海洋平臺(tái)氣泡幕降噪性能及影響因素

儲(chǔ)樂平， 李 巍， 趙瑞云， 劉 松， 張?zhí)K飛， 李 楷， 王延林， 石艷芳

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；3. 大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 盤錦 124221)

0 引 言

在海洋平臺(tái)樁腿上設(shè)置氣泡幕降噪系統(tǒng)，用以降低打樁噪聲，避免對(duì)施工區(qū)域附近的海豚、白鰭豚等海生物的棲息活動(dòng)造成影響。氣泡幕降噪系統(tǒng)由壓縮機(jī)、壓縮空氣分配/控制/顯示單元、氣泡發(fā)生管等3部分組成，其工作原理是壓縮空氣經(jīng)過氣泡發(fā)生管后產(chǎn)生大量氣泡，氣泡與海水混合形成一個(gè)氣泡與水的混合帷幕(氣泡幕)，利用聲音在不同介質(zhì)間傳播的衰減特性起到降噪的作用。

20世紀(jì)70年代以來，西方發(fā)達(dá)國(guó)家海軍的大中型反潛水面艦艇相繼引入氣泡幕降噪系統(tǒng)，美國(guó)海軍稱其為“Masker”系統(tǒng)。1990年，王虹斌等[1]分析“Masker”系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)思想，說明降噪系統(tǒng)的布置與艦艇的使命任務(wù)、總體布置、經(jīng)濟(jì)代價(jià)、戰(zhàn)斗使用準(zhǔn)則等息息相關(guān)，并針對(duì)不同的艦艇需要指定合理的布置措施。蔣興舟等[2]和莊宏業(yè)[3]均通過水洞試驗(yàn)驗(yàn)證氣泡幕在魚雷航行過程中不僅能提高螺旋槳壓力，而且能減少空泡，降低輻射噪聲與自噪聲。2005年，王虹斌等[4]以水池船模為試驗(yàn)對(duì)象，采用控制變量法研究噴氣管布置方式、噴孔直徑、噴氣量等因素對(duì)船模降噪效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明為了得到最佳降噪效果，對(duì)噴氣環(huán)布置方式、噴氣環(huán)與發(fā)射器聲源之間的相對(duì)位置、噴孔直徑分布、船速和最佳噴氣量進(jìn)行控制都是必不可少的。同年，該團(tuán)隊(duì)以特種艦艇模型為試驗(yàn)對(duì)象，再一次驗(yàn)證氣泡幕對(duì)其具有良好的降噪效果，可見氣泡幕降噪具有非常高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近些年，氣泡幕降噪技術(shù)已逐漸從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向海洋工程領(lǐng)域。海洋中生物活動(dòng)、風(fēng)力作用、機(jī)械運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，氣泡群是水中的強(qiáng)散射體，其對(duì)透過的聲波有很強(qiáng)的衰減和散射作用。孫佳偉[5]通過試驗(yàn)研究水下氣泡幕的聲透射特性，對(duì)氣泡幕降噪原理進(jìn)行深層次分析。苗天丞[6]將試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，系統(tǒng)研究浸沒式排氣的流動(dòng)與噪聲變化規(guī)律，并從浸沒式排氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)提出多種降噪方案。韓蕊[7]基于邊界積分法(Boundary Integral Method，BIM)建立多氣泡非線性耦合數(shù)值模型，解決三維氣泡融合、多個(gè)環(huán)狀氣泡耦合作用等問題，并對(duì)水幕反導(dǎo)、大尺度爆炸中氣泡的生長(zhǎng)過程進(jìn)行分析。劉競(jìng)婷[8]針對(duì)水下排氣過程，采用理論、數(shù)值模擬、試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)的演化過程和輻射聲學(xué)特性進(jìn)行研究，提供水下排氣噪聲預(yù)報(bào)方法，為解決工程上的噪聲問題提供思路。

