水下航行器一般采用热动力装置驱动,其运行过程中需要将产生的废气排入水中。水下排气由于存在两相流,其复杂的流动特性导致在排气过程中会产生剧烈的排气噪声,影响航行器的隐蔽性同时还会干扰水下探测器性能[1]。
为研究水下排气噪声机理和规律,许多学者开展了理论和试验研究[2-4]。水下排气过程中气体在气液分界面主要有单气泡、连续气泡和射流三种形态,如图1所示。连续气泡和射流[1]在气体自身浮力和流体作用力下破碎成单个气泡。柴油机、斯特林热气机等排放废气时一般为连续气泡形态。
苗天承[5]认为水下排气噪声主要由单相排气噪声(气动噪声、机械噪声等)、气泡噪声(气泡破碎、合并、形变等)以及边界噪声(气液两相间作用)构成,其中单相排气噪声以中高频为主,气泡噪声在低频和高频段较强,边界噪声频率主要分布在中低频段,排气噪声以300 Hz以下的低频噪声为主。
郝宗睿等[6]研究水下排气噪声主要来自于气泡的相互作用和喷射气体形成的湍流,而从排气口脱落气泡的尺寸是影响水下辐射噪声大小的主要因素。
基于以上成果,本文以细化气泡尺寸为切入点,提出微气泡降噪技术,并开展水下排气降噪试验研究。
1 微气泡降噪技术 1.1 微气泡方案水下排气为气液两相流,其流动行为的复杂性决定了噪声成分的复杂性。已有的研究成果表明,水下排气时,气泡的形成、合并和破裂都会产生较大的辐射噪声。根据Minnaert频率公式,气泡噪声频率与气泡物理特征的关系见下式:
$ f = \frac{1}{{2{\text{π}} R}}\sqrt {\frac{{3\gamma {P_l}}}{{{\rho _l}}}}{\text{。}} $ | (1) |
式中:
可知,当外界环境相同时,尽可能减小气泡半径,可以将气泡频率向高频移动。为方便分析噪声贡献,一般将水下排气噪声分为3个频段,其中0~300 Hz为低频段,300~1000 Hz为中频段,1000 Hz以上为高频段。
气泡在形成过程中受浮力、重力、表面张力等作用,气流速率较小时,忽略液体粘性作用,气泡受力可以表示为:
$ \frac{4}{3}\text{π} {R^3}{\rho _l}g - \frac{4}{3}\text{π} {R^3}{\rho _g}g = \text{π} {D_0}\sigma {\text{。}}$ | (2) |
式中:
由式(2)可得气泡半径为:
$ R = {\left( {\frac{{3{D_0}\sigma }}{{4\left( {{\rho _l} - {\rho _g}} \right)g}}} \right)^{\frac{1}{3}}}{\text{。}} $ | (3) |
可知,气泡半径
气流速率较大时,气泡受力主要取决于惯性力和粘性力,根据气泡两阶段模型,气泡的最终体积为:
$ V = {V_e} + Q{\tau _f} {\text{。}}$ | (4) |
式中:
根据褚开星等[7]的数值仿真分析,排气口直径相同时,气体流速与生成气泡体积呈正相关关系;相同气体流速下,排气口直径与生成的气泡体积呈正相关关系。因此,为减小生成气泡的尺寸,减缓气泡汇聚合并、破裂,可以通过以下方法细化气泡:
1)减小排气管口直径,采用小孔径多孔排气;
2)降低管口气体流速,减小气泡膨胀阶段体积;
3)采用水流冲刷,减小气泡脱离时间;
4)合理设计流道,减小气泡运动时的阻力,防止出现明显的气泡汇聚。
1.2 气泡细化装置为了使排出气体入水后形成微小气泡,设计1种气泡细化装置。气泡细化装置主要由装置壳体、曝气部件等组成,如图2所示。气体通过进气口进入气泡细化装置,然后通过曝气部件表面的微小气孔排出。水流通过进水口进入气泡细化装置,经装置壳体和曝气管之间形成的流道流出。曝气部件表面微小气孔的孔径平均为80~100 µm。当气体流量小于30 m3/h时(标准大气压下),气体入水主要以单气泡形态为主,形成的气泡直径小于4 mm。
