蔡 朋，胡秋旭，李 偉，鄧 鵬，王 博，秦子明

（1.海裝駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，武漢 430205；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

0 引言

水下排水和排氣的兩相射流過程在海洋、船舶、化工和水處理等領(lǐng)域非常普遍，船舶液艙水下吹除排水過程屬于淹沒兩相射流過程，特別是排水結(jié)束時，氣體噴射進入海域，會產(chǎn)生很大的射流噪聲。這種噪聲可能會暴露目標，干擾探測器聲納［1-4］。

船舶上包含各類液艙，部分液艙通過壓縮空氣進行吹除排水，這類系統(tǒng)一般由壓縮空氣系統(tǒng)、液艙和通海管路等組成，系統(tǒng)原理示意如圖1所示。需要排水時，關(guān)閉液艙進口管路的截止閥，開啟舷側(cè)截止止回閥和壓縮空氣管路截止閥，可以將液艙內(nèi)的水吹除到舷外，排水結(jié)束后，壓縮空氣從通海管路噴射，會產(chǎn)生較高的瞬態(tài)射流 噪聲。

圖1 液艙排水系統(tǒng)原理示意

目前，國內(nèi)外對流體射流數(shù)值模擬研究方面已經(jīng)較多，數(shù)值模擬方法作為探究流體射流特性的技術(shù)已比較成熟。Wang 等［5-6］通過大渦模擬方法模擬了高雷諾數(shù)下的低頻和部分高頻噪聲；郝宗睿等［7-8］研究了噴管直徑對噪聲的影響，認為小口徑更有利于降低排氣噪聲；Stanley 等［9］計算了剪切層的形成和發(fā)展過程，說明射流結(jié)構(gòu)中的大尺度渦是各向異性的；Niklas 等［10］采用數(shù)值計算方法研究了高馬赫數(shù)氣體的射流噪聲與噴嘴的關(guān)系；Choi 等［11-12］主要針對水下單個氣泡或氣泡流的聲學(xué)特性開展了試驗測試，分析了水下排氣噪聲產(chǎn)生的機理和影響因素；何愛妮等［13］采用不同結(jié)構(gòu)的配汽管，在不同的水溫和蒸汽流量進行了試驗研究，表明蒸汽流量與噪聲源量級并不完全呈線性關(guān)系；邢軍華等［14］研究了軸對稱直噴管的液體水下射流特性，表明射流噪聲功率與流速8 次冪成正比，射流噪聲能力主要集中在低頻段，隨著流速增加，射流噪聲向高頻移動。

通過上述文獻的分析發(fā)現(xiàn)，研究流體射流噪聲的方法相對比較成熟，但多以空氣中的高速射流為研究對象，而對淹沒兩相射流的射流噪聲的研究方法則多以試驗測試為主，開展射流狀態(tài)下的流場與聲場聯(lián)合計算模擬的研究相對較少。為研究在固定深度，不同供氣壓力工況下，液艙排水和排氣全過程的流場特征和射流噪聲特性，本文利用大渦模擬和FW-H 結(jié)合的方法對淹沒狀態(tài)液艙排水過程中，大管徑氣體射流流場和射流噪聲進行數(shù)值模擬探究，為探究控制艦船淹沒兩相射流噪聲強度的方法奠定基礎(chǔ)。

1 計算模型

本數(shù)值模擬借助FLUENT 軟件，采用大渦模擬（LES）計算液艙排水過程中氣體射流流場，并在流場基礎(chǔ)上用FW-H 方程計算射流噪聲。為便于建模、網(wǎng)格劃分及后續(xù)試驗設(shè)計，液艙以一個圓柱形水罐代替，模擬液艙和流場域三維模型劃分如圖2（a）（b）所示，模擬液艙模型分為上方的進氣管，中間的罐體，下方的噴射管，其中噴射管內(nèi)徑為50 mm，壁厚為3 mm 噴管直徑為 50 mm，長度為250 mm；流場域直徑為3 000 mm，長度2 000 mm。

