吳小兵， 王久法， 張曉宇

(1.海軍研究院， 北京 100161； 2.哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第710研究所,湖北 宜昌 443003； 4.南開大學(xué) 人工智能學(xué)院， 天津 300350)

反水雷裝備作為清除水雷障礙的特有武器，對(duì)于海上安全具有重要的支撐和保障作用，作為反水雷的主要手段之一，掃雷采用聲、磁掃雷具模擬艦船物理場(chǎng)誘爆水雷。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外典型聲掃雷具尺寸和重量都較大、功率需求高、系統(tǒng)復(fù)雜[1]。隨著無人平臺(tái)技術(shù)在反水雷領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，需要一種新型驅(qū)動(dòng)源的輕小型發(fā)聲器來適應(yīng)USV等小型平臺(tái)的需求，同時(shí)還能夠作為高速掃雷聲源，用于直升機(jī)掃雷?；趥鹘y(tǒng)掃雷具只能裝備于專業(yè)反水雷艦艇的局限性，迫切需要研制重量輕、體積小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的小型掃雷具，以適應(yīng)艦船、直升機(jī)等不同平臺(tái)的搭載需求[2-3]。應(yīng)用噴流技術(shù)模擬艦船輻射噪聲是反水雷技術(shù)的一次創(chuàng)新。高壓海水從旋轉(zhuǎn)噴頭噴出時(shí)可產(chǎn)生強(qiáng)大的噴流噪聲，其峰值頻率與噴頭旋轉(zhuǎn)頻率一致。通過調(diào)節(jié)高壓水泵的輸出壓力、噴嘴的直徑及旋轉(zhuǎn)頻率，可對(duì)不同頻譜特性的聲源進(jìn)行模擬。采用此方法，可實(shí)現(xiàn)掃雷聲源的輕量化和小型化，為后期發(fā)展小型化反水雷裝備提供技術(shù)支撐。諸多學(xué)者以Lighthill聲比擬理論為理論基礎(chǔ)開展了噴流噪聲的研究，取得了大量的研究成果。Willams[4]分析了噴流聲源遷移效應(yīng)與輻射噪聲指向性之間的關(guān)系。Lilley[5]采用線化Euler方程，獲得了包含流場(chǎng)散射效應(yīng)的方程。Tam等[6-7]采用漸進(jìn)匹配展開以及穩(wěn)定性分析等方法，對(duì)超音速噴流所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析。汪海洋等[8-9]通過試驗(yàn)比較了標(biāo)準(zhǔn)、V槽、三角凸臺(tái)等不同形式噴嘴結(jié)構(gòu)的噴流噪聲，并提出了噪聲控制方法。楊樹人等[10]分析了空化射流空化效果與噴嘴結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。常書平等[11]利用穩(wěn)態(tài)多參考系，采用不同的湍流模型對(duì)噴水流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。劉永偉等[12]采用有限元法分析水射流噪聲與來流速度間的關(guān)系，并開展了相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。程廣利等[13]開展了消聲水池測(cè)試試驗(yàn)，研究了不同流速條件下水射流輻射噪聲規(guī)律。Wang等[14]研究了射流孔的位置、流量等變化對(duì)空化的影響規(guī)律。上述研究均以控制和降低噴流噪聲為基本目的開展。如將該技術(shù)用于掃雷，反而期望在體積、重量、輸入壓力等限制條件下，盡可能提升噴流噪聲。其中，噴嘴作為噴流聲源的關(guān)鍵執(zhí)行元件，直接影響著水射流的流體動(dòng)力特性以及輻射噪聲的頻譜特性。在應(yīng)用到反水雷領(lǐng)域時(shí)，噴流聲源輻射噪聲的頻譜特性直接關(guān)系到掃雷的有效性。因此，為提升噴流聲源的掃雷性能，研究各種結(jié)構(gòu)形式的噴嘴水射流輻射噪聲特性具有重要的意義。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、水射流理論及數(shù)值仿真理論等為基礎(chǔ)，建立了風(fēng)琴管形、角形以及圓柱形等不同噴嘴結(jié)構(gòu)的水射流的流體動(dòng)力學(xué)模型，并基于Lighthill聲比擬理論，建立了水射流的噪聲理論模型，分析不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)壓力輻射噪聲的影響規(guī)律。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及噴流的流體動(dòng)力模型