與此同時(shí)，國(guó)外研究者也在對(duì)氣泡幕的降噪性能進(jìn)行研究。GIMALTDINOV等[9]研究甲烷氣體在處于水合物形成過程時(shí)對(duì)聲波的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在低頻區(qū)(小于1 kHz)，水合物形成過程對(duì)傳播速率、衰減系數(shù)和波反射值有較大影響，特別是在水合物形成過程中，波的衰減系數(shù)增加2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。PHAM等[10]研究非線性共振氣泡幕對(duì)聲波的散射，驗(yàn)證2個(gè)重要的效應(yīng)：陣列內(nèi)的氣泡比孤立的氣泡具有更大的輻射阻尼；由于氣泡-氣泡相互作用，可探測(cè)到與聲源施加的聲壓不同的壓力。BRYSON等[11]提出一種改進(jìn)的方法用來預(yù)測(cè)沖擊波產(chǎn)生的峰值入射壓力和能流密度，結(jié)果表明加入衰減系數(shù)后的衰減方程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以海洋平臺(tái)氣泡發(fā)生管為對(duì)象，研究氣泡發(fā)生管的噴孔數(shù)量、排列方式、孔徑、通氣量對(duì)最終形成的氣泡幕的體積分?jǐn)?shù)的影響。

1 計(jì)算理論

1.1 簡(jiǎn)化假設(shè)

針對(duì)氣泡發(fā)生管模型的特點(diǎn)，給出2點(diǎn)假設(shè)：(1) 忽略2排孔產(chǎn)生氣體的相互作用，只研究單排孔的體積分?jǐn)?shù)變化；(2) 將氣體與液體相互作用視為三維非穩(wěn)態(tài)過程，噴孔附近屬于完全湍流狀態(tài)。

1.2 氣泡幕降噪

聲波在水中氣泡幕層的衰減主要與氣泡幕的混合密度和壓縮性有關(guān)。

水中氣泡幕層混合密度ρ的計(jì)算公式為

ρ=(1-α)ρw+αρg

(1)

式中：ρw為水的密度；ρg為空氣密度；α為氣泡幕內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)，α計(jì)算公式為

(2)

式中：Vg為氣泡幕層內(nèi)空氣體積；Vw為氣泡幕內(nèi)水的體積。

水中氣泡幕層壓縮性β為

β=(1-α)βw+αβg

(3)

式中：βw為水的壓縮性；βg為空氣壓縮性。

對(duì)于頻率遠(yuǎn)低于氣泡幕層氣泡共振頻率的聲波，其在氣泡幕層中的傳播速度Cot為

(4)

試驗(yàn)表明：只要水中含少量空氣，如α=0.001，在接近水面處，聲速?gòu)? 500 m/s下降至305 m/s；當(dāng)α=0.5時(shí)，聲速最小，Cot=20 m/s[12]。

1.3 計(jì)算模型

連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程是流體力學(xué)中的3個(gè)基本方程，此次計(jì)算不涉及能量的交換，因此主要介紹連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。針對(duì)計(jì)算模型的特點(diǎn)，須考慮兩相流體(水和空氣)間的耦合作用，采用歐拉多相分離流模型，該模型在所有相共用一個(gè)壓力場(chǎng)時(shí)對(duì)每個(gè)相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳輸方程進(jìn)行求解。

湍流流動(dòng)是日常生活中較常見的現(xiàn)象，如圓柱繞流、大氣的流動(dòng)等通常是湍流狀態(tài)，湍流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)極其復(fù)雜，通常利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行模擬。計(jì)算的主要方法包括直接數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation，DNS)方法、大渦模擬(Large Eddy Simulation，LES)方法和雷諾平均N-S(Reynolds Average N-S，RANS)方法，前兩者受計(jì)算力的限制，在復(fù)雜工程問題上無法應(yīng)用。RANS是STAR-CCM+中常用的數(shù)值模擬方法，常用的湍流模型包括Spalart-Allmaras(一方程湍流模型)，k-ε和k-ω系列(二方程模型)以及雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress Model，RSM)。RSM對(duì)層流中各向異性湍流的狀況適用性較好，但計(jì)算成本較高。二方程模型是最簡(jiǎn)單的完整湍流模型，常用的二方程模型包括SSTk-ω、Standardk-ω、RNGk-ε、Standardk-ε、Realizablek-ε。