模擬液艙和流場域單獨繪制，網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，模擬液艙進氣管路和排出管路、流場域連接模擬液艙出口和射流影響輻射角區(qū)域的網(wǎng)格加密，模擬液艙筒體和流場域相對遠場位置網(wǎng)格稍作稀疏處理，以確保計算過程收斂，并提高計算效率；并且通過Tiny，Coarse，Medium 和Fine 4 套網(wǎng)格在短時間尺度的試算，考慮網(wǎng)格無關(guān)性、計算效率和準確性，本文選取了Medium 網(wǎng)格作為最終計算網(wǎng)格，模擬液艙和流場域的網(wǎng)格密度如圖2（c）（d）所示，最后在FLUENT 軟件中分別導(dǎo)入，用interface 進行連接，模型參數(shù)見表1。

圖2 模擬液艙和流場域計算網(wǎng)格劃分

表1 網(wǎng)格模型參數(shù)

2 計算方法和邊界設(shè)置

計算模型上，選用VOF 多相流模型和LES湍流模型，以及FW-H 聲學(xué)模型；求解算法上，選用SIMPLEC 算法，壓力插值方案選用Body Force Weighted，選用Bounded Central Differencing 對動量方程離散化，體積分數(shù)運用Compressive 方案，瞬態(tài)公式選用Bounded Second Order Implicit方案。聲模擬時，設(shè)置時間步長=5×10-5s，由奈奎斯特采樣定律可知，最高有效頻率可為10 000 Hz。

計算區(qū)域中，設(shè)置模擬液艙模型的進氣管路為壓力進口，背壓為排出管口處水壓力；設(shè)置流場域中的外界面為壓力出口，水溫度為常溫；設(shè)置流場域外界面為FW-H 積分面，并設(shè)置聲接收點。

在計算工況上，主要考慮船舶實際航行深度和后續(xù)試驗設(shè)計兩方面的因素，一是吹除壓力一定時，船舶液艙排水口的實際深度越小，背壓越小，吹除排水過程越劇烈，射流噪聲也更難控制；二是考慮后續(xù)試驗設(shè)計，在船舶航行深度范圍內(nèi)，選擇盡量小的背壓進行計算，以降低對后續(xù)試驗水池的要求。因此，設(shè)置模擬液艙模型的排水管口處背壓不變，為0.1 MPa；吹除壓力設(shè)置4 檔，分別為0.100，0.125，0.150，0.200 MPa。計算工況如表2 所示。

表2 計算工況

3 流場特性

模擬液艙吹除過程中，先進行排水，此時，液艙內(nèi)液位持續(xù)較平穩(wěn)下降，水被壓至流場域中，形成穩(wěn)定排水狀態(tài)；當液艙內(nèi)液位到達下部噴管位置時，氣體會瞬間排出，因排水過程阻力較大，排氣之前存在一定的“憋壓”，氣體瞬間排出時會具有更高的速度。流場域中，高速氣體隨噴管軸線方向噴射在流場域中形成“氣絲”現(xiàn)象，形成瞬間排氣狀態(tài)；之后，模擬液艙內(nèi)殘余水隨氣體持續(xù)排出，流場域中“氣絲”現(xiàn)象逐漸消失，噴射管口形成的氣泡團在重力和表面張力的作用下上浮，并破碎成小氣泡，小氣泡之間也伴隨著聚并現(xiàn)象，最終形成穩(wěn)定排氣狀態(tài)。

圖3～5 示出了背壓為0.100 MPa 時各工況下穩(wěn)定排水、瞬間排氣、穩(wěn)態(tài)排氣狀態(tài)流場。

圖3 不同工況穩(wěn)定排水狀態(tài)流場示意

圖4 不同工況瞬間排氣狀態(tài)流場示意

圖5 不同工況穩(wěn)態(tài)排氣狀態(tài)流場示意

4 射流噪聲特性

4.1 總聲壓級

對水下淹沒射流過程所得聲模擬結(jié)果進行處理，可得到不同工況輻射聲源級輻射噪聲值，見 表3。

表3 射流噪聲模擬結(jié)果

4.2 噪聲頻譜分析

對不同吹除壓力的穩(wěn)定排水射流噪聲與排氣射流噪聲頻譜圖進行比較。

圖6 示出穩(wěn)態(tài)排水過程射流噪聲頻譜中，0～200 Hz 低頻段存在高峰值，而在全頻段，3，6， 9 kHz 左右均出現(xiàn)了高峰值，且不同吹除壓力下，此高峰值幅值相差不大，初步認為是數(shù)值模擬中出現(xiàn)的干擾；而吹除壓力增大，0～200 Hz 部分的峰值顯著變大，此頻段噪聲主要由排水管口所形成激勵產(chǎn)生。