水下排气试验原理示意图如图3所示,试验装置主要由水下框架平台、气泡细化装置、二氧化碳气瓶组、水箱、流量计、减压阀等组成,二氧化碳气瓶组可以提供不小于80 m3/h的气体流量(标准大气压下)。为减小机械振动对试验的干扰,试验供水采用气压水的方式,供气和供水管采用软管与气泡细化装置连接。
为减小试验水池边界声波反射带来的混响干扰,整个试验在开放水域开展。水面试验设施布置于试验船上。水下部分通过试验船吊车下沉到水下20 m,通过供气、供水软管与水面部分相连接。
2.2 试验参数为分析气泡细化对水下排气声噪声的影响,试验工况如表1所示。为方便比较微气泡排气方案的降噪效果,设计1组对比组进行试验。
由于曝气管表面微孔的孔径为一个范围,难以计算每个微孔处的气体流速,为方便比较,以气体流量来表征排气孔处的气体流速。
3 试验结果及分析图4~图6、图8~图9给出各组试验与对比组的声压差值曲线。由图4可知,气体流量分别为15 m3/h,30 m3/h,40 m3/h,70 m3/h时,排气噪声逐渐增大。具体到频域,低频段排气噪声随流量增大而增大,中频段的排气噪声随着流量增大略微增大,在高频段,流量和噪声变化的相关性不明显。
由曲线1-2可知,采用细化气泡装置排气气体流量为30 m3/h时,0~300 Hz低频段的声压级相较于大直径喷管直接排气降低10 dB以上,说明微气泡排气方案降噪效果明显。
分别对比图5和图6曲线,在排气流量相同情况下,加装导流顶罩后排气噪声增大。排气流量15 m3/h时,中低频段声压级增加10 dB左右,排气流量30 m3/h时,中低频段声压级增加20 dB以上。
加装导流顶罩减小了排气通流面积,当排气流量相同时,气体以微小气泡型式进入水中。由于上浮运动受阻,多个气泡在运动过程中汇聚成大气泡,大气泡在上浮过程中容易破裂,主要体现为中低频噪声。
细化气泡装置出口加装导流顶罩时气泡如图7(a)所示。气泡在浮出水面时的尺寸较大,气泡发生了明显的汇聚,直径约为6~8 mm。细化气泡装置出口不含导流顶罩时气泡如图7(b)所示。气泡在浮出水面时的尺寸较小,直径约为2~3 mm。
对比图8曲线,排气流量15 m3/h时,向细化气泡装置通入4 m3/h的水流,中低频段声压级降低1~2 dB。对比图9曲线,排气流量30 m3/h时,向细化气泡装置通入4 m3/h的水流,中低频段声压级降低10~20 dB。
排气流量小时生成气泡密度小,多个小气泡在生成、运动过程中会发生部分汇聚,引入水流冲刷后,加快了气泡运动速率,减少气泡汇聚和破裂,对降低排气噪声有着积极的作用。
排气流量大时生成气泡密度较大,多个小气泡在生成、运动过程中不断重复“汇聚—破裂—汇聚—破裂”过程,引入水流冲刷后,加快了气泡运动速率,大大减少了气泡在运动过程中的汇聚和破裂,因而在排气流量较大时采用水流冲刷对排气过程的降噪效果更为明显。
4 结 语本文采用微气泡的水下排气降噪技术,设计了气泡细化试验装置,并开展了排气噪声试验。试验结果表明:
1)减小排气管口直径,采用小孔径多孔排气以减小排气生成的气泡尺寸,可以明显降低水下排气噪声,相较于直接排气可降低10 dB以上;
2)排气出口气体入水流速越小,排气噪声越小,特别是在低频段,排气噪声与气体入水流速存在正相关关系;
3)采用水流冲刷和增大排气流道通流面积,可以降低气泡形成和运动过程中的汇聚、破裂,使气泡保持微小单气泡状态,有助于降低排气噪声。
[1] |
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苗天承. 浸没式排气的流动与声特性及其降噪方法研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.
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郝宗睿, 王乐勤, 吴大转, 等. 喷管尺寸对水下喷气噪声特性影响的研究[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(6): 949–952.
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