浸沒式排氣的流動與聲特性及其降噪方法研究.pdf

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

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

3、管，研究了這種噴管對流動與聲特性的影響及其降噪原理。進一步地，針對浸沒式排氣噪聲的產(chǎn)生機理提出了多種降噪方案，并通過實驗手段進行了分析和論證，提煉出了可行的降噪途徑。本文的主要貢獻在于認識了大孔徑、高流量工況下的浸沒式排氣流動規(guī)律;提出以頸縮現(xiàn)象為節(jié)點統(tǒng)計流動規(guī)律的方法，實現(xiàn)了對氣泡流和射流的跨流態(tài)規(guī)律性分析。在噪聲機理的研究中，范圍涵蓋了氣泡流和以往認識很少的射流，通過大量的實驗與分析認清了浸沒式排氣噪聲的構(gòu)成，并找到了各頻段噪聲的主

4、要來源及主控因素。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，印證了噪聲機理認識上的正確性和相應(yīng)降噪方法的可行性。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　(1)設(shè)計和建立了浸沒式排氣實驗系統(tǒng)。所設(shè)計的實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了參數(shù)的穩(wěn)定可控，并易于擴展，滿足了浸沒式排氣流動與聲特性的測試需求。提出了一種能夠精確提取流場信息的圖像采集方案和后處理方法，以及一種實現(xiàn)高精度多信號同步采集的方案。
　　(2)針對大孔徑、高流量、

5、寬氣速范圍的浸沒式排氣流動進行了實驗研究。分析了不同操作條件下氣液兩相流動的周期性和隨機性，以及流態(tài)的區(qū)分準則和轉(zhuǎn)變判據(jù)。發(fā)現(xiàn)不同流態(tài)下流動行為所具有共性規(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)計分析的方法，研究了操作條件對膨脹時間的影響，以及頸縮位置的隨機性對流動不穩(wěn)定性的貢獻。
　　(3)對浸沒式排氣的聲特性進行了實驗研究?；陬l譜分析方法，討論了浸沒式排氣過程中各種流動現(xiàn)象對頻譜的貢獻，并找到了各頻段噪聲的主要來源

6、。研究了操作條件對各頻段噪聲的影響，并重點分析浸沒式排氣的低頻噪聲特性，發(fā)現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象激發(fā)大尺寸氣泡振動的發(fā)聲機理，由此解釋了低速氣泡流和高速射流工況下強低頻噪聲的主要成因。
　　(4)提出基于管口特殊結(jié)構(gòu)調(diào)制管口流動和抑制噪聲的方法?；谠撍悸吩O(shè)計了一種波瓣噴管，通過數(shù)值模擬和實驗研究其對浸沒式排氣流動、噪聲以及壓力脈動的影響，并解釋了波瓣噴管產(chǎn)生降噪效果的機理。試驗結(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，并能顯著降低中低頻噪聲:在與DN20噴管的對比測試中，波瓣噴管在10-4600 Hz頻段具有3.3-8.6 dB的降噪效果。
　　(5)從浸沒式排氣噪聲產(chǎn)生機理出發(fā)提出了多種降噪方案，包括多孔噴射方案、穿孔管方案和主動摻水方案，并對各方案的降噪效果進行了試驗驗證。通過結(jié)果的分析和討論，總結(jié)出了浸沒式排氣的降噪途徑和指導(dǎo)原則。
　　本文針對浸沒式排氣噪聲控制問題，以水下排氣為實例研究了浸沒式排氣流動與聲特性，形成了對該工