帶消聲功能的潛艇換熱器聲學(xué)性能仿真

游彩霞, 裴植炫, 何雪松

(1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中國艦船研究設(shè)計中心 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛艇因其自身的隱蔽性、自給力、續(xù)航力和強大的攻擊能力等特點，成為現(xiàn)代海軍的主戰(zhàn)力量。在發(fā)展?jié)撏У年P(guān)鍵技術(shù)中以隱身技術(shù)為首。機械噪聲是潛艇在水下低速航行時的主要噪聲源，得到有效控制，但海水管道的噪聲較為突出。海水管道的振動和噪聲傳播至其他結(jié)構(gòu)，刺激其產(chǎn)生聲輻射；管道中的流動噪聲通過管壁輻射，直接進入出水口。為降低壓力脈動和水動力噪聲，普遍使用流體消聲器。為實現(xiàn)較好的噪聲控制效果，消聲器通常具有較大的尺寸和質(zhì)量，對總體的布置和質(zhì)量控制均帶來較大影響，特別是對空間質(zhì)量限制嚴格的潛艇，問題更為突出[1-2]。

提出一種帶消聲功能的換熱器，在實現(xiàn)海水/淡水換熱功能的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)耗散作用和氣囊體積的可變性，優(yōu)化管路流場，衰減流體壓力脈動和水動力噪聲。一個設(shè)備實現(xiàn)換熱器和消聲器兩個設(shè)備的功能，可較大節(jié)省總體空間和質(zhì)量需求[3]。通過數(shù)值計算驗證其全頻段的消聲效果，并探討其結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對消聲性能的影響規(guī)律。

1 帶消聲功能換熱器建模

1.1 物理模型

潛艇換熱器具有復(fù)雜且不規(guī)則的耦合結(jié)構(gòu)，其聲學(xué)性能研究較為復(fù)雜，在建模時將氣囊簡化為簡單的膨脹腔進行處理，不考慮流體的壓力脈動對氣囊產(chǎn)生的微小變形。物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型

換熱器外殼采用鋼結(jié)構(gòu)，換熱器內(nèi)管壁采用銅結(jié)構(gòu)。氣囊部分的密度為1 100 kg/m3，彈性模量為1.4×108Pa，泊松比為0.49。在腔體內(nèi)分布的隔板上均勻分布直徑為6 mm的穿孔，穿孔率為20.0%。

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮換熱器內(nèi)部主要為穿孔和插孔，且由于局部流體不可壓縮，因此采用標準k-ε模型進行求解和分析。根據(jù)質(zhì)量、能量和動量守恒定律，可建立如下控制方程：

連續(xù)性方程為

(1)

運動方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

式(1)～式(3)中：ρ為密度；t為時間；p為靜壓；V為速度矢量；E為總能；τij為剪切應(yīng)力；k為流體傳熱系數(shù)；SK為熱源項。

2 消聲原理和聲學(xué)性能

2.1 環(huán)狀氣囊消聲原理

水動力噪聲通過透水孔板到達充有氮氣的氣囊上，氣囊厚度為3 mm，穿孔板的穿孔率為 20.0%。氣囊內(nèi)的壓力一般為管路系統(tǒng)壓力的60%～100%。在流體流進時，流體壓力脈動會使外腔體內(nèi)的氣囊產(chǎn)生微小變形，這樣可減少流體脈動，減少管道系統(tǒng)的噪聲和振動。有囊式消聲器的優(yōu)點是可在較寬的頻率范圍內(nèi)吸收流體壓力脈動[4]。

2.2 消聲器聲學(xué)性能要求及其評價

消聲器的主要聲學(xué)性能要求是需要在較寬的消聲頻率范圍內(nèi)擁有較多的消聲量。消聲器的聲學(xué)性能評價可用消聲量表示，其評價參數(shù)包括插入損失、傳遞損失和末端降噪量。傳遞損失可反映消聲器本身的傳遞特性且僅取決于消聲器本身的形狀和介質(zhì)特性，不受消聲器以外因素的干擾，在理論計算中較常用的是傳輸損失評估參數(shù)。研究僅對消聲器的傳遞損失進行仿真對比分析[5-6]。

3 換熱器溫度場分析

由于溫度對流體的密度和聲速等具有密切關(guān)聯(lián)，在換熱器中經(jīng)常會出現(xiàn)較大的溫度梯度，因此介質(zhì)屬性存在較大差異，必然會影響聲音的傳播[7]。冷流體入口溫度為293 K、熱流體入口溫度為363 K的換熱器內(nèi)部溫度場云圖可在VirtualLab上觀察。換熱器內(nèi)部總體溫度變化不大，溫度最高區(qū)域主要集中于熱流體入口所在的前半段區(qū)域，表明流體在該區(qū)域聚集，流速較小，散熱緩慢，溫度梯度變化緩慢；隨著換熱器中的溫度升高，腔體中的流速和聲音傳播速度增加；隨著溫度升高，有囊式消聲器的傳輸損失的峰值頻率移動至高頻，但傳輸損失的最大值保持不變[4]。

