基于減小氣泡直徑的水下排氣降噪技術

張德滿，趙俊濤，鄧鵬，張祿京，王博

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

一些處于水下運行的裝置，在工作過程中，會產生需要向水中排放的氣體，氣體直接排入水中會產生較大的排氣噪聲，嚴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，許多學者開展了水下排氣噪聲理論及試驗研究工作。郝宗睿等[3～5]研究表明，其他參數相同條件下，水下排氣時，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]等研究結果表明，氣體排入水中形成氣泡的直徑大小可由式（1）計算得到，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；D0為排氣口直徑；σ 為氣泡表面張力系數。

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減少排氣口直徑的方法，來減小氣泡直徑，但由式（1）可知，排氣口直徑與氣泡直徑之間是三次方關系，單獨通過減小排氣口直徑的方法收益較小。工程上排氣口直徑過小又會帶來堵塞等次生問題。

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，使氣泡及時克服表面張力，盡快脫離氣流，即減小氣泡脫離時間 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，減小氣泡脫離時間的方法，減小水中排氣時氣泡直徑。采用高速顯微攝像及噪聲測量方法，對水下排氣時氣泡的形成過程及不同氣泡直徑對排氣噪聲的影響進行試驗研究。

1 水下排氣氣泡生成特征試驗

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，排放氣體通過螺紋孔座板進入氣泡生成器，穿過多孔支撐架上的氣孔，再從橡膠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。

試驗通過選用通氣縫長度分別為2 mm 和1 mm 的氣泡生成器進行試驗，研究氣泡生成特征，并通過增加水流沖刷，為氣泡提供脫離力的方法進一步減小氣泡直徑。

1.2 氣泡生成過程高速顯微攝像試驗臺架

為研究水下氣泡生成特征，搭建了高速顯微攝像試驗臺架，如圖2 所示，試驗臺架主要由氣泡生成器、透明水池、高速攝像機、顯微鏡頭、LED 燈、水泵、流量計、調節閥等組成。氣瓶中的氣體經過管路上的調節閥，調成適合單只氣泡生成器的流量，后進入氣泡生成器，在透明水池中生成小直徑氣泡。水泵可從水池下部吸水，通過水管路上的調節閥調節，模擬不同流量的水流，對氣泡生成器表面的氣泡進行沖刷。

為減少上浮氣泡對攝像效果的影響，試驗時將觀測點布置于氣泡生成器下部，將LED 燈布置在觀測點的正后方，形成陰影法攝像光路。調整高速攝像機的位置，使得被觀測氣泡處于顯微攝像鏡頭的聚焦平面內。用高速攝像機分別記錄通氣縫長度為2 mm 和1 mm氣泡生成器上氣泡生成過程，以及增加水流沖刷時氣泡生成過程。

1.3 不同通氣縫長度時氣泡生成過程

氣泡生成器的通氣縫長度為2 mm 時，氣泡生成過程如圖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次生氣泡進入主氣泡，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，氣泡呈較規則球形，脫離時主氣泡尺寸約1.5 mm。

圖3 通氣縫長度為2 mm 氣泡形成過程Fig.3 Bubble formation process with vent joint length of 2 mm

氣泡生成器的通氣縫長度為1 mm 時，氣泡生成過程見如圖4 所示，主氣泡在脫離氣泡生成器表面之前，無次生氣泡產生，主氣泡生成初期，氣泡呈較規則球形，表面比較光滑。氣泡最終直徑約0.5 mm，遠小于通氣縫長度為2 mm 時的氣泡尺寸。

圖4 通氣縫長度為1 mm 氣泡形成過程Fig.4 Bubble formation process with vent joint length of 1 mm

1.4 水流沖刷的影響分析

采用通氣縫長度為1 mm 的氣泡生成器繼續試驗。啟動水泵，通過調節閥，分別將沖刷水流速度調至0 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s 和0.9 m/s，穩定后，分別記錄氣泡的最終狀態，如圖5 所示。

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

相對于水流速度為0 m/s，水流速度為0.3 m/s 時，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，氣泡直徑減小為0.15 mm 左右，水流速度為0.9 m/s 時，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 水下排氣噪聲測試試驗

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

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

2.1 試驗臺架

試驗時將20 只氣泡生成器固定安裝在一個敞口容器中，組合成排氣裝置。間見圖6，裝置底部均布水管路，可以在氣泡生成器排氣過程中采用水流對其表面進行沖刷，單只氣泡生成器最大排氣流量為標準狀態下3 m3/h，試驗時總排氣流量為60 m3/h，采用內徑為25 mm 的管路直接排放時排氣流量也為60 m3/h。

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

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

2.2 試驗結果

設某輻射噪聲值為基準值，記為0 dB，本文所述輻射噪聲值，都為減去基準值得到的數值。試驗前測量了水池的背景噪聲，背景噪聲總級與所有試驗工況總級的差值都大于10 dB，滿足測噪要求。測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，采用通氣縫長度為2 mm 和1 mm 的排氣裝置排放時，排氣噪聲總級分別比采用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，排氣噪聲總級降低了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 結語

本文通過理論分析和試驗研究，得到以下結論：

1）采用氣泡生成器可以有效降低水下排氣時氣泡的直徑，通氣縫長度為2 mm 時氣泡直徑為1.5 mm 左右，通氣縫長度為1 mm 時氣泡直徑為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。總排氣流量為60 m3/h時，相對于內徑為25 mm 的管路直接排放，采用通氣縫長度為2 mm 排氣裝置排放時排氣噪聲降低18 dB，采用通氣縫長度為1 mm 排氣裝置排放時排氣噪聲降低21 dB。

3）采用水流沖刷的方法可以使排氣氣泡直徑進一步降低，并降低低頻排氣噪聲，增加0.3 m/s 水流時，噪聲總級降低了6 dB。但是水流增大時，水流自身的中、高頻噪聲會隨之增大，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。