水中含氣對螺旋槳空泡噪聲的影響

水中含氣對螺旋槳空泡噪聲的影響

0試驗(yàn)過程中所需含氣量的影響螺旋槳噪聲是船舶輻射噪聲的主要聲源之一。在艦艇的高速行駛中，不可避免地會發(fā)生空氣泡噪聲。影響螺旋槳空氣泡噪聲的因素包括：粘性、粗糙度、空氣含量、氣核譜、無序流和疲勞等?？諝夂康臄?shù)量影響初始值的空化數(shù)，影響螺旋槳的水動力特性和螺旋槳的動脈壓，對螺旋槳的空氣泡噪聲有一定的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了觀察和清晰地記錄，所需的含量非常低。從確保實(shí)際船的運(yùn)行和確保測試結(jié)果的良好連續(xù)性出發(fā)，需要更高的含量。同時，大量氣核也是必要的。為了減少模型效應(yīng)，保持船型與實(shí)際船之間的良好相關(guān)性，含有大量氣芯。如果包含的氣體密度高，空化更容易發(fā)生。最重要的特征是空化位于主缸的中間。在這種情況下，隨著空氣泡的數(shù)量減小，導(dǎo)面的空氣泡變大，因此導(dǎo)面的空氣泡是不穩(wěn)定的。如果空氣含量較低，即低泡沫密度，則導(dǎo)面的空氣泡不太均勻，氣泡較小，且氣泡不長，因此從側(cè)面分離和融合的空氣泡，并出現(xiàn)大的空氣泡。如果含量量過大，空氣泡出生在主缸附近。在主缸的主缸底部的高壓區(qū)，大量氣泡的持續(xù)時間短且迅速擴(kuò)展。導(dǎo)面上的空氣泡被分成分散的漩渦，從而改變流結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)的噪聲隨邊緣擴(kuò)散而傳播，沒有統(tǒng)一。在這項(xiàng)工作中，我們使用了模擬試驗(yàn)方法，研究了水土含量對螺旋槳噪聲的影響和影響規(guī)律。通過模型試驗(yàn)分析了實(shí)際船只的工作。1試驗(yàn)設(shè)施、模型和測量方法選擇某高速方尾船模型及配套的5葉大側(cè)斜螺旋槳為試驗(yàn)對象,在大型循環(huán)水槽中對其進(jìn)行測試.1.1大型循環(huán)水質(zhì)模型試驗(yàn)大型循環(huán)水槽的尺度為:58m×6.5m×16.2m,試驗(yàn)段尺度為:10.5m×2.2m×2.0m,為立式循環(huán)水槽,貯水量1840t,最大流速15m/s.最低空泡數(shù)為0.05,低背景噪聲90～100dB,驅(qū)動電機(jī)3600kW,轉(zhuǎn)速5～90r/min.試驗(yàn)在大型循環(huán)水槽中進(jìn)行,完整的船體模型放入水中,從而使伴流場可得到較好的模擬.1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.2.1體.1個主、3個球鼻模型用玻璃鋼制作,在船模后半部做了剛度加強(qiáng)處理.附體包括1個球鼻首、2塊舭龍骨、2對防搖鰭、2個軸包套、單臂支架、雙臂支架與舵.船模主尺度見表1.1.2.2槳模參數(shù)試驗(yàn)中有1對可調(diào)距螺旋槳模型,包括左、右旋各1只.槳模材料為黃銅,主尺度見表2.1.3表3顯示了試驗(yàn)設(shè)備及其測量、測量和精度1.4噪聲試驗(yàn)測試根據(jù)實(shí)船每個航速下的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)速空泡數(shù),計算得到模型試驗(yàn)時的槳模轉(zhuǎn)速和工作段水速及壓力,調(diào)節(jié)并達(dá)到穩(wěn)定的試驗(yàn)工況后,進(jìn)行0.5～80kHz頻段內(nèi)的噪聲譜級和總聲級測量.