不同噴嘴結構的水射流噪聲分析

吳小兵， 王久法， 張曉宇

(1.海軍研究院， 北京 100161； 2.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國船舶集團公司第710研究所,湖北 宜昌 443003； 4.南開大學 人工智能學院， 天津 300350)

反水雷裝備作為清除水雷障礙的特有武器，對于海上安全具有重要的支撐和保障作用，作為反水雷的主要手段之一，掃雷采用聲、磁掃雷具模擬艦船物理場誘爆水雷。當前，國內外典型聲掃雷具尺寸和重量都較大、功率需求高、系統(tǒng)復雜[1]。隨著無人平臺技術在反水雷領域的逐步應用，需要一種新型驅動源的輕小型發(fā)聲器來適應USV等小型平臺的需求，同時還能夠作為高速掃雷聲源，用于直升機掃雷。基于傳統(tǒng)掃雷具只能裝備于專業(yè)反水雷艦艇的局限性，迫切需要研制重量輕、體積小、系統(tǒng)簡單的小型掃雷具，以適應艦船、直升機等不同平臺的搭載需求[2-3]。應用噴流技術模擬艦船輻射噪聲是反水雷技術的一次創(chuàng)新。高壓海水從旋轉噴頭噴出時可產生強大的噴流噪聲，其峰值頻率與噴頭旋轉頻率一致。通過調節(jié)高壓水泵的輸出壓力、噴嘴的直徑及旋轉頻率，可對不同頻譜特性的聲源進行模擬。采用此方法，可實現掃雷聲源的輕量化和小型化，為后期發(fā)展小型化反水雷裝備提供技術支撐。諸多學者以Lighthill聲比擬理論為理論基礎開展了噴流噪聲的研究，取得了大量的研究成果。Willams[4]分析了噴流聲源遷移效應與輻射噪聲指向性之間的關系。Lilley[5]采用線化Euler方程，獲得了包含流場散射效應的方程。Tam等[6-7]采用漸進匹配展開以及穩(wěn)定性分析等方法，對超音速噴流所產生的噪聲進行分析。汪海洋等[8-9]通過試驗比較了標準、V槽、三角凸臺等不同形式噴嘴結構的噴流噪聲，并提出了噪聲控制方法。楊樹人等[10]分析了空化射流空化效果與噴嘴結構之間的關系。常書平等[11]利用穩(wěn)態(tài)多參考系，采用不同的湍流模型對噴水流場進行了數值仿真計算。劉永偉等[12]采用有限元法分析水射流噪聲與來流速度間的關系，并開展了相關試驗測試。程廣利等[13]開展了消聲水池測試試驗，研究了不同流速條件下水射流輻射噪聲規(guī)律。Wang等[14]研究了射流孔的位置、流量等變化對空化的影響規(guī)律。上述研究均以控制和降低噴流噪聲為基本目的開展。如將該技術用于掃雷，反而期望在體積、重量、輸入壓力等限制條件下，盡可能提升噴流噪聲。其中，噴嘴作為噴流聲源的關鍵執(zhí)行元件，直接影響著水射流的流體動力特性以及輻射噪聲的頻譜特性。在應用到反水雷領域時，噴流聲源輻射噪聲的頻譜特性直接關系到掃雷的有效性。因此，為提升噴流聲源的掃雷性能，研究各種結構形式的噴嘴水射流輻射噪聲特性具有重要的意義。

本文在前人研究成果的基礎上，以流體力學、計算流體力學、水射流理論及數值仿真理論等為基礎，建立了風琴管形、角形以及圓柱形等不同噴嘴結構的水射流的流體動力學模型，并基于Lighthill聲比擬理論，建立了水射流的噪聲理論模型，分析不同噴嘴結構對流場壓力輻射噪聲的影響規(guī)律。

1 噴嘴結構及噴流的流體動力模型

噴流聲源的工作原理為高壓水流過噴嘴時會產生較強的輻射噪聲。當噴嘴結構發(fā)生變化時，高壓水射流的運動也隨之發(fā)生變化，進而影響噴流聲源的輻射噪聲特性。

本文研究的噴嘴結構幾何模型如圖1～3所示，根據其結構形式依次命名為風琴管形噴嘴、角形空化噴嘴以及圓柱形噴嘴。風琴管形噴嘴與其他噴嘴相比沒有收縮角，因此噴嘴內部階躍水流對噴嘴壁面的壓力較大；角形空化噴嘴相比于圓柱形噴嘴在圓柱段后面加入了擴散角，該噴嘴利用出口擴散段形狀的改變，從而加劇射流和周圍液體之間的剪切作用；圓柱形噴嘴在圓錐形噴嘴后面加了一段圓柱段，該段可加強噴嘴對水流層的匯聚效果。

