邢維升，解學(xué)參，姜治芳，陳大融

1 海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

3 清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084

0 引 言

對(duì)工作于水中的船舶螺旋槳，當(dāng)某處的壓力降至水的汽化壓力以下時(shí)，將產(chǎn)生空泡并有可能引起槳葉剝蝕，同時(shí)導(dǎo)致噪聲的劇烈增加［1-2］，但上述理論并沒(méi)有考慮水中微顆粒對(duì)螺旋槳噪聲的影響。不少學(xué)者對(duì)微顆粒與空蝕發(fā)生的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明微顆粒對(duì)空蝕發(fā)生及空蝕程度有重要影響。顏大運(yùn)等［3-7］的數(shù)值分析及試驗(yàn)結(jié)果表明，微顆粒在空蝕過(guò)程中發(fā)揮了不可或缺的作用，微顆粒尺度對(duì)材料表面空蝕坑的數(shù)目有直接影響。廖庭庭等［8］從渦與泥沙粒徑的影響關(guān)系及空化和空蝕的2 種機(jī)械破壞模式、空蝕和磨損的形態(tài)特征等方面入手，分析了空蝕破壞機(jī)理，探討了泥沙粒徑對(duì)空化空蝕的影響。葛晗等［9］對(duì)空蝕噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)、頻域的分析，表征出了黃銅在振動(dòng)空蝕各階段的頻譜特征。目前，進(jìn)行螺旋槳噪聲試驗(yàn)時(shí)的水質(zhì)與螺旋槳實(shí)際運(yùn)行時(shí)的水質(zhì)存在差異，該差異可能會(huì)影響模型槳噪聲，進(jìn)而影響實(shí)船螺旋槳噪聲預(yù)報(bào)，但目前對(duì)該影響還未開(kāi)展相關(guān)研究。

本文將采用振動(dòng)噪聲試驗(yàn)裝置及旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同水質(zhì)的銅試樣噪聲及空蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證微顆粒對(duì)空蝕及噪聲的重要影響。并以此為基礎(chǔ)，在循環(huán)水槽中開(kāi)展實(shí)船工況下過(guò)濾水及添加微顆粒水中螺旋槳噪聲的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證不同工況下微顆粒對(duì)螺旋槳噪聲的影響，以為后續(xù)螺旋槳試驗(yàn)方法及實(shí)船換算提供有益的探索。

1 水質(zhì)檢測(cè)

我國(guó)主要河流及沿海、近海水域都含有大量由微顆粒與絮狀物組成的泥沙，遠(yuǎn)離海岸的遠(yuǎn)海海水中泥沙含量較少，如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星遙感圖Fig.1 Remote-sensing image of satellite

據(jù)文獻(xiàn)［10］報(bào)道，以含量表示的不同水質(zhì)中泥沙等微顆粒的含量如下：

自來(lái)水 0.001%

江河水 0.019%～0.032%

海 水 0.075%～0.15%

為便于清晰地觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)空泡水筒及循環(huán)水槽的試驗(yàn)用水均進(jìn)行了過(guò)濾，濾器網(wǎng)格的尺度約為0.4 μm。為了分析目前試驗(yàn)介質(zhì)中微顆粒的含量，分別將自來(lái)水和0.4 μm 的過(guò)濾水滴于玻璃片上烘干，然后通過(guò)電子掃描顯微鏡進(jìn)行觀察與測(cè)量（圖2）。結(jié)果表明，過(guò)濾后水介質(zhì)中的微顆粒含量大大降低，0.4 μm以上的所有大顆粒均得到了有效過(guò)濾，因此過(guò)濾水的微顆粒含量與實(shí)際自然水質(zhì)相比差別較大，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖2 不同水質(zhì)中的微顆粒Fig.2 Microparticles in different water

2 試驗(yàn)設(shè)施及方法

2.1 振動(dòng)空蝕噪聲測(cè)量試驗(yàn)

振動(dòng)空蝕噪聲測(cè)量裝置（圖3）利用超聲波產(chǎn)生的壓力脈沖來(lái)使水體振動(dòng)而產(chǎn)生壓降，水體空化后會(huì)產(chǎn)生微空泡，在壓力場(chǎng)下潰滅并形成微射流攻擊試樣，從而產(chǎn)生空蝕噪聲。

圖3 振動(dòng)空蝕試驗(yàn)裝置Fig.3 Vibrating cavitation erosion experimental device

噪聲測(cè)量采用B&K 公司的8103 型水聽(tīng)器。該水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)完全水密，經(jīng)單獨(dú)校準(zhǔn)，可以保證在很寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)且無(wú)指向性，適于水下噪聲測(cè)量，具體如圖4 所示。

