مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی جهت‌مندی نویز تونال پروانه دریایی (INSEAN E779A) با بهره‌گیری از آرایه‌های هیدروفونی با چگالی بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
10.48311/mme.2025.117250.82875
چکیده
آلودگی صوتی زیر آب ناشی از پروانه‌ی کشتی‌ها یک نگرانی زیست‌محیطی مهم است که پیش‌بینی دقیق آن در مرحله طراحی برای کاهش اثرات منفی ضروری است. در این مطالعه، عملکرد هیدروآکوستیکی پروانۀ دریایی چهارپرۀ INSEAN E779A در شرایط عدم حضور کاویتاسیون با استفاده از یک مدل ترکیبی دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شده‌است. این رویکرد، معادلات ناویراستوکس گذرای میانگین‌گیری‌شده رینولدز (URANS) را با آنالوژی آکوستیکی فاکس ویلیامز–هاوکینگز (FW-H)، ترکیب می‌کند تا پس از شبیه‌سازی جریان آشفته، انتشار نویز میدان دور را پیش‌بینی کند. پروانه با سرعت دورانی ثابت 720n = دور بر دقیقه و سرعت پیشروی 1.3V = متر بر ثانیه کار می‌کند که منجر به ضریب پیش‌روی 0.49J = می‌شود. برای نقشه‌برداری دقیق از سطح فشار صوتی (SPL)، یک آرایه هیدروفونی شامل 144 گیرنده در حوزه محاسباتی جانمایی شدند. نتایج نشان داد که هیدروفون‌های میدان نزدیک به دلیل آشفتگی شدید، سطح فشار صوتی بالاتری را ثبت می‌کنند، در حالی که این مقادیر در میدان دور به دلیل افزایش فاصله و تضعیف آشفتگی کاهش می‌یابند. تحلیل طیفی بر اساس ۱۲ زاویه متفاوت نشان داد که اختلافات در هارمونیک دوم فرکانس عبور تیغه (2=k) نسبتاً اندک است. با این حال، در هارمونیک‌های سوم و چهارم، واگرایی زاویه‌ای افزایش می‌یابد و برخی زوایا مقادیر بالاتر یا پایین‌تر از مقدار میانگین با مقدار حداکثر 6 دسی‌بل را نشان می‌دهند. این تحقیق با فراهم آوردن داده‌های غنی درباره توزیع مکانی انتشار آکوستیکی، پایه‌ای محکم برای اعتبارسنجی مدل‌های نویز و توسعه فناوری‌هایی جهت بهینه‌سازی پیشرانه‌های دریایی و کاهش آلودگی صوتی زیر آب ایجاد می‌کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Tonal noise Directivity of the INSEAN E779A marine Propeller: Enhancing Prediction with High-Density Hydrophone Arrays

نویسندگان English

Mohammad Hosein Faraji
Hassan Lakzayi
Zeinab Pouransari
Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Underwater acoustic pollution generated by ship propellers is a significant environmental concern, making accurate prediction during the design phase crucial for mitigating negative impacts. This study investigates the hydroacoustic performance of the four-bladed INSEAN E779A marine propeller under non-cavitating conditions using a hybrid computational fluid dynamics (CFD) model. This approach combines unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) equations with the Ffowcs Williams–Hawkings (FW-H) acoustic analogy to simulate turbulent flow and subsequently predict the far-field noise propagation. The propeller operates at a constant rotational speed of n=720 RPM and an advance speed of V=1.3 m/s, resulting in an advance coefficient of J=0.49. To accurately map the sound pressure level (SPL), a hydrophone array comprising 144 receivers was strategically positioned within the computational domain. Results indicate that the near-field hydrophones record a higher SPL due to severe turbulence, while these values decrease in the far-field due to increased distance and turbulent dissipation. Spectral analysis based on 12 different angles revealed that discrepancies at the second blade-passing frequency harmonic (k=2) are relatively minor. However, at the third and fourth harmonics, angular divergence increases, with some angles showing maximum deviations of up to 6 decibels above or below the mean value. This research establishes a robust foundation for noise model validation and the development of technologies for optimizing marine propulsion systems to reduce underwater acoustic pollution by providing rich data on the spatial distribution of acoustic propagation