風琴管形噴嘴的尺寸參數如圖1所示：入口直徑d1=22 mm，風琴口直徑d2=7 mm，噴嘴各處內徑分別為d3=2.1 mm，d4=4.5 mm，d5=5.5 mm，出口處擴散角β=90°，風琴管軸向長度L1=50 mm，噴嘴長L2=7 mm，擴散角軸向長度L3=4.5 mm。

圖1 風琴管形噴嘴的結構參數Fig.1 The size parameters of the tubular nozzle

角形空化噴嘴的尺寸參數如圖2所示：入口直徑d1=10 mm，入口處收縮角α=14°，出口處擴散角β=60°，其軸向長度L3=1.5 mm，噴嘴內徑d2=1.8 mm，噴嘴長L2=4.5 mm。

圖2 角形空化噴嘴的結構參數Fig.2 The size parameters of the angular cavitation nozzle

圓柱形噴嘴的尺寸參數如圖3所示：入口直徑d1=6 mm，噴嘴內徑d2=1.8 mm，入口處收縮角α=40°，噴嘴總長度L1=30 mm，噴嘴圓柱段長度L2=3 mm。

圖3 圓柱形噴嘴的結構參數Fig.3 The size parameters of the tubular nozzle

水介質具有一定的粘性，水射流從噴嘴射出后，會迅速與周圍的海水介質相互作用，使水射流的邊界逐漸變大，即水射流從噴嘴噴出后會以錐形狀進行擴散。至一定距離后，水射流與周圍水介質的作用將逐漸變小，直至消失。噴嘴水射流的運動由流體力學3個基本運動控制方程得到，對于不可壓縮性的海水流體，其連續(xù)性方程為：

(1)

不可壓縮性流體的N-S方程為：

(2)

式中：ux、uy、uz分別為流體質點沿x軸、y軸、z軸的速度；X、Y、Z分別為沿x軸、y軸、z軸的外力；p為壓強；ρ為液體的密度；ν為動力粘度。

由于噴嘴中的流體運動狀態(tài)為湍流，還需要考慮湍流的控制方程。湍流模型中標準k-ε模型有較高的穩(wěn)定性、經濟性和計算精度，適用范圍較大，通過以往的研究可知，標準k-ε模型可用于噴嘴水射流運動中。

k方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

ε方程為：

(4)

(5)

式中：Gb和YM均取值為0；C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數，分別取值為1.44、1.92、0.9；σk是與湍動能對應的普朗特數，取值為1.3；σε是與散耗率對應的普朗特數，取值為1.0。μt為湍流黏度，可以表示成湍動能和散耗率的函數 0.9ρk2/ε。

2 水射流噪聲理論

高速水射流流場為強湍流運動，因此會產生較強的湍流噪聲；同時，噴嘴橫截面積急劇變小時，水流流速隨之快速增加。根據伯努利方程可知，流體壓強也會隨之急劇下降。當流體壓強下降到低于該溫度條件下液體的飽和蒸汽壓時，液體會產生空化氣泡；當空化氣泡破裂時，會產生空化噪聲。空化噪聲屬于脈動源(單極子)類型，聲強主要集中在高頻段，一般在幾千至幾十萬赫茲頻段范圍內。

聲掃雷具主要用于模擬艦船輻射噪聲，在遠離水雷處誘爆水雷，保護艦船的安全。高頻聲在海水中的衰減較快，難以傳播到較遠的距離；同時，艦船正常航行時，其輻射噪聲的能量主要集中在低頻段，高頻段的能量相對較小。因此，在設計噴流式聲掃雷具時，研究人員更關心低頻段的輻射噪聲，以實現低頻段輻射噪聲特征與艦船相似。綜合考慮上述因素，本文暫不考慮空化噪聲的影響，而將關注點集中到湍流噪聲上。

Lighthill聲比擬理論是所有湍流噪聲理論的基礎，本文在此基礎上，結合渦聲理論，建立風琴管形噴嘴、角形空化噴嘴以及圓柱形噴嘴的湍流噪聲理論模型。

根據質量守恒定律，可以得到：

(6)

式中u為流體質點的速度。由于在穩(wěn)態(tài)噴射過程中，不存在外力作用，因此外力X、Y、Z均為0。

將式(2)代入式(6)，并忽略高階小量，可得到：

(7)

式中：c0為液體的聲速；ω為渦量。

在自由空間條件下，遠場處的聲壓可表示為：

(8)