4 流場影響下的聲學(xué)特性

傳統(tǒng)的聲學(xué)處理是基于聲波在靜態(tài)介質(zhì)中的傳播。在介質(zhì)以高于馬赫數(shù)0.3的速度流動時，流速效應(yīng)會導(dǎo)致聲音傳播性質(zhì)發(fā)生較大變化。聲音的傳播特性因流場效應(yīng)的存在而產(chǎn)生明顯的變化，在分析其傳遞損失時，必須考慮流場對聲音傳播的影響[7-8]。在Fluent中仿真得到的流動模擬網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)果作為聲學(xué)仿真中的聲源。

5 氣囊消聲效果

通過Ansys軟件，分別建立有囊式和無囊式消聲器的換熱器，并將由計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)計算得到的流場網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入VirtualLab，得到有囊式和無囊式消聲器的傳遞損失曲線，如圖2所示。由圖2可知：有環(huán)狀橡膠氣囊的換熱器的聲學(xué)性能相對于無環(huán)狀橡膠氣囊的換熱器具有大幅的提升，尤其在低頻段具有更好的消聲性能[9-10]。這證明有囊式消聲器可通過自身結(jié)構(gòu)衰減壓力脈動，降低換熱管道中的聲輻射問題。

圖2 有囊式和無囊式消聲器的傳遞損失曲線

6 氣囊設(shè)計參數(shù)對消聲性能的影響規(guī)律

可設(shè)計性是有囊式消聲器的一大優(yōu)勢，盡管囊式結(jié)構(gòu)的基體和材料一致，但通過改變氣腔長度、穿孔直徑和穿孔率等，即可使結(jié)構(gòu)的固有頻率、彈性模量和阻抗等發(fā)生改變，影響結(jié)構(gòu)的消聲性能。有必要對不同設(shè)計參數(shù)帶來的影響規(guī)律進行研究。

6.1 氣腔長度

氣囊氣腔是直接與流體接觸的部分，可通過自身的微小變形衰減相應(yīng)的壓力脈動，提升消聲性能。采用控制變量法，分別對氣腔長度為60 mm、80 mm、97 mm的有囊式消聲器進行計算，傳遞損失結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：通過觀察其峰值的明顯變化，驗證氣腔長度的增長可提高有囊式消聲器的消聲性能，符合預(yù)期。

圖3 不同氣腔長度傳遞損失曲線

6.2 穿孔直徑

采用控制變量法，將穿孔板的穿孔率固定為20.0%，將穿孔直徑14 mm改為7 mm，在保持冷熱流體流速不變的前提下，對不同直徑的直通穿孔管消聲器進行計算，傳遞損失結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：穿孔直徑主要對峰值具有一定影響，對其他頻帶的影響較小；在恒定穿孔率和流速的情況下，孔內(nèi)流速基本相等，穿孔處的聲阻變化較小，對聲波的耗散作用相似，在傳遞損失曲線的中高頻段傳遞損失增量與無流情況基本相同。

圖4 不同穿孔直徑傳遞損失曲線

6.3 穿孔率對消聲器聲學(xué)性能的影響

其他主體結(jié)構(gòu)不變，保持穿孔直徑和冷熱流體的流速不變，將穿孔率分別取15.0%和7.5%進行計算，傳遞損失結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：在穿孔率降低后，其峰值和頻率均降低，但對較低頻段和較高頻段聲學(xué)特性的影響并不大。

圖5 不同穿孔率傳遞損失曲線

7 結(jié) 論

提出一種帶消聲功能的換熱器，通過建立仿真模型和進行傳遞損失計算，證明有囊式消聲器的消聲效果。通過囊式結(jié)構(gòu)參數(shù)的可設(shè)計性，利用控制變量法定量改變設(shè)計參數(shù)，分別研究氣腔長度、穿孔直徑和穿孔率對氣囊消聲效果的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)隨著氣腔長度的增長，有囊式消聲器整體的消聲性能得到穩(wěn)定提高，在實際工程運用中可選用合適的氣腔長度，達到理想的效果。

(2)穿孔板的穿孔直徑對有囊式消聲器消聲性能的影響主要體現(xiàn)為對其峰值具有一定影響；在恒定穿孔率和流速的情況下，孔內(nèi)流速基本相等，穿孔處的聲阻變化較小，對聲波的耗散作用相似，在傳遞損失曲線的中高頻段傳遞損失增量與無流情況基本相同。

(3)穿孔板的穿孔率對有囊式消聲器消聲性能的影響與頻率有關(guān)，主要對其峰值和頻率影響明顯。