浸沒(méi)式排氣的流動(dòng)與聲特性及其降噪方法研究.pdf

1、浸沒(méi)式排氣是指液體環(huán)境下的排氣過(guò)程，該過(guò)程通常伴隨著復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象和強(qiáng)烈的噪聲輻射。工業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的鼓泡、曝氣、射流攪拌等過(guò)程均屬于浸沒(méi)式排氣。在這些領(lǐng)域中，通過(guò)聲學(xué)測(cè)量手段獲取流場(chǎng)信息的技術(shù)已逐步顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)。而在水下裝備領(lǐng)域，采用熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的水中航形體，如船舶、潛艇、魚雷和水下探測(cè)器等，其動(dòng)力裝置產(chǎn)生的廢氣向液體環(huán)境排放的過(guò)程也屬于浸沒(méi)式排氣。該過(guò)程產(chǎn)生的噪聲不僅會(huì)干擾已方通訊功能、破壞裝備的隱蔽性，還會(huì)對(duì)水下

2、生態(tài)環(huán)境造成干擾和污染。因此如何抑制浸沒(méi)式排氣噪聲長(zhǎng)期以來(lái)是該領(lǐng)域的重要課題。無(wú)論從應(yīng)用還是抑制的角度出發(fā)，研究浸沒(méi)式排氣噪聲的來(lái)源與成因并找到有效的控制方法都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和重要的指導(dǎo)意義。
　　本文針對(duì)浸沒(méi)式排氣過(guò)程，采用豐富的實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)地研究了不同條件下浸沒(méi)式排氣的流動(dòng)與噪聲變化規(guī)律，揭示了各頻段噪聲的主要來(lái)源及發(fā)聲機(jī)理。在此基礎(chǔ)上提出了通過(guò)調(diào)節(jié)管口流動(dòng)控制噪聲的方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種帶有波瓣型尾緣的噴

3、管，研究了這種噴管對(duì)流動(dòng)與聲特性的影響及其降噪原理。進(jìn)一步地，針對(duì)浸沒(méi)式排氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理提出了多種降噪方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了分析和論證，提煉出了可行的降噪途徑。本文的主要貢獻(xiàn)在于認(rèn)識(shí)了大孔徑、高流量工況下的浸沒(méi)式排氣流動(dòng)規(guī)律;提出以頸縮現(xiàn)象為節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)流動(dòng)規(guī)律的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣泡流和射流的跨流態(tài)規(guī)律性分析。在噪聲機(jī)理的研究中，范圍涵蓋了氣泡流和以往認(rèn)識(shí)很少的射流，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與分析認(rèn)清了浸沒(méi)式排氣噪聲的構(gòu)成，并找到了各頻段噪聲的主

4、要來(lái)源及主控因素。在降噪方法研究中，提出的降噪方案在預(yù)期頻段上取得了良好的效果，印證了噪聲機(jī)理認(rèn)識(shí)上的正確性和相應(yīng)降噪方法的可行性。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)設(shè)計(jì)和建立了浸沒(méi)式排氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的穩(wěn)定可控，并易于擴(kuò)展，滿足了浸沒(méi)式排氣流動(dòng)與聲特性的測(cè)試需求。提出了一種能夠精確提取流場(chǎng)信息的圖像采集方案和后處理方法，以及一種實(shí)現(xiàn)高精度多信號(hào)同步采集的方案。
　　(2)針對(duì)大孔徑、高流量、

5、寬氣速范圍的浸沒(méi)式排氣流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了不同操作條件下氣液兩相流動(dòng)的周期性和隨機(jī)性，以及流態(tài)的區(qū)分準(zhǔn)則和轉(zhuǎn)變判據(jù)。發(fā)現(xiàn)不同流態(tài)下流動(dòng)行為所具有共性規(guī)律，并將其總結(jié)為交替發(fā)生的頸縮與膨脹現(xiàn)象。采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究了操作條件對(duì)膨脹時(shí)間的影響，以及頸縮位置的隨機(jī)性對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。
　　(3)對(duì)浸沒(méi)式排氣的聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?；陬l譜分析方法，討論了浸沒(méi)式排氣過(guò)程中各種流動(dòng)現(xiàn)象對(duì)頻譜的貢獻(xiàn)，并找到了各頻段噪聲的主要來(lái)源

6、。研究了操作條件對(duì)各頻段噪聲的影響，并重點(diǎn)分析浸沒(méi)式排氣的低頻噪聲特性，發(fā)現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象激發(fā)大尺寸氣泡振動(dòng)的發(fā)聲機(jī)理，由此解釋了低速氣泡流和高速射流工況下強(qiáng)低頻噪聲的主要成因。
　　(4)提出基于管口特殊結(jié)構(gòu)調(diào)制管口流動(dòng)和抑制噪聲的方法?；谠撍悸吩O(shè)計(jì)了一種波瓣噴管，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究其對(duì)浸沒(méi)式排氣流動(dòng)、噪聲以及壓力脈動(dòng)的影響，并解釋了波瓣噴管產(chǎn)生降噪效果的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明波瓣噴管能夠提高射流的連續(xù)性，緩解頸縮現(xiàn)象所導(dǎo)致的壓力

7、脈動(dòng)，并能顯著降低中低頻噪聲:在與DN20噴管的對(duì)比測(cè)試中，波瓣噴管在10-4600 Hz頻段具有3.3-8.6 dB的降噪效果。
　　(5)從浸沒(méi)式排氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)提出了多種降噪方案，包括多孔噴射方案、穿孔管方案和主動(dòng)摻水方案，并對(duì)各方案的降噪效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)結(jié)果的分析和討論，總結(jié)出了浸沒(méi)式排氣的降噪途徑和指導(dǎo)原則。
　　本文針對(duì)浸沒(méi)式排氣噪聲控制問(wèn)題，以水下排氣為實(shí)例研究了浸沒(méi)式排氣流動(dòng)與聲特性，形成了對(duì)該工