張德滿，趙俊濤，鄧鵬，張祿京，王博

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

一些處于水下運(yùn)行的裝置，在工作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生需要向水中排放的氣體，氣體直接排入水中會(huì)產(chǎn)生較大的排氣噪聲，嚴(yán)重影響水下裝置的工作性能[1– 2]。

為降低裝置的水下排氣噪聲，許多學(xué)者開(kāi)展了水下排氣噪聲理論及試驗(yàn)研究工作。郝宗睿等[3～5]研究表明，其他參數(shù)相同條件下，水下排氣時(shí)，從排氣口脫落氣泡尺寸越小，排氣噪聲越低，減小排氣氣泡尺寸，是降低排氣噪聲的有效途徑之一。

Minnaert[6]等研究結(jié)果表明，氣體排入水中形成氣泡的直徑大小可由式（1）計(jì)算得到，其主要受水密度、氣體密度、排氣口直徑等因素影響。

式中：ρl為液體密度；ρg為氣體密度；g為重力常數(shù)；D0為排氣口直徑；σ 為氣泡表面張力系數(shù)。

由式（1）可知，為減小排入水中氣泡的直徑，最直接的辦法是減小排氣口直徑D0。目前工程上也多通過(guò)減少排氣口直徑的方法，來(lái)減小氣泡直徑，但由式（1）可知，排氣口直徑與氣泡直徑之間是三次方關(guān)系，單獨(dú)通過(guò)減小排氣口直徑的方法收益較小。工程上排氣口直徑過(guò)小又會(huì)帶來(lái)堵塞等次生問(wèn)題。

從排氣口脫落氣泡的最終體積為膨脹階段體積與脫離階段體積之和，如下式

式中：V為氣泡脫離后的體積；Ve為膨脹階段體積；Q為排氣口處流量；τf為氣泡脫離時(shí)間。

氣泡的最終體積越小，氣泡直徑自然也越小，因此，如能為氣泡上浮提供額外的力，使氣泡及時(shí)克服表面張力，盡快脫離氣流，即減小氣泡脫離時(shí)間 τf，也能有效減小氣泡直徑。

為了有效減小氣泡直徑，降低排氣噪聲，本文通過(guò)采用氣泡生成器上小尺寸通氣縫排氣以及采用水流沖刷的方法，為氣泡脫離提供剪切力，減小氣泡脫離時(shí)間的方法，減小水中排氣時(shí)氣泡直徑。采用高速顯微攝像及噪聲測(cè)量方法，對(duì)水下排氣時(shí)氣泡的形成過(guò)程及不同氣泡直徑對(duì)排氣噪聲的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 水下排氣氣泡生成特征試驗(yàn)

1.1 氣泡生成器介紹

氣泡生成器由螺紋孔座、多孔支撐架、橡膠皮及卡箍組合而成，如圖1 所示。

圖1 氣泡生成器示意圖Fig.1 Schematic diagram of bubble generator

橡膠皮上整齊穿刺通氣縫，排放氣體通過(guò)螺紋孔座板進(jìn)入氣泡生成器，穿過(guò)多孔支撐架上的氣孔，再?gòu)南鹉z皮上的通氣縫排入水中。因橡膠皮具有彈性，通氣縫具有一定的剪切力，在氣泡生成過(guò)程中可以輔助克服氣泡表面張力，有利于生成小直徑氣泡。

試驗(yàn)通過(guò)選用通氣縫長(zhǎng)度分別為2 mm 和1 mm 的氣泡生成器進(jìn)行試驗(yàn)，研究氣泡生成特征，并通過(guò)增加水流沖刷，為氣泡提供脫離力的方法進(jìn)一步減小氣泡直徑。

