水下兩相流噪聲頻譜研究實驗裝置的開發

許偉偉, 王慶功, 朱孔浩

(中國石油大學(華東) a. 儲運與建筑工程學院; b. 化學工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在噴水推進系統、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系統——超導磁流體系統的出現，水下射流噪聲及其引起的結構安全性問題也逐漸進入科學研究中[1-2]。近年來，兩相流噪聲已被確定為水下設備的重要噪聲源,尤其是排氣氣泡噪聲，早已成為諸如測量，化工生產等領域的痼疾[3-6]。如何控制這種噪聲成為一個具有挑戰性的問題。目前對水下兩相流噪聲的研究可以分為：通過實驗分析水下射流噪聲的頻譜特性；通過商業軟件分析水下射流的流場頻譜規律；通過各種模擬理論，對水下射流噪聲進行預測[7-15]。本文搭建水下兩相流試驗臺，測試兩相流噪聲。本實驗裝置可用于觀察水下氣-液兩相流流態發展，測試兩相流噪聲特性，分析兩相流噪聲影響因素。因此，本實驗裝置既可以用于課題學術研究，也可開展本科教學實驗。

1 實驗裝置設計開發

1.1 實驗裝置流程

實驗裝置如圖1所示。常溫下空氣進入空氣壓縮機進行壓縮，高壓空氣通過軟管進入高壓空氣儲罐。高壓的氣源通過軟管經過提前安裝好的噴嘴射入裝滿水的水箱中，由空氣射流產生的噪聲被置于水中的水聽器采集，把音頻信號轉變為電信號，傳送至信號分析儀，再傳至電腦進行信號顯示和保存。實驗中通過控制管路流阻大小來控制氣流流量，得到不同的實驗數據。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗裝置構成

(1) SigMA(Signal Measurement & Analysis)信號測試系統。SigMA信號測試與分析系統是一款噪聲、振動信號采集與回放的虛擬儀器軟件，能夠控制NI cDAQ和PXI系列設備進行數據采集，可實現傳感器靈敏度校準、聲級計虛擬儀器、數據時-頻域實時顯示及采集、采集數據回放等功能。

(2) 水聽器。采用了RHS-30型標準水聽器。

(3) 空氣壓縮機。采用無油靜音空氣壓縮機，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) 空氣高壓儲罐。設計壓力0.8 MPa，材料Q345R，容積0.5 m3，為試驗提供穩定氣源。

(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) 應力式渦街流量計。采用應力式渦街流量計，公稱壓力為2.5 MPa。

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

(a) θ=0°(b) θ=30°(c) θ=60°

2 實驗裝置應用

2.1 氣泡及射流形態

本實驗裝置可觀察氣泡發展形態及水下射流形態。圖3為氣泡發展形態，可以明顯看出氣泡的初形成、擴張、頸縮、脫離、變形等形態。圖4為水下射流形態。

圖3 氣泡發展形態

由圖4可知，對于固定噴嘴，流量較小時，氣流流速也較小，射流基本不會有“空氣穴”形成，從出口至液面氣流流場較為均勻。當流量逐漸增大時，氣流流速也逐漸增大，射流越來越容易形成“空氣穴”，此時，“空氣穴”的數量會從1個變為2個或者多個，“空氣穴”的體積也會逐漸增大。在下方射流的沖擊下，“空氣穴”會發生相互融合的現象，然后一起移動至液面，發生破裂。

2.2 不同噴嘴下射流噪聲的頻譜特性

當射流流量相同時，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，θ=30°的噴嘴噪聲幅值要低于200 Hz，出現在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噴嘴，而且噪聲的頻率跨度要小于另外兩個噴嘴，基本上只產生500 Hz以內的噪聲。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

通過調節流量計與球閥，使噴嘴出口的氣泡直徑呈現不同大小，對此時的氣泡噪聲進行記錄，后將原始數據通過傅里葉轉換得到的頻譜圖，如圖6所示。可利用Photoshop軟件測量氣泡直徑,方法如下：以淺噴嘴產生單個氣泡為例，首先找到氣泡剛要脫離噴嘴時的照片，利用Photoshop軟件標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。對氣泡噪聲頻率進行分析可知，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，氣泡所需克服的表面張力越大，因而直徑小的氣泡產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生變形，導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 語

實踐表明，該實驗裝置可用于研究水下氣泡發展形態、射流發展形態，又可開展射流噪聲頻譜特性的研究，亦可開展噴嘴參數、操作參數、物性參數等對兩相流形態及兩相流噪聲影響的課題研究?？蛇M行開放型教學實驗，開展多種本科教學實驗，有助于學生加深在多相流傳熱、熱力學、傳熱學等課程中所學知識的理解，有助于學生開展自主創新實驗研究，培養學生獨立思考、勇于創新的精神，具有較強的實用價值。