圖6 穩(wěn)定排水射流噪聲頻譜

圖7 示出穩(wěn)態(tài)排氣過程射流噪聲頻譜中，呈現(xiàn)“寬頻帶”、“低頻”特征，且頻率主要集中在3 000 Hz 以內(nèi)。0～500 Hz 頻段存在高峰值區(qū)，1 000 Hz 左右頻段有高峰值區(qū)。對比排水噪聲頻譜，可認為 1 000 Hz 左右頻段噪聲由氣泡噪聲產(chǎn)生，包括氣泡體積振動和氣泡破碎、合并以及之間相互作用；而0～500 Hz 頻段的噪聲是氣泡在管口脫落產(chǎn)生，由排氣頻譜圖中也可看出，吹除壓力增大，0～500 Hz 頻段峰值區(qū)逐漸向頻率軸正向移動，是因為氣體速度增大，氣泡脫落管口的頻率逐漸增大。

圖7 穩(wěn)定排氣輻射噪聲頻譜圖

4.3 噪聲源特性理論分析

根據(jù)Lighthill 建立的噴注噪聲理論，淹沒射流過程中，排水過程的聲源以湍流噪聲的四級子聲源為主；排氣過程的聲源以流場內(nèi)的氣泡體積響應(yīng)產(chǎn)生的單極子聲源和氣泡振動產(chǎn)生的偶極子聲源為主。其中，單級子源的聲功率正比于流功率和馬赫數(shù)；偶極子源的聲功率正比于流功率馬赫數(shù)的3 次方；四級子源的聲功率與流功率、馬赫數(shù)的5 次方成正比。流功率量值是對流動能或流功率的一個度量，馬赫數(shù)項可被解釋為效率因子，水下兩相射流過程中，流速遠小于水下聲速，即馬赫數(shù)遠小于1。這種解釋表明，單極子，偶極子和四級子在流功率轉(zhuǎn)化為噪聲時效率逐漸降低，效率的增長率逐漸增大。因此，隨著流速一個相對小的增加，本來可以忽略的排氣噪聲源可能突然就變成了一個很重要的聲源。

由上分析也可知，輻射聲功率主要受流速影響，而流速主要由壓差決定，壓差越大，流速越高，故射流噪聲越大，這解釋了射流噪聲模擬計算的結(jié)果。

由前面對單極子源、偶極子源、四極子源聲輻射效率比較可以知道：淹沒兩相射流過程中，流場內(nèi)的氣泡體積響應(yīng)產(chǎn)生的單極子輻射和氣泡振動產(chǎn)生的偶極子輻射是主要的噪聲源，排水過程的湍流噪聲作為四極子聲源相對較弱。

5 結(jié)論

（1）建立的模擬液艙排水過程流場仿真模型模擬了淹沒兩相射流過程，并分析了模擬液艙和噴射管口位置的流場變化，為淹沒射流流場壓力變化提供了直觀結(jié)果。

（2）對吹除壓差變化條件下，噴射管口淹沒射流狀態(tài)的噪聲量級進行數(shù)值模擬表明，射流噪聲大小主要受吹除壓差影響。關(guān)于其影響因素和所屬噪聲源特類型的分析，可為提出針對性的減振措施提供方向。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果均表明，淹沒兩相射流過程中，模擬液艙排空后，形成的高壓氣體直接噴射進流場域的射流噪聲量級顯著上升。排氣射流噪聲呈現(xiàn)寬頻帶，低頻特征，其由氣泡在管口脫落和氣泡在流場力作用下氣泡體積振動及氣泡之間相互作用產(chǎn)生，是淹沒兩相射流過程的主要噪聲源，排水過程的湍流噪聲對淹沒兩相射流過程噪聲貢獻相對較小。