1.2 氣泡生成過(guò)程高速顯微攝像試驗(yàn)臺(tái)架

為研究水下氣泡生成特征，搭建了高速顯微攝像試驗(yàn)臺(tái)架，如圖2 所示，試驗(yàn)臺(tái)架主要由氣泡生成器、透明水池、高速攝像機(jī)、顯微鏡頭、LED 燈、水泵、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等組成。氣瓶中的氣體經(jīng)過(guò)管路上的調(diào)節(jié)閥，調(diào)成適合單只氣泡生成器的流量，后進(jìn)入氣泡生成器，在透明水池中生成小直徑氣泡。水泵可從水池下部吸水，通過(guò)水管路上的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，模擬不同流量的水流，對(duì)氣泡生成器表面的氣泡進(jìn)行沖刷。

為減少上浮氣泡對(duì)攝像效果的影響，試驗(yàn)時(shí)將觀測(cè)點(diǎn)布置于氣泡生成器下部，將LED 燈布置在觀測(cè)點(diǎn)的正后方，形成陰影法攝像光路。調(diào)整高速攝像機(jī)的位置，使得被觀測(cè)氣泡處于顯微攝像鏡頭的聚焦平面內(nèi)。用高速攝像機(jī)分別記錄通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 和1 mm氣泡生成器上氣泡生成過(guò)程，以及增加水流沖刷時(shí)氣泡生成過(guò)程。

1.3 不同通氣縫長(zhǎng)度時(shí)氣泡生成過(guò)程

氣泡生成器的通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)，氣泡生成過(guò)程如圖3 所示，每張圖中存在有主氣泡和次生氣泡，在主氣泡生成前24 ms，主氣泡與次生氣泡一直相連，氣泡生成器中的氣體通過(guò)次生氣泡進(jìn)入主氣泡，使主氣泡逐漸變大。主氣泡在脫離次生氣泡之前為不規(guī)則球形，表面較粗糙。隨著氣泡體積不斷增大，其浮力也不斷增大，最終在浮力作用下，主氣泡與次生氣泡脫離。主氣泡與次生氣泡脫離之后，氣泡呈較規(guī)則球形，脫離時(shí)主氣泡尺寸約1.5 mm。

圖3 通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 氣泡形成過(guò)程Fig.3 Bubble formation process with vent joint length of 2 mm

氣泡生成器的通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 時(shí)，氣泡生成過(guò)程見(jiàn)如圖4 所示，主氣泡在脫離氣泡生成器表面之前，無(wú)次生氣泡產(chǎn)生，主氣泡生成初期，氣泡呈較規(guī)則球形，表面比較光滑。氣泡最終直徑約0.5 mm，遠(yuǎn)小于通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)的氣泡尺寸。

圖4 通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 氣泡形成過(guò)程Fig.4 Bubble formation process with vent joint length of 1 mm

1.4 水流沖刷的影響分析

采用通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 的氣泡生成器繼續(xù)試驗(yàn)。啟動(dòng)水泵，通過(guò)調(diào)節(jié)閥，分別將沖刷水流速度調(diào)至0 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s 和0.9 m/s，穩(wěn)定后，分別記錄氣泡的最終狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 不同水流速度時(shí)氣泡尺寸Fig.5 Bubble size at different water velocities

相對(duì)于水流速度為0 m/s，水流速度為0.3 m/s 時(shí)，氣泡直徑由0.5 mm 左右減小到0.25 mm 左右，水流速度為0.6 m/s 時(shí)，氣泡直徑減小為0.15 mm 左右，水流速度為0.9 m/s 時(shí)，氣泡直徑減小為0.1 mm 左右。因此采用水流沖刷的方法可以有效減小氣泡直徑。

2 水下排氣噪聲測(cè)試試驗(yàn)

分別在采用內(nèi)徑為25 mm 的管路直接排放、通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 的氣泡生成器排放和通氣縫長(zhǎng)度為1 mm的氣泡生成器排放3 種工況下，測(cè)量水下排氣噪聲，研究氣泡生成器排放的降噪效果。