圖4 水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)及主要性能Fig.4 Configuration and performance of hydrophone

2.2 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕試驗(yàn)裝置是模擬水輪機(jī)與螺旋槳葉片空蝕過(guò)程的通用試驗(yàn)裝置，由試驗(yàn)部分、冷卻部分和動(dòng)力部分組成，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of rotating disk structure

其中，試驗(yàn)部分是容積30 L 的不銹鋼容器，容器壁中空，壁中加入了冷卻用去離子水。冷卻部分由制冷機(jī)和冷卻管路組成，兩者連接構(gòu)成冷卻循環(huán)回路，以對(duì)試驗(yàn)容器壁中的去離子水進(jìn)行制冷。動(dòng)力部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在圓盤(pán)上距軸心特定距離處有貫穿圓盤(pán)厚度的擾流孔。當(dāng)圓盤(pán)于水中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，擾流孔后會(huì)產(chǎn)生尾流空化，空化產(chǎn)生的空泡在試樣表面潰滅時(shí)將對(duì)試樣造成空蝕破壞。試樣用螺釘緊固在圓盤(pán)上對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)凹槽中，沿圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向布置于各擾流孔的后部適當(dāng)位置。

試驗(yàn)時(shí)，先將試樣于丙酮中超聲清洗5 min，然后將試樣對(duì)稱(chēng)放置于圓盤(pán)的凹槽中并用螺釘緊固。各項(xiàng)工作準(zhǔn)備完畢后，關(guān)上試驗(yàn)容器蓋，啟動(dòng)冷水機(jī)，為容器冷卻降溫。檢查并調(diào)整好整個(gè)試驗(yàn)裝置，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為50 h，試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)的溫度為28 ℃。

2.3 大型循環(huán)水槽噪聲對(duì)比試驗(yàn)

不同水質(zhì)中螺旋槳模型的噪聲試驗(yàn)在某研究所的大型循環(huán)水槽中進(jìn)行。循環(huán)水槽的工作段截面為切角矩形，長(zhǎng)10.5 m，寬2.2 m，高2 m，截面積4.28 m2。工作段水速的調(diào)節(jié)范圍為1.0～15.0 m/s，試驗(yàn)段中心的壓力調(diào)節(jié)范圍為0.005～0.4 MPa。循環(huán)水槽下方有測(cè)聲艙，長(zhǎng)9.5 m，寬2.2 m，高2.0 m，四壁采用吸聲尖劈進(jìn)行消聲處理。采用單水聽(tīng)器進(jìn)行噪聲測(cè)量，循環(huán)水槽的試驗(yàn)工作段及水聲艙分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 大型循環(huán)水槽試驗(yàn)段Fig.6 Test section of circulating water tunnel

圖7 水聲艙Fig.7 Underwater acoustic cabin

按照?qǐng)D紙加工主船體、附體及螺旋槳模型，以保證幾何相似。將船—槳模型整體吊裝至循環(huán)水槽中后，先完成船后螺旋槳的水動(dòng)力性能測(cè)試，試驗(yàn)中，按模型槳和實(shí)槳的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)相等進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)的進(jìn)速系數(shù)根據(jù)船后螺旋槳的水動(dòng)力以等推力系數(shù)kT確定。

試驗(yàn)時(shí)，水聽(tīng)器位于螺旋槳模型等效中心的正下方。進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，為盡量降低背景噪聲，螺旋槳模型直接采用一根長(zhǎng)軸連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在測(cè)量螺旋槳模型噪聲之前，為檢測(cè)測(cè)量結(jié)果的有效性，需首先測(cè)量背景噪聲。測(cè)量背景噪聲時(shí)，用假轂代替螺旋槳模型，并將各個(gè)工況對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的測(cè)量噪聲作為背景噪聲。

2.4 水質(zhì)模擬

試驗(yàn)時(shí)，自來(lái)水直接取用，過(guò)濾水取自循環(huán)水槽中經(jīng)過(guò)濾器的水，去離子水則通過(guò)蒸餾法獲得，為不含任何微顆粒的水。對(duì)自然界河水的模擬，主要是通過(guò)在水中添加SiO2顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)，添加后，水中含微顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10×10-6。為了使粒子混合均勻，在試驗(yàn)水中加入了活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS），加入量為50 mg/L，然后采用超聲法將粒子和活性劑混入水槽試驗(yàn)水中。而模擬海水則是通過(guò)在水中添加NaCl 溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 振動(dòng)空蝕噪聲測(cè)量試驗(yàn)