用聲陣和單水聽器測量螺旋槳模型的輻射噪聲,包括低頻噪聲譜級和寬帶噪聲譜級.聲陣平面中心和單水聽器位于左右螺旋槳模型連線中點(diǎn)的正下方.其中,聲陣平面中心位于下方3.03m,單水聽器位于下方2.03m.具體步驟如下.1)測試0.5～80kHz頻段內(nèi)不同航速下的噪聲譜級和總聲級.試驗(yàn)時水槽中水的相對空氣含量約為0.58.2)船模速度3.10m/s工況,改變水中相對空氣含量,分別為0.50,0.68,0.82,測試0.5～80kHz頻段內(nèi)的噪聲譜級和總聲級(參考級:1mV/MPa).3)常壓狀態(tài),船模純自航時槳模噪聲測量.測試0.5～80kHz頻段內(nèi)的噪聲譜級和總聲級,相應(yīng)船模速度為2.48和2.97m/s.充氣效果與充氣位置、流量和空泡的性質(zhì)等因素有關(guān).本試驗(yàn)中,含氣量的調(diào)節(jié)是通過試驗(yàn)裝置直接向循環(huán)水槽中充氣,消除了充氣位置的影響.2轉(zhuǎn)速不同的噪聲為了測量不同船速、不同含氣量對螺旋槳空泡噪聲的影響,本試驗(yàn)進(jìn)行了同一含氣量下,不同船速時螺旋槳模型的輻射噪聲的測量以及給定速度下,不同含氣量情況下螺旋槳模型輻射噪聲測量.螺旋槳模型的輻射噪聲,包括低頻噪聲譜級和寬帶噪聲譜級.試驗(yàn)結(jié)果表明:同一含氣量,模擬實(shí)船不同航速工況時,噪聲的總聲級隨著航速增加逐步增加;模擬實(shí)船某一航速工況,水中不同含氣量時,測量得到的噪聲總聲級隨含氣量的增加而下降,但槳?？张菪螒B(tài)無明顯的區(qū)別.測試結(jié)果如圖1,2所示.由圖1可以看出:模擬實(shí)船不同航速工況時,噪聲的總聲級隨著航速增加逐步增加.水中含氣量一定時,噪聲隨速度的變化受頻率的影響很大.0.5～1.25kHz頻段內(nèi)噪聲隨速度的增加而增大;1.25～10kHz頻段內(nèi)噪聲隨速度的增加而減小;10kHz以上噪聲隨速度的增加而增大.總的來講,噪聲的總聲級隨著航速增加逐步增加,槳模出現(xiàn)空泡后,頻率大于10kHz的高頻段的噪聲譜級明顯上升.高頻階段,船模航速由2.12m/s增至2.86m/s,再到3.24m/s,輻射噪聲隨航速增加而劇增;船模航速到3.37m/s后,噪聲基本保持不變,甚至稍有下降.在試驗(yàn)中可觀測到:每個航速工況,槳模上無葉面空化.槳模出現(xiàn)的為葉背片空泡,隨著航速的增加,葉背片空泡面積增大,出現(xiàn)的梢渦空泡呈較穩(wěn)定的透明薄片狀.在高航速工況時,葉背出現(xiàn)泡空泡,會有螺旋槳表面剝蝕的可能.泡空泡的噪聲遠(yuǎn)大于片空泡,航速變大,噪聲值變大.水中含氣量對噪聲的作用,相關(guān)的文獻(xiàn)有不同的看法.文獻(xiàn)認(rèn)為:當(dāng)氣量由零逐漸增大時,降噪明顯.當(dāng)含氣量到一定值時已接近極大值,若再增大氣量,降噪不會明顯增加甚至可能下降,這是由于排氣自噪聲隨排氣量增大而增大之故.而文獻(xiàn)認(rèn)為:聲源強(qiáng)度正比于液體密度與空泡體積變化加速度的乘積.氣體含量雖然增加,空泡的生存時間延長,但體積的變化加速度仍然增加,所以輻射的噪聲增加.其在考慮問題時只是考慮了單極子的情形,而忽略了偶極子以及四極子的情況.文獻(xiàn)中提到:隨著空化的發(fā)展,回轉(zhuǎn)體空化噪聲譜的低頻升高,而高頻段的噪聲則相對下降.