本文使用Standardk-ε湍流模型，該模型引入湍動(dòng)能k和耗散率，其運(yùn)輸方程為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：t為時(shí)間；μ為流體動(dòng)力黏度；σk、σε、Cε1、Cε2為模型因數(shù)，取值分別為1.00、1.30、1.44、1.92；Pk和Pε分別為浮力和湍流產(chǎn)生項(xiàng)；ε0為抵消湍流衰減的源項(xiàng)；Sk和Sε為用戶定義源項(xiàng)；f2為阻尼項(xiàng)；Te和T0為時(shí)間尺度項(xiàng)；μt為湍流黏度，其計(jì)算公式為

μt=ρCμfμkT

(7)

式中：Cμ為模型因數(shù)，取值為0.09；fμ為阻尼項(xiàng)；T為湍流時(shí)間尺度。

2 數(shù)值預(yù)測(cè)及分析

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

為計(jì)算氣泡幕中空氣壓縮系數(shù)和氣泡幕混合層密度，需要建立氣泡發(fā)生管三維模型。截取氣泡發(fā)生管的一段進(jìn)行分析以降低計(jì)算成本。氣泡發(fā)生管的計(jì)算模型截取長(zhǎng)度為1 000 mm，包含5排共20個(gè)氣泡發(fā)生孔，孔間距為200 mm、孔徑為2 mm，直列分布，如圖1所示。除直列分布外，還有將每排相鄰噴孔分別錯(cuò)開50 mm的螺旋狀分布，如圖2和圖3所示。

圖1 氣泡發(fā)生管(直列)

單位：mm圖2 螺旋狀氣泡發(fā)生管開孔

圖3 氣泡發(fā)生管(螺旋狀)

STAR-CCM+能夠劃分多種形式的網(wǎng)格，包括四面體、六面體、多面體、柱體等。此次計(jì)算利用多面體網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格設(shè)置

為兼顧計(jì)算成本與計(jì)算精度，在劃分網(wǎng)格時(shí)，通過體網(wǎng)格和面網(wǎng)格加密功能，對(duì)計(jì)算域、氣泡發(fā)生管周圍和噴孔進(jìn)行局部加密，加密尺寸如表2所示。

表2 網(wǎng)格加密尺寸

2.2 邊界條件

計(jì)算域模型縮尺比為1∶1，計(jì)算域高度為0.70 m、寬度為0.25 m，兩側(cè)離氣泡發(fā)生管距離不等，靠近氣泡發(fā)生管一側(cè)的距離為0.05 m。邊界條件設(shè)置為壁面，遠(yuǎn)離管的一側(cè)設(shè)為速度入口，速度為0 m/s，用于模擬無限水域，計(jì)算域長(zhǎng)度方向根據(jù)計(jì)算孔數(shù)進(jìn)行修改。計(jì)算域模型如圖4所示。噴孔設(shè)置為速度入口，用于模擬管內(nèi)氣體噴入流域；計(jì)算域沿管長(zhǎng)方向設(shè)為對(duì)稱邊界，上邊界設(shè)為壓力出口，初始相為水相。

圖4 計(jì)算域模型

此外，為了避免對(duì)稱邊界距噴孔過近發(fā)生邊界反射，計(jì)算域在沿管長(zhǎng)方向?qū)ΨQ地各延長(zhǎng)2倍孔間距，如圖5所示，其中da為實(shí)際排氣區(qū)域的距離。對(duì)于有n排噴孔的模型，da=50 mm(孔間距)×n。

圖5 孔計(jì)算域模型管長(zhǎng)方向長(zhǎng)度示例

物理模型選用三維隱式不定常湍流模型，考慮重力作用并啟動(dòng)單元質(zhì)量校正。為了模擬氣泡從氣泡發(fā)生管產(chǎn)生及在水中的演變過程，采用歐拉多相分離流模型，設(shè)置水和空氣兩相，并給出相間相互作用尺度，其中相互作用尺度是指氣泡幕中離散氣泡的平均直徑。氣體和液體的材料屬性如表3所示。