進(jìn)行銅合金試樣在不同介質(zhì)中的振動(dòng)空蝕噪聲測(cè)量，以驗(yàn)證微顆粒對(duì)噪聲的影響。為降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行40 次測(cè)量，然后按照算術(shù)平均值計(jì)算噪聲水平，結(jié)果如表1 和圖8所示。

表1 振動(dòng)空蝕試驗(yàn)的總聲級(jí)差異Tab.1 Difference of overall Sound Pressure Level（SPL）in vibrating cavitation erosion experiment

圖8 不同水質(zhì)中噪聲譜級(jí)對(duì)比Fig.8 Comparison of SPL in different water

噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)表明：試樣在基本不含微顆粒的去離子水中噪聲最低；由于過(guò)濾后微顆粒的尺度較小且含量減少，因此過(guò)濾水中的噪聲與去離子水中噪聲的差別較??；而在自來(lái)水、模擬自然水和模擬海水中，噪聲則是逐漸增加，表明了微顆粒在噪聲發(fā)生中的重要性。模擬淡水與模擬海水中噪聲的差別較大則表明海水中的Cl 離子對(duì)噪聲有較大影響，這主要是由于淡水中的金屬材料與微顆粒電位相反，使得微顆粒更趨近金屬表面，而海水中因Cl 離子的加入，使得金屬材料的電位更低，該電位差變大，金屬對(duì)微顆粒的吸附更明顯，致使其周?chē)w粒數(shù)量增加，隨之參與沖擊金屬表面的微顆粒也增加，因此噪聲提高。

3.2 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)的銅合金試樣如圖9所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試樣Fig.9 Sample of rotating disk

不同水質(zhì)中的試樣噪聲對(duì)比如表2 所示。不同水質(zhì)中的總聲級(jí)變化趨勢(shì)與振動(dòng)噪聲試驗(yàn)一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了微顆粒對(duì)噪聲的影響。

表2 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)的總聲級(jí)差異Tab.2 Difference of overall SPL in rotating disk experiment

為檢驗(yàn)微顆粒對(duì)空蝕的影響，試驗(yàn)完畢后，先用去離子水清洗實(shí)驗(yàn)容器，取下試樣，然后再用丙酮超聲清洗5 min 并干燥存放。最后，用電子天平對(duì)比其質(zhì)量變化，用掃描電子顯微鏡SEM 觀測(cè)試樣表面的形貌。

不同水質(zhì)中的試件失重如圖10 所示，可以看出自來(lái)水中的試樣失重比過(guò)濾水中的多，表明微顆粒的含量對(duì)空蝕有較大影響，微顆粒含量越高，空蝕破壞更嚴(yán)重。該結(jié)論可以從圖11 所示的2 種水質(zhì)試樣表明的空蝕破壞中得到驗(yàn)證，從中可看出自來(lái)水中試樣表面空蝕坑的面積及尺度均大于過(guò)濾水中的。

圖10 試樣在不同水質(zhì)中的失重Fig.10 Loss of weight with sample in different water

圖11 空蝕破壞對(duì)比Fig.11 Comparison of cavitation erosion damage

3.3 大型循環(huán)水槽噪聲對(duì)比試驗(yàn)

為有效驗(yàn)證微顆粒對(duì)螺旋槳噪聲的影響，以某船為例開(kāi)展了循環(huán)水槽試驗(yàn)，該船裝有2 只五葉螺旋槳。試驗(yàn)用船模采用加強(qiáng)骨架玻璃鋼制作，螺旋槳模型采用銅合金制作，直徑為0.24 m。分別在過(guò)濾水及模擬河水中進(jìn)行了5 個(gè)航速下的螺旋槳噪聲測(cè)量，該工況涵蓋了無(wú)空泡狀態(tài)及空泡充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

循環(huán)水槽中，螺旋槳模型噪聲測(cè)試的有效頻段為1～80 kHz，結(jié)果以該頻段范圍內(nèi)的1/3 Oct中心頻率聲壓譜級(jí)和總聲級(jí)給出。試驗(yàn)中，所有工況的噪聲采樣頻率均為196 kHz，每次的采樣數(shù)據(jù)為4 096×30，每個(gè)工況共測(cè)量5 個(gè)有效樣本，文中給出的試驗(yàn)結(jié)果均為5 個(gè)有效樣本進(jìn)行線(xiàn)性平均后的結(jié)果。