在采用通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 的氣泡生成器排放時(shí)，分別增加0 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s 和0.9 m/s 水流沖刷，測(cè)量水下噪聲，研究水流沖刷的降噪效果。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)時(shí)將20 只氣泡生成器固定安裝在一個(gè)敞口容器中，組合成排氣裝置。間見(jiàn)圖6，裝置底部均布水管路，可以在氣泡生成器排氣過(guò)程中采用水流對(duì)其表面進(jìn)行沖刷，單只氣泡生成器最大排氣流量為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下3 m3/h，試驗(yàn)時(shí)總排氣流量為60 m3/h，采用內(nèi)徑為25 mm 的管路直接排放時(shí)排氣流量也為60 m3/h。

圖6 氣泡生成器與管路排氣噪聲對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of exhaust noise between bubble generator and pipeline

試驗(yàn)時(shí)將排氣裝置放到水下10 m（裝置上表面距水平面10 m）。水聽(tīng)器布置于距離排氣裝置上表面和側(cè)面都為1 m 的位置，水聽(tīng)器測(cè)量誤差小于0.1 dB。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)某輻射噪聲值為基準(zhǔn)值，記為0 dB，本文所述輻射噪聲值，都為減去基準(zhǔn)值得到的數(shù)值。試驗(yàn)前測(cè)量了水池的背景噪聲，背景噪聲總級(jí)與所有試驗(yàn)工況總級(jí)的差值都大于10 dB，滿足測(cè)噪要求。測(cè)量各種工況水下噪聲的1/3 倍頻帶分別如圖6 和圖7 所示。

圖7 水流對(duì)排氣噪聲的影響Fig.7 Influence of water flow on exhaust noise

由圖6 可以看出，排氣總流量相同時(shí)，采用通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 和1 mm 的排氣裝置排放時(shí)，排氣噪聲總級(jí)分別比采用25 mm 管路直接排放低18 dB 和21 dB，且2 000 Hz 以下的中、低頻排氣噪聲降低明顯。說(shuō)明采用氣泡生成器減小排氣氣泡的直徑，可以有效降低排氣噪聲，且氣泡直徑越小，降噪效果越好。

由圖7 可以看出，因水流沖刷使氣泡直徑變小，增加水流沖刷之后，400 Hz 以下低頻噪聲進(jìn)一步降低，但400 Hz 以上中、高頻噪聲隨之增加。水流從0 m/s增加到0.3 m/s 時(shí)，排氣噪聲總級(jí)降低了6 dB，但是水流本身也存在自己的噪聲，且流速越大，中、高頻噪聲越大，因此增加水流后，噪聲總級(jí)雖有降低，但幅度較小，水流從0.3 m/s 增加到0.9 m/s，總噪聲只降低了2 dB。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）采用氣泡生成器可以有效降低水下排氣時(shí)氣泡的直徑，通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)氣泡直徑為1.5 mm 左右，通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 時(shí)氣泡直徑為0.5 mm 左右。

2）減小排放氣泡直徑可以降低中低頻排氣噪聲，氣泡直徑越小，排氣噪聲越小?？偱艢饬髁繛?0 m3/h時(shí)，相對(duì)于內(nèi)徑為25 mm 的管路直接排放，采用通氣縫長(zhǎng)度為2 mm 排氣裝置排放時(shí)排氣噪聲降低18 dB，采用通氣縫長(zhǎng)度為1 mm 排氣裝置排放時(shí)排氣噪聲降低21 dB。

3）采用水流沖刷的方法可以使排氣氣泡直徑進(jìn)一步降低，并降低低頻排氣噪聲，增加0.3 m/s 水流時(shí)，噪聲總級(jí)降低了6 dB。但是水流增大時(shí)，水流自身的中、高頻噪聲會(huì)隨之增大，總噪聲降低幅度較小，水流從0.3 m/s 增加到0.9 m/s，總噪聲降低2 dB。