表3 氣液材料屬性

2.3 數(shù)值結(jié)果及分析

采用控制變量法研究氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，將可能對(duì)體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響的因素羅列出來，包括噴孔數(shù)量、噴孔排列方式、孔徑、通氣量。這4個(gè)因素的可行域如表4所示。

表4 氣泡幕體積分?jǐn)?shù)影響因素及其可行域

此外，由于計(jì)算域的尺寸會(huì)隨著所研究影響因素的改變而改變，如孔數(shù)增加，計(jì)算域的長(zhǎng)度也會(huì)增大，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)將計(jì)算域換算成有效體積：

Ve=wdh

(8)

式中：Ve為計(jì)算域的有效體積；d為有效長(zhǎng)度；w和h分別為計(jì)算域的寬度和高度，根據(jù)第2.2節(jié)，w=0.25 m，h=0.70 m。實(shí)際計(jì)算域體積V為

V=wLh

(9)

式中：L為計(jì)算域長(zhǎng)度，其與孔數(shù)的關(guān)系為L(zhǎng)=d+(4×50) mm。L的幾何含義為在有效區(qū)域的基礎(chǔ)上沿管長(zhǎng)方向向兩側(cè)各擴(kuò)充2倍孔距的距離，以防止產(chǎn)生壁面效應(yīng)。

實(shí)際的氣泡幕體積分?jǐn)?shù)αe的計(jì)算式為

(10)

(1) 研究噴孔數(shù)量對(duì)氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的影響。排列方式選用螺旋排列，孔徑為2 mm，通氣量為0.025 m3/min。計(jì)算得到不同噴孔數(shù)量下氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知：隨著噴孔數(shù)量的增加，氣泡幕的有效體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在3.76%，即氣泡幕體積分?jǐn)?shù)與噴孔數(shù)量的多少無關(guān)。

圖6 氣泡幕體積分?jǐn)?shù)隨噴孔數(shù)量變化

(2) 研究噴孔排列方式對(duì)氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的影響?？讛?shù)設(shè)置為4孔(螺旋式的一個(gè)排列循環(huán))，孔徑為2 mm，通氣量為0.025 m3/min。不同排列方式下氣泡幕體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。由圖7可知，螺旋式排列方式的氣泡幕體積分?jǐn)?shù)較直列而言略有提高。

圖7 不同排列方式下氣泡幕體積分?jǐn)?shù)柱狀圖

分析原因在于，直列布置時(shí)同一排孔在鉛錘方向上共面，相鄰孔之間的氣泡幕會(huì)出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，如圖8所示。在氣泡幕耦合作用下，相同體積下的氣泡幕體積減小，使得體積分?jǐn)?shù)減小。

圖8 直列排列下相鄰孔間氣泡幕耦合

(3) 研究不同孔徑對(duì)氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的影響?？讛?shù)設(shè)為4孔，排列方式選擇螺旋排列，通氣量為0.025 m3/min。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：隨著孔徑增大，氣泡幕體積分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，基本穩(wěn)定在2.98%。

圖9 氣泡幕體積分?jǐn)?shù)隨孔徑變化

(4) 研究通氣量對(duì)氣泡幕體積分?jǐn)?shù)的影響?？讛?shù)設(shè)為4孔，排列方式為螺旋排列，孔徑為2 mm。計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著通氣量增大，氣泡幕體積分?jǐn)?shù)也隨之增加。

圖10 氣泡幕體積分?jǐn)?shù)隨通氣量變化

3 結(jié) 論

(1) 針對(duì)螺旋排列模型，孔數(shù)和孔徑對(duì)氣泡幕有效體積分?jǐn)?shù)的影響較小，原因是兩孔間氣泡幕的耦合作用較小，孔數(shù)增加，計(jì)算域體積增大，氣泡幕量與體積之間近似為正比關(guān)系。

(2) 與直列排列相比，螺旋排列的氣泡幕體積分?jǐn)?shù)更大，原因是直列使同排相鄰孔氣泡幕間產(chǎn)生耦合作用，使得體積分?jǐn)?shù)減小。

(3) 通氣量對(duì)氣泡幕體積分?jǐn)?shù)影響較大，且為正相關(guān)，通氣量越大，氣泡幕有效體積分?jǐn)?shù)越大。