由圖12～圖14 所示的不同水質(zhì)、不同航速下的螺旋槳噪聲譜級(jí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，在航速1下，微顆粒主要對(duì)螺旋槳噪聲的低頻段有較大影響，該低頻段對(duì)應(yīng)的頻率范圍為1～4 kHz，最大差別約9 dB；在航速2下，于整個(gè)頻段內(nèi)（1～80 kHz）模擬河水中的噪聲明顯高于過(guò)濾水中的；由航速3下的噪聲譜級(jí)可得，此時(shí)微顆粒對(duì)噪聲的影響較小，頻譜趨勢(shì)一致。

圖12 航速1 下的噪聲譜級(jí)對(duì)比Fig.12 Comparison of SPL at speed 1

圖13 航速2 下的噪聲譜級(jí)對(duì)比Fig.13 Comparison of SPL at speed 2

圖14 航速3 下的噪聲譜級(jí)對(duì)比Fig.14 Comparison of SPL at speed 3

不同航速、不同水質(zhì)中螺旋槳噪聲的總聲級(jí)差異如表3 所示。由表可知，低航速時(shí)微顆粒對(duì)螺旋槳噪聲有較大的影響，可使螺旋槳噪聲總聲級(jí)提高約4 dB，隨著航速的增加，微顆粒的影響減小，航速高于航速3時(shí)，試驗(yàn)所得總聲級(jí)差別約1 dB，考慮到±0.5 dB 的試驗(yàn)誤差，因此可以認(rèn)為此時(shí)微顆粒對(duì)螺旋槳噪聲基本無(wú)影響。

表3 螺旋槳噪聲總聲級(jí)差異（不同航速不同水質(zhì)時(shí)）Tab.3 The difference of overall SPL of propeller（in different speed and different water）

對(duì)該螺旋槳進(jìn)行了過(guò)濾水中的空泡觀察試驗(yàn)，結(jié)果表明：在航速1 及航速2 下，螺旋槳處于無(wú)空泡狀態(tài)；在航速3 下，螺旋槳處于空泡臨界狀態(tài)；在航速4 及航速5 下，則為空泡充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)微顆粒對(duì)螺旋槳無(wú)空泡噪聲有較大影響，而對(duì)空泡狀態(tài)下的噪聲則影響不大，其主要原因?yàn)椋?/p>

1）在無(wú)空泡狀態(tài)下，水中微顆粒與微空泡吸附，趨向壁面并在近壁面處潰滅，從而形成極高速的微射流沖擊物體表面并發(fā)出聲音，該沖擊影響主要在低頻段。

2）微顆粒對(duì)螺旋槳空泡也有影響，可以降低螺旋槳空泡的起始航速。在航速2 下，添加微顆粒后整個(gè)頻段內(nèi)的噪聲均升高，這可能是由于微顆粒使過(guò)濾水中的無(wú)空泡狀態(tài)變?yōu)榱丝张轄顟B(tài)，無(wú)空泡噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝张菰肼暋?/p>

3）在航速3 以上的工況下，在過(guò)濾水及模擬河水中螺旋槳均產(chǎn)生了空泡且充分發(fā)展，此時(shí)的噪聲主要為空泡噪聲，物面受到?jīng)_擊而發(fā)生的聲音被掩蓋掉了，但此時(shí)微顆粒仍會(huì)對(duì)螺旋槳的空蝕有影響，2種水質(zhì)情況下的對(duì)比如圖15所示。

圖15 螺旋槳表面空蝕坑對(duì)比Fig.15 Comparison of cavitation erosion damage to propeller surface

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了不同水質(zhì)下的振動(dòng)噪聲試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)及大型循環(huán)水槽螺旋槳噪聲測(cè)量試驗(yàn)，分析了微顆粒對(duì)材料空蝕及噪聲的影響，可為后續(xù)螺旋槳試驗(yàn)方法及實(shí)船換算提供有益的探索。經(jīng)研究，得出以下結(jié)論：

1）微顆粒對(duì)噪聲及空蝕的影響較大，添加了微顆粒的介質(zhì)中噪聲要高于無(wú)微顆粒介質(zhì)中的噪聲，微顆粒含量高，則空蝕破壞也將更嚴(yán)重。

2）微顆粒對(duì)螺旋槳無(wú)空泡噪聲影響較大，其主要原因是在無(wú)空泡狀態(tài)下，微空泡吸附微顆粒后會(huì)產(chǎn)生微射流沖擊物體表面，或者有可能降低螺旋槳的空泡起始航速。

3）微顆粒對(duì)螺旋槳空泡狀態(tài)下的噪聲影響不大，其原因主要是此時(shí)空泡噪聲為主要噪聲源，掩蓋了微顆粒對(duì)噪聲的影響，但試驗(yàn)結(jié)果表明此時(shí)微顆粒仍對(duì)空蝕破壞有影響。

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