کلیدواژه‌ها English

The marine propeller (INSEAN E779A)
Hydroacoustic
Ffowcs Williams-Hawking (FW-H) analogy
High-density hydrophone arrays
[1] T. A. Smith and J. Rigby, “Underwater radiated noise from marine vessels: A review of noise reduction methods and technology,” Ocean Engineering, vol. 266, p. 112863, 2022. doi:10.1016/j.oceaneng.2022.112863.
[2] J.‑m. Ye, Y. Xiong, F. Li, and Z.‑z. Wang, “Numerical prediction of blade frequency noise of cavitating propeller,” Journal of Hydrodynamics, vol. 24, no. 3, pp. 371-377, 2012. doi:10.1016/S1001‑6058(11)60264‑7.
[3] S. Sezen and Ö. K. Kinaci, “Incompressible flow assumption in hydroacoustic predictions of marine propellers,” Ocean Engineering, vol. 186, p. 106138, 2019. doi:10.1016/j.oceaneng.2019.106138.
[4] C. Testa, F. Porcacchia, R. Muscari, and L. Greco, “Noise field properties of marine propellers in open water,” Ocean Engineering, vol. 288, p. 116194, 2023. doi:10.1016/j.oceaneng.2023.116194.
[5] A. Nazeer, N. B. Khan, E. Uddin, M. Jameel, O. Al‑Abbasi, Q. Wu, A. Munir, and H. Shahid, “Hydrodynamic and hydro acoustic analysis of marine propeller in off design flow conditions,” PLOS ONE, vol. 20, no. 3, p. e0320435, 2025. doi:10.1371/journal.pone.0320435.
[6] C. Testa, S. Ianniello, and F. Salvatore, “A Ffowcs Williams and Hawkings formulation for hydroacoustic analysis of propeller sheet cavitation,” Journal of Sound and Vibration, vol. 413, pp. 421–441, 2018. doi:10.1016/j.jsv.2017.11.028.
[7] M. Felli and M. Falchi, “Propeller wake evolution mechanisms in oblique flow conditions,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 845, pp. 520–559, 2018. doi:10.1017/jfm.2018.204.
[8] F. Salvatore, F. J. Alves Pereira, M. Felli, D. Calcagni, and F. Di Felice, “Description of the INSEAN E779A propeller experimental dataset,” Zenodo, 2006. doi:10.5281/zenodo.51444.
[9] F. Porcacchia, G. Dubbioso, R. Muscari, and C. Testa, “Effects of flow incidence on propeller underwater radiated noise,” Physics of Fluids, vol. 37, no. 1, 2025. doi:10.1063/5.0214760.
[10] S. Sezen and M. Atlar, “Marine propeller underwater radiated noise prediction with the FWH acoustic analogy Part 1: Assessment of model‑scale propeller hydroacoustic performance under uniform and inclined flow conditions,” Ocean Engineering, vol. 279, p. 114552, 2023. doi:10.1016/j.oceaneng.2023.114552.
[11] Ianniello, S. “The hydroacoustic FWH- based analysis of the E779A propeller in open water and in wake field”. Marine Technology Society Journal, 50(4), 56-70, 2016.
[12] Gaggero, S., Rizzuto, E., & Villa, D “Numerical prediction of the underwater noise of a marine propeller in wake field”. Ocean Engineering, 108, 770-784, 2015.
[13] Wei, Y., Wang, Y., & Zhu, X. “Numerical simulation of the underwater noise of a marine propeller.” Journal of Hydrodynamics, 24(3), 371-377,2012.
[14]STAR‑CCM+, “Siemens PLM Software official documentation,” 2017. [Online]. Available: https://mdx.plm.automation.siemens.com/star‑ccm‑plus.
[15] M. S. Howe, Acoustics of Fluid–Structure Interactions. Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 1998. doi: 10.1017/CBO9780511551624.
[16] F. Farassat and M. K. Myers, “Extension of Kirchhoff’s formula to radiation from moving surfaces,” Journal of Sound and Vibration, vol. 123, no. 3, pp. 451–460, 1988. doi: 10.1016/S0022-460X(88)80236-8.
[17] M. R. Bagheri, M. S. Seif, H. Mehdigholi, and O. Yaakob, “Analysis of noise behaviour for marine propellers under cavitating and noncavitating conditions,” Ships and Offshore Structures, vol. 12, no. 6, pp. 1–8, 2017. doi: 10.1080/17445302.2017.1369334