式中：G(x,t;y,τ)為Green函數；d為相對距離；q=ρ·divL；L=ω×u。

將噴嘴水射流輻射噪聲聲壓轉變?yōu)槁晧杭墳椋?/p>

(9)

式中P0為參考聲壓值，取值為1.0×10-6Pa。

3 壓力場與噪聲場數值計算與分析

在入口額定壓力為15 MPa的初始條件下，本文分別計算了3種不同噴嘴結構所產生壓力場和輻射噪聲，并分析壓力場及輻射噪聲與噴嘴結構之間的關系。

3.1 壓力場分析

3種噴嘴的壓力場云圖分別如圖4所示。從3幅流場總壓力分布云圖中可以看出在噴嘴噴腔內壓力分布較為均勻，壓力值較高，在噴嘴頸部的入口處均發(fā)現流場中出現的高壓區(qū)域，噴嘴的出口處壓力逐漸減小出現明顯的梯度，風琴管形噴嘴出現了負壓區(qū)域，說明噴嘴內部會發(fā)生空化效應。3種噴嘴在流場軸線上的壓力變化如圖5所示。對流場軸線上壓力變化圖的分析可以看出流體在進入噴嘴頸部的位置出現較大峰值，該峰值對應圖中高壓區(qū)域，角形噴嘴中的峰值最小，這是由于噴嘴收縮角度較小，導致流體流動較平穩(wěn)。根據噴嘴的建模尺寸，風琴管形噴嘴和圓柱形噴嘴分別在噴嘴出口附近處壓力值急劇降低，而在角形噴嘴中的擴散角區(qū)域壓力值并不平穩(wěn)，并且出現第2個壓力峰值，這是由于擴散段形狀加劇射流和周圍液體之間的剪切作用對流場的影響結果。

圖4 3種類型噴嘴流場壓力分布云圖Fig.4 Pressure distributions of flow field of three nozzles

圖5 3種類型噴嘴流場軸線上的壓力變化趨勢Fig.5 Trends of pressure change on flow field axis of three nozzles

3.2 噪聲場分析

為了研究噴嘴水射流近場輻射噪聲以及遠場輻射噪聲的特性，分別計算了2個場點處的聲壓級。場點1位于噴嘴軸線離出口10 mm處，場點2位于距噴嘴出口100 m處。

圖6分別給出了3種噴嘴水射流噪聲在場點1、場點2處的聲壓頻譜曲線圖，從圖6中可以看出，在場點1處，頻率在40 Hz范圍內，3種噴嘴結構的水射流噪聲幾乎相同，其聲壓譜級隨著頻率的增加而下降，當頻率大于40 Hz后，風琴管形噴嘴的水射流噪聲總體上大于角形和圓柱形噴嘴，在所有的頻率上，風琴管形噴嘴的聲壓級均不小于140 dB，角形和圓柱形噴嘴均不小于130 dB。

圖6 3種噴嘴在不同場點處的聲壓頻譜曲線Fig.6 Pressure spectrums at different points of three nozzles

在場點2處，3種噴嘴結構的水射流噪聲在1 000 Hz以內的聲壓級均不小于50 dB，考慮傳播衰減，水射流噪聲的聲源級不小于172 dB，可滿足對艦船聲場的模擬。不過，與角形和圓柱形噴嘴的輻射噪聲相比，頻率在20～500 Hz，風琴管形噴嘴的頻譜特性更豐富，具有多個峰值，且聲壓級更大，與艦船輻射噪聲的相似程度更高。因此，對比3種噴嘴水射流噪聲的傳播特性可知，風琴管形噴嘴在結構上更有利于噴流聲源中的聲波傳播到外部流場，提升聲源在遠場處的性能，在掃雷應用中更具有優(yōu)勢。

4 結論

1)風琴管形和圓柱形噴嘴的水射流具有更大的壓力峰值，角形噴嘴的水射流流動相對平穩(wěn)，角形噴嘴由于擴散段形狀加劇射流和周圍液體之間的剪切作用，存在著2個壓力峰值。

2)風琴管形、角形噴嘴和圓柱形噴嘴噴嘴所產生的輻射噪聲的聲源級均大于172 dB，而風琴管形噴嘴遠場輻射噪聲低頻段能量更豐富，在反水雷應用中具有更大的優(yōu)勢。

3)本文的研究可為聲掃雷具小型化提供一種思路，對采用噴流聲源的聲掃雷具結構設計及其與水雷聲引信對抗的掃雷有效性驗證等工作具有重要參考價值。