为预测的叶片载荷是第3.2节声学分析的直接输入。为此，将BEM预测结果与Bahaj等人（2007年）的三叶片开放式转子涡轮机的实验测量结果进行了对比（见图1）。这项记录详尽的实验提供了涵盖广泛叶尖速度比（TSRs）和偏航角的稳健数据集。

结论

本研究提出并验证了一种计算效率高且稳健的耦合BEM/FW-H方法，用于预测带管道潮汐涡轮机的水声性能。通过与实验数据和高保真度URANS模拟的系统性比较，该方法证明了其在各种运行条件下准确预测流体动力学性能和声学特性的能力。

主要研究结果表明，带管道的涡轮机

CRediT作者贡献声明

吴Thomas S.：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、形式化分析、数据整理。Spyros A. Kinnas：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法论研究、资金获取、概念构思。金Seungnam：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论研究、数据分析、概念构思。Kyle Kumar：方法论研究、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了美国海军研究办公室（资助编号N00014-18-1-2276和N00014-21-1-2488；Yin Lu Young博士）以及“高速推进器空化性能联盟”的第十阶段和第十一阶段的支持。作者感谢德克萨斯大学奥斯汀分校的Texas Advanced Computing Center（TACC）提供的计算资源，这些资源对本文报告的研究结果做出了贡献。