下降的原因是由于空化充分發(fā)展以后,片狀空泡的尾部破碎后,其產(chǎn)生的大量空泡之間對高頻聲波具有屏蔽和聲吸收作用,這也促使空化噪聲的高端譜下降.本試驗(yàn)通過改變水中含氣量,測試螺旋槳模型的輻射噪聲.測試結(jié)果表明:噪聲值隨含氣量的增加而變小.圖2為在同一速度下不同含氣量時的噪聲測量值.從圖2中可以看到:模擬實(shí)船航速工況,船模速度3.10m/s時,改變水中含氣量,測量得到的噪聲總聲級隨著含氣量的增加略有下降.為了進(jìn)一步看清楚含氣量變化對噪聲值的影響,繪制了圖3.圖3是含氣量為0.50與0.82之間噪聲測量值的差值變化曲線.由圖3可知:噪聲值降低的幅度隨頻率呈拋物線規(guī)律變化.低頻與最高頻率范圍內(nèi),噪聲值降幅不是很大.頻率為5～8kHz范圍內(nèi),噪聲值降幅最大,隨著含氣量的增加,噪聲值降低20dB左右.含氣量的增加導(dǎo)致噪聲值減少的原因有三方面.首先,空氣含量增加,空泡變強(qiáng),空泡面積變大,空泡角度范圍變大.從而使高頻階段的空化充分發(fā)展,大空泡增多,大尺寸空泡潰滅的時間變長,引起單個空泡的輻射聲壓譜向低頻偏移,從而導(dǎo)致整個空化噪聲譜發(fā)生偏移,使噪聲值變小.其次,隨著含氣量增加,水中的氣核量增加,氣核和空泡內(nèi)含氣量的增加,改變了水的聲學(xué)特性,水中的氣核和氣泡,起到了聲吸收聲屏蔽的作用.同時,隨著水中含氣量的增加,空泡內(nèi)的氣體含量增加,空氣對空泡的潰滅起到緩沖作用,降低了空泡的潰滅強(qiáng)度.這樣噪聲值就隨含氣量的增加而下降.實(shí)船航行過程中,水中的氣核比較豐富,水中的含氣量很高,接近或是達(dá)到飽和狀態(tài).船模在循環(huán)水槽中進(jìn)行測試過程中,水中的含氣量可進(jìn)行控制.模型試驗(yàn)的目的是為了更好地模擬實(shí)船的工作狀態(tài),通過模型試驗(yàn)的結(jié)果,預(yù)報實(shí)船工作狀態(tài).本試驗(yàn)在大型循環(huán)水槽中進(jìn)行,完整的船模放入水中,伴流場得到較好的模擬.通過增加含氣量,水中氣體的狀態(tài)也接近實(shí)船狀態(tài),進(jìn)一步減小了尺度效應(yīng).根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果可知(圖2),含氣量0.68與0.82噪聲值比較接近.氣量越高,對噪聲值的影響越小.結(jié)合模型試驗(yàn)和實(shí)船工作的特點(diǎn),可初步確定實(shí)船航行時水中含氣量的一個范圍,不低于0.68,當(dāng)含氣量高于0.68時,實(shí)船和模型可很好結(jié)合,含氣量對空泡噪聲的影響基本可忽略.有關(guān)的試驗(yàn)就要求含氣量不低于0.60.3含氣量和頻率對噪聲的影響1)水中含氣量一定時,槳模出現(xiàn)空泡后,噪聲的總聲級隨著航速增加逐步增加,頻率大于10kHz的高頻段的噪聲譜級明顯上升.2)水中不同含氣量時,測量得到的噪聲總聲級隨著含氣量的增加略有下降.同一速度下,噪聲值隨含氣量的增加而減少.2～2.5kHz頻率段減的幅度最大,都在10dB以上,頻率為6.3kHz時降幅最大,達(dá)20.2dB.3)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可得知:噪聲值隨速度的變化受頻率的影響很大.0.5～1.25kHz頻率段,噪聲值隨速度的增加而增大;1.2