許偉偉, 王慶功, 朱孔浩

(中國石油大學(xué)(華東) a. 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院; b. 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在噴水推進(jìn)系統(tǒng)、水下兵器以及水下航行器的通海管路排水孔中都存在射流噪聲。隨著水下各種高速噴嘴裝置以及新型推進(jìn)系統(tǒng)——超導(dǎo)磁流體系統(tǒng)的出現(xiàn)，水下射流噪聲及其引起的結(jié)構(gòu)安全性問題也逐漸進(jìn)入科學(xué)研究中[1-2]。近年來，兩相流噪聲已被確定為水下設(shè)備的重要噪聲源,尤其是排氣氣泡噪聲，早已成為諸如測量，化工生產(chǎn)等領(lǐng)域的痼疾[3-6]。如何控制這種噪聲成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。目前對(duì)水下兩相流噪聲的研究可以分為：通過實(shí)驗(yàn)分析水下射流噪聲的頻譜特性；通過商業(yè)軟件分析水下射流的流場頻譜規(guī)律；通過各種模擬理論，對(duì)水下射流噪聲進(jìn)行預(yù)測[7-15]。本文搭建水下兩相流試驗(yàn)臺(tái)，測試兩相流噪聲。本實(shí)驗(yàn)裝置可用于觀察水下氣-液兩相流流態(tài)發(fā)展，測試兩相流噪聲特性，分析兩相流噪聲影響因素。因此，本實(shí)驗(yàn)裝置既可以用于課題學(xué)術(shù)研究，也可開展本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。常溫下空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，高壓空氣通過軟管進(jìn)入高壓空氣儲(chǔ)罐。高壓的氣源通過軟管經(jīng)過提前安裝好的噴嘴射入裝滿水的水箱中，由空氣射流產(chǎn)生的噪聲被置于水中的水聽器采集，把音頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳送至信號(hào)分析儀，再傳至電腦進(jìn)行信號(hào)顯示和保存。實(shí)驗(yàn)中通過控制管路流阻大小來控制氣流流量，得到不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

(1) SigMA(Signal Measurement & Analysis)信號(hào)測試系統(tǒng)。SigMA信號(hào)測試與分析系統(tǒng)是一款噪聲、振動(dòng)信號(hào)采集與回放的虛擬儀器軟件，能夠控制NI cDAQ和PXI系列設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度校準(zhǔn)、聲級(jí)計(jì)虛擬儀器、數(shù)據(jù)時(shí)-頻域?qū)崟r(shí)顯示及采集、采集數(shù)據(jù)回放等功能。

(2) 水聽器。采用了RHS-30型標(biāo)準(zhǔn)水聽器。

(3) 空氣壓縮機(jī)。采用無油靜音空氣壓縮機(jī)，它噪聲小，吸氣效率高。功率1.8 kW，外型尺寸87 cm×32 cm×71 cm，工作壓力0.8 MPa。

(4) 空氣高壓儲(chǔ)罐。設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa，材料Q345R，容積0.5 m3，為試驗(yàn)提供穩(wěn)定氣源。

(5) 水槽。采用透明玻璃水槽，水槽尺寸500 cm×500 cm×1 500 mm的正方體。

(6) 應(yīng)力式渦街流量計(jì)。采用應(yīng)力式渦街流量計(jì)，公稱壓力為2.5 MPa。

(7) 噴嘴。測試了3種不同的噴嘴出口。擴(kuò)散角分別為θ=0°，θ=30°，θ=60°。其噴管直徑均為1 mm，材質(zhì)均為不銹鋼。實(shí)物圖如圖2所示。

(a) θ=0°(b) θ=30°(c) θ=60°

2 實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用

2.1 氣泡及射流形態(tài)

本實(shí)驗(yàn)裝置可觀察氣泡發(fā)展形態(tài)及水下射流形態(tài)。圖3為氣泡發(fā)展形態(tài)，可以明顯看出氣泡的初形成、擴(kuò)張、頸縮、脫離、變形等形態(tài)。圖4為水下射流形態(tài)。

