水下两相流噪声频谱研究实验装置的开发

许伟伟, 王庆功, 朱孔浩

(中国石油大学(华东) a. 储运与建筑工程学院; b. 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引 言

在喷水推进系统、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声。随着水下各种高速喷嘴装置以及新型推进系统——超导磁流体系统的出现，水下射流噪声及其引起的结构安全性问题也逐渐进入科学研究中[1-2]。近年来，两相流噪声已被确定为水下设备的重要噪声源,尤其是排气气泡噪声，早已成为诸如测量，化工生产等领域的痼疾[3-6]。如何控制这种噪声成为一个具有挑战性的问题。目前对水下两相流噪声的研究可以分为：通过实验分析水下射流噪声的频谱特性；通过商业软件分析水下射流的流场频谱规律；通过各种模拟理论，对水下射流噪声进行预测[7-15]。本文搭建水下两相流试验台，测试两相流噪声。本实验装置可用于观察水下气-液两相流流态发展，测试两相流噪声特性，分析两相流噪声影响因素。因此，本实验装置既可以用于课题学术研究，也可开展本科教学实验。

1 实验装置设计开发

1.1 实验装置流程

实验装置如图1所示。常温下空气进入空气压缩机进行压缩，高压空气通过软管进入高压空气储罐。高压的气源通过软管经过提前安装好的喷嘴射入装满水的水箱中，由空气射流产生的噪声被置于水中的水听器采集，把音频信号转变为电信号，传送至信号分析仪，再传至电脑进行信号显示和保存。实验中通过控制管路流阻大小来控制气流流量，得到不同的实验数据。

图1 实验装置示意图

1.2 实验装置构成

(1) SigMA(Signal Measurement & Analysis)信号测试系统。SigMA信号测试与分析系统是一款噪声、振动信号采集与回放的虚拟仪器软件，能够控制NI cDAQ和PXI系列设备进行数据采集，可实现传感器灵敏度校准、声级计虚拟仪器、数据时-频域实时显示及采集、采集数据回放等功能。

(2) 水听器。采用了RHS-30型标准水听器。

(3) 空气压缩机。采用无油静音空气压缩机，它噪声小，吸气效率高。功率1.8 kW，外型尺寸87 cm×32 cm×71 cm，工作压力0.8 MPa。

(4) 空气高压储罐。设计压力0.8 MPa，材料Q345R，容积0.5 m3，为试验提供稳定气源。

(5) 水槽。采用透明玻璃水槽，水槽尺寸500 cm×500 cm×1 500 mm的正方体。

(6) 应力式涡街流量计。采用应力式涡街流量计，公称压力为2.5 MPa。

(7) 喷嘴。测试了3种不同的喷嘴出口。扩散角分别为θ=0°，θ=30°，θ=60°。其喷管直径均为1 mm，材质均为不锈钢。实物图如图2所示。

(a) θ=0°(b) θ=30°(c) θ=60°

2 实验装置应用

2.1 气泡及射流形态

本实验装置可观察气泡发展形态及水下射流形态。图3为气泡发展形态，可以明显看出气泡的初形成、扩张、颈缩、脱离、变形等形态。图4为水下射流形态。

图3 气泡发展形态

由图4可知，对于固定喷嘴，流量较小时，气流流速也较小，射流基本不会有“空气穴”形成，从出口至液面气流流场较为均匀。当流量逐渐增大时，气流流速也逐渐增大，射流越来越容易形成“空气穴”，此时，“空气穴”的数量会从1个变为2个或者多个，“空气穴”的体积也会逐渐增大。在下方射流的冲击下，“空气穴”会发生相互融合的现象，然后一起移动至液面，发生破裂。

2.2 不同喷嘴下射流噪声的频谱特性

当射流流量相同时，测试得到的不同喷嘴下射流噪声的频谱特性有着明显的特征，如图5所示。由图5(a)可以看出，θ=0°的喷嘴和θ=60°的喷嘴噪声幅值均在200 Hz附近出现，θ=30°的喷嘴噪声幅值要低于200 Hz，出现在100 Hz附近，在非峰值频段，θ=0°的喷嘴和θ=60°的喷嘴的噪声频段跨度都要比θ=30°的喷嘴大，前两个喷嘴的频段跨度在0～1.5 kHz，而后者的频段跨度在0～750 Hz。由此得知，θ=30°的喷嘴的射流噪声特性最为理想，不仅噪声的最大频率要低于另外两个喷嘴，而且噪声的频率跨度要小于另外两个喷嘴，基本上只产生500 Hz以内的噪声。由图5(b)可见，3条曲线的特征与图5(a)类似，所得结果具有一致性。

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 不同气泡直径下气泡噪声的频谱特性

通过调节流量计与球阀，使喷嘴出口的气泡直径呈现不同大小，对此时的气泡噪声进行记录，后将原始数据通过傅里叶转换得到的频谱图，如图6所示。可利用Photoshop软件测量气泡直径,方法如下：以浅喷嘴产生单个气泡为例，首先找到气泡刚要脱离喷嘴时的照片，利用Photoshop软件标尺工具首先测量出照片中直尺所示10 mm的距离，再测量照片中气泡最大直径尺寸。对气泡噪声频率进行分析可知，随着气泡直径增大，噪声峰值所在频率值减小。气泡的直径越小，其比表面积越大，脱离喷嘴时，气泡所需克服的表面张力越大，因而直径小的气泡产生的噪声峰值频率更大。而气泡直径越大，气泡比表面积越小，气泡上下表面的压差越大，所以大直径气泡将更容易发生变形，导致大直径气泡噪声的峰值声压大于小直径气泡。

(a) 6.6 mm

(b) 6.9 mm

(c) 7.3 mm

3 结 语

实践表明，该实验装置可用于研究水下气泡发展形态、射流发展形态，又可开展射流噪声频谱特性的研究，亦可开展喷嘴参数、操作参数、物性参数等对两相流形态及两相流噪声影响的课题研究。可进行开放型教学实验，开展多种本科教学实验，有助于学生加深在多相流传热、热力学、传热学等课程中所学知识的理解，有助于学生开展自主创新实验研究，培养学生独立思考、勇于创新的精神，具有较强的实用价值。