水下气体喷射噪声特性的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 流体机械 学术会议论文 编号：097070 水下气体喷射噪声特性研究 郝宗睿 王乐勤 吴大转 刘锦涛 戴维平 （浙江大学化工机械研究所 310027 杭州） Tel ：0571 Email ：haozr001@ 摘要：水下气体喷射形成了复杂气液流场，同时伴有频带宽、声压大的排气噪声产生。为研究水下排 气流动状态与声压频谱之间的关系，建立水下排气噪声测试系统对水下排气形成的两相流场和排气噪 声频谱进行了试验研究。结果表明随着排气速度的逐渐增大，排气形成的两相流场由气泡流态过渡为 射流流态。伴随着流态的转换，气液边界面附近不稳定，形成大量体积较小气泡，这些小气泡在排气 形成的湍流场激振作用下产生共振，从而辐射噪声；另一方面，这些气泡体积小，表面张力大，当多 个气泡相互作用以及气泡形态发生变化时将释放出更高的能量，这些能量会辐射形成噪声；喷射流场 的流态对水下排气噪声中频段声压峰值有较大的影响。当射流场由气泡流态过渡为射流流态后，2kHz 处对应的声压峰值呈非线性增大。 关键词：水下喷射；气液两相流；气泡流态；射流流态；排气噪声 0 引 言 一些水下装置运行时产生高温、高压废气，经排气管高速喷射进入水中，产生频带 宽，声压大的排气噪声，严重的影响了水下装置的性能指标。由于水下气体喷射的气液 流场比空气中气体射流场复杂的多，水下气体喷射噪声机理也不同于空气中气体喷射噪 声机理。当水下低速排气时，气泡由于体积振动发出的噪声可以通过理论计算得到，而 在高速气体喷射时，由于气泡间相互作用，产生中低频噪声，声学信号不规则，难以通 过理论计算得到，大多只能借助于试验测试[1-3] 。 上世纪70 年中期，Gavigan、Watson 和king[4]在水洞所作的测量证明，当气体喷入 运动的湍流场中时，喷气流辐射的噪声主要受排气量和排气管口尺寸控制，在喷射形成 的湍流中，气泡破裂和消失可能是水下喷射产生噪声的主要机理。张文平等人[5]利用柴 油机在静水池中进行了水下排气噪声的实验研究，比较了脉动排气与稳定排气状态下水 下排气噪声在频域的频谱特征和规律，发现即使脉动气流的平均流速和稳定气流流速相 同，脉动气流噪声也比稳定气流水下排气噪声的声压级高。马宪国[6]对蒸汽水下喷注噪 声进行了理论和试验研究，发现蒸汽水下喷注噪声的主要声源是由于气泡破裂过程产生 的压力脉动波所引起，而射流中的速度剪切以及湍流产生的噪声是次要的，并且水温对 噪声的声压级和频率影响显著。Li[7]通过试验研究了不同喷射速度和喷口直径对水下气 体喷射噪声影响，发现气速与噪声的声压级存在非线性的关系，在低于某一临界喷射速 度时，喷口直径是影响噪声大小的一个主要因素，大直径的喷口会产生更强烈的噪声， 但是在超过临界喷射速度后，噪声的频率带增大，喷射速度成为影响噪声的频率的主要 因素。 基金项目：教育部高校博士点基金资助项目（No.20070335006 ） 为了进一步研究水下排气噪声频谱特性，揭示水下射流场流动形态与水下排气噪声 的声压峰值之间的关系，通过试验观测以及噪声测量的方法，对水下排气形成的射流场 和辐射噪声进行了研究。 1 试验测试装置 为研究水下排气形成的两相流动状态与气体喷射产生的噪声频谱特性的关系，建立 了水下喷射噪声试验台，分别对不同气体流量下喷射流场和声压进行了拍摄和测量，结 合观测到的两相射流场的流动状态对不同频段噪声进行了分析。图1 给出水下噪声试验 系统示意图，水箱尺寸为 1.50m×1.50m×3.0m，水听器分别安装在排气管口的前后， 为保证试验时稳定气源，采用0.80m3 气罐供气。试验前使用空压机将气罐内压力增加值 0.85MPa ，调节阀门控制流量，测试中示波器的采样频率为 51.2kHz 。试验测试系统如 图2 所示。水听器为RHS-30 标准水听器，其工作频率范围为20Hz-50kHz ，低频接收灵 敏度为-193dB，最大工作深度为500m，若以排气管口为坐标原点，水听器 1 的坐标为 （1.10m，0.30m，0.70m ），水听器2 的坐标为（-1.10m，0.30