浸没式排气的流动与声特性及其降噪方法研究

发布时间：2018-03-24 16:46

本文选题：浸没式排气　切入点：水下排气　出处：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：浸没式排气是指液体环境下的排气过程,该过程通常伴随着复杂的流动现象和强烈的噪声辐射。工业领域常见的鼓泡、曝气、射流搅拌等过程均属于浸没式排气。在这些领域中,通过声学测量手段获取流场信息的技术已逐步显示出巨大的优势,成为现今研究的热点。而在水下装备领域,采用热动力驱动的水中航形体,如船舶、潜艇、鱼雷和水下探测器等,其动力装置产生的废气向液体环境排放的过程也属于浸没式排气。该过程产生的噪声不仅会干扰己方通讯功能、破坏装备的隐蔽性,还会对水下生态环境造成干扰和污染。因此如何抑制浸没式排气噪声长期以来是该领域的重要课题。无论从应用还是抑制的角度出发,研究浸没式排气噪声的来源与成因并找到有效的控制方法都具有广泛的应用价值和重要的指导意义。本文针对浸没式排气过程,采用丰富的实验分析和数值模拟手段,系统地研究了不同条件下浸没式排气的流动与噪声变化规律,揭示了各频段噪声的主要来源及发声机理。在此基础上提出了通过调节管口流动控制噪声的方法,并据此设计了一种带有波瓣型尾缘的喷管,研究了这种喷管对流动与声特性的影响及其降噪原理。进一步地,针对浸没式排气噪声的产生机理提出了多种降噪方案,并通过实验手段进行了分析和论证,提炼出了可行的降噪途径。本文的主要贡献在于认识了大孔径、高流量工况下的浸没式排气流动规律；提出以颈缩现象为节点统计流动规律的方法,实现了对气泡流和射流的跨流态规律性分析。在噪声机理的研究中,范围涵盖了气泡流和以往认识很少的射流,通过大量的实验与分析认清了浸没式排气噪声的构成,并找到了各频段噪声的主要来源及主控因素。在降噪方法研究中,提出的降噪方案在预期频段上取得了良好的效果,印证了噪声机理认识上的正确性和相应降噪方法的可行性。论文的主要内容包括以下几个方面：(1)设计和建立了浸没式排气实验系统。所设计的实验系统实现了参数的稳定可控,并易于扩展,满足了浸没式排气流动与声特性的测试需求。提出了一种能够精确提取流场信息的图像采集方案和后处理方法,以及一种实现高精度多信号同步采集的方案。(2)针对大孔径、高流量、宽气速范围的浸没式排气流动进行了实验研究。分析了不同操作条件下气液两相流动的周期性和随机性,以及流态的区分准则和转变判据。发现不同流态下流动行为所具有共性规律,并将其总结为交替发生的颈缩与膨胀现象。采用统计分析的方法,研究了操作条件对膨胀时间的影响,以及颈缩位置的随机性对流动不稳定性的贡献。(3)对浸没式排气的声特性进行了实验研究。基于频谱分析方法,讨论了浸没式排气过程中各种流动现象对频谱的贡献,并找到了各频段噪声的主要来源。研究了操作条件对各频段噪声的影响,并重点分析浸没式排气的低频噪声特性,发现了颈缩现象激发大尺寸气泡振动的发声机理,由此解释了低速气泡流和高速射流工况下强低频噪声的主要成因。(4)提出基于管口特殊结构调制管口流动和抑制噪声的方法。基于该思路设计了一种波瓣喷管,通过数值模拟和实验研究其对浸没式排气流动、噪声以及压力脉动的影响,并解释了波瓣喷管产生降噪效果的机理。试验结果表明波瓣喷管能够提高射流的连续性,缓解颈缩现象所导致的压力脉动,并能显著降低中低频噪声：在与DN20喷管的对比测试中,波瓣喷管在10-4600 Hz频段具有3.3-8.6 dB的降噪效果。(5)从浸没式排气噪声产生机理出发提出了多种降噪方案,包括多孔喷射方案、穿孔管方案和主动掺水方案,并对各方案的降噪效果进行了试验验证。通过结果的分析和讨论,总结出了浸没式排气的降噪途径和指导原则。本文针对浸没式排气噪声控制问题,以水下排气为实例研究了浸没式排气流动与声特性,形成了对该工况下噪声产生机理的认识,提出了水下排气噪声控制方案,并试验验证了降噪效果。本文的研究内容和结论可为浸没式排气降噪结构设计提供理论和技术支撑。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535

【相似文献】