圖3 氣泡發(fā)展形態(tài)

由圖4可知，對(duì)于固定噴嘴，流量較小時(shí)，氣流流速也較小，射流基本不會(huì)有“空氣穴”形成，從出口至液面氣流流場較為均勻。當(dāng)流量逐漸增大時(shí)，氣流流速也逐漸增大，射流越來越容易形成“空氣穴”，此時(shí)，“空氣穴”的數(shù)量會(huì)從1個(gè)變?yōu)?個(gè)或者多個(gè)，“空氣穴”的體積也會(huì)逐漸增大。在下方射流的沖擊下，“空氣穴”會(huì)發(fā)生相互融合的現(xiàn)象，然后一起移動(dòng)至液面，發(fā)生破裂。

2.2 不同噴嘴下射流噪聲的頻譜特性

當(dāng)射流流量相同時(shí)，測試得到的不同噴嘴下射流噪聲的頻譜特性有著明顯的特征，如圖5所示。由圖5(a)可以看出，θ=0°的噴嘴和θ=60°的噴嘴噪聲幅值均在200 Hz附近出現(xiàn)，θ=30°的噴嘴噪聲幅值要低于200 Hz，出現(xiàn)在100 Hz附近，在非峰值頻段，θ=0°的噴嘴和θ=60°的噴嘴的噪聲頻段跨度都要比θ=30°的噴嘴大，前兩個(gè)噴嘴的頻段跨度在0～1.5 kHz，而后者的頻段跨度在0～750 Hz。由此得知，θ=30°的噴嘴的射流噪聲特性最為理想，不僅噪聲的最大頻率要低于另外兩個(gè)噴嘴，而且噪聲的頻率跨度要小于另外兩個(gè)噴嘴，基本上只產(chǎn)生500 Hz以內(nèi)的噪聲。由圖5(b)可見，3條曲線的特征與圖5(a)類似，所得結(jié)果具有一致性。

Q=0.056 kg/hQ=0.286 kg/hQ=0.879 kg/hQ=1.073 kg/h

(a) Q=0.91 kg/h

(b) Q=1.03 kg/h

2.3 不同氣泡直徑下氣泡噪聲的頻譜特性

通過調(diào)節(jié)流量計(jì)與球閥，使噴嘴出口的氣泡直徑呈現(xiàn)不同大小，對(duì)此時(shí)的氣泡噪聲進(jìn)行記錄，后將原始數(shù)據(jù)通過傅里葉轉(zhuǎn)換得到的頻譜圖，如圖6所示?？衫肞hotoshop軟件測量氣泡直徑,方法如下：以淺噴嘴產(chǎn)生單個(gè)氣泡為例，首先找到氣泡剛要脫離噴嘴時(shí)的照片，利用Photoshop軟件標(biāo)尺工具首先測量出照片中直尺所示10 mm的距離，再測量照片中氣泡最大直徑尺寸。對(duì)氣泡噪聲頻率進(jìn)行分析可知，隨著氣泡直徑增大，噪聲峰值所在頻率值減小。氣泡的直徑越小，其比表面積越大，脫離噴嘴時(shí)，氣泡所需克服的表面張力越大，因而直徑小的氣泡產(chǎn)生的噪聲峰值頻率更大。而氣泡直徑越大，氣泡比表面積越小，氣泡上下表面的壓差越大，所以大直徑氣泡將更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致大直徑氣泡噪聲的峰值聲壓大于小直徑氣泡。

(a) 6.6 mm

(b) 6.9 mm

(c) 7.3 mm

3 結(jié) 語

實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)裝置可用于研究水下氣泡發(fā)展形態(tài)、射流發(fā)展形態(tài)，又可開展射流噪聲頻譜特性的研究，亦可開展噴嘴參數(shù)、操作參數(shù)、物性參數(shù)等對(duì)兩相流形態(tài)及兩相流噪聲影響的課題研究?？蛇M(jìn)行開放型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展多種本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生加深在多相流傳熱、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等課程中所學(xué)知識(shí)的理解，有助于學(xué)生開展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新的精神，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。