噴流聲源的工作原理為高壓水流過噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射噪聲。當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，高壓水射流的運(yùn)動(dòng)也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響噴流聲源的輻射噪聲特性。

本文研究的噴嘴結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1～3所示，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式依次命名為風(fēng)琴管形噴嘴、角形空化噴嘴以及圓柱形噴嘴。風(fēng)琴管形噴嘴與其他噴嘴相比沒有收縮角，因此噴嘴內(nèi)部階躍水流對(duì)噴嘴壁面的壓力較大；角形空化噴嘴相比于圓柱形噴嘴在圓柱段后面加入了擴(kuò)散角，該噴嘴利用出口擴(kuò)散段形狀的改變，從而加劇射流和周圍液體之間的剪切作用；圓柱形噴嘴在圓錐形噴嘴后面加了一段圓柱段，該段可加強(qiáng)噴嘴對(duì)水流層的匯聚效果。

風(fēng)琴管形噴嘴的尺寸參數(shù)如圖1所示：入口直徑d1=22 mm，風(fēng)琴口直徑d2=7 mm，噴嘴各處內(nèi)徑分別為d3=2.1 mm，d4=4.5 mm，d5=5.5 mm，出口處擴(kuò)散角β=90°，風(fēng)琴管軸向長(zhǎng)度L1=50 mm，噴嘴長(zhǎng)L2=7 mm，擴(kuò)散角軸向長(zhǎng)度L3=4.5 mm。

圖1 風(fēng)琴管形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 The size parameters of the tubular nozzle

角形空化噴嘴的尺寸參數(shù)如圖2所示：入口直徑d1=10 mm，入口處收縮角α=14°，出口處擴(kuò)散角β=60°，其軸向長(zhǎng)度L3=1.5 mm，噴嘴內(nèi)徑d2=1.8 mm，噴嘴長(zhǎng)L2=4.5 mm。

圖2 角形空化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 The size parameters of the angular cavitation nozzle

圓柱形噴嘴的尺寸參數(shù)如圖3所示：入口直徑d1=6 mm，噴嘴內(nèi)徑d2=1.8 mm，入口處收縮角α=40°，噴嘴總長(zhǎng)度L1=30 mm，噴嘴圓柱段長(zhǎng)度L2=3 mm。

圖3 圓柱形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 The size parameters of the tubular nozzle

水介質(zhì)具有一定的粘性，水射流從噴嘴射出后，會(huì)迅速與周圍的海水介質(zhì)相互作用，使水射流的邊界逐漸變大，即水射流從噴嘴噴出后會(huì)以錐形狀進(jìn)行擴(kuò)散。至一定距離后，水射流與周圍水介質(zhì)的作用將逐漸變小，直至消失。噴嘴水射流的運(yùn)動(dòng)由流體力學(xué)3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)控制方程得到，對(duì)于不可壓縮性的海水流體，其連續(xù)性方程為：

(1)

不可壓縮性流體的N-S方程為：

(2)

式中：ux、uy、uz分別為流體質(zhì)點(diǎn)沿x軸、y軸、z軸的速度；X、Y、Z分別為沿x軸、y軸、z軸的外力；p為壓強(qiáng)；ρ為液體的密度；ν為動(dòng)力粘度。

由于噴嘴中的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流，還需要考慮湍流的控制方程。湍流模型中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度，適用范圍較大，通過以往的研究可知，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可用于噴嘴水射流運(yùn)動(dòng)中。

k方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

ε方程為：

(4)

(5)

式中：Gb和YM均取值為0；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取值為1.44、1.92、0.9；σk是與湍動(dòng)能對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取值為1.3；σε是與散耗率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取值為1.0。μt為湍流黏度，可以表示成湍動(dòng)能和散耗率的函數(shù) 0.9ρk2/ε。

2 水射流噪聲理論

高速水射流流場(chǎng)為強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的湍流噪聲；同時(shí)，噴嘴橫截面積急劇變小時(shí)，水流流速隨之快速增加。根據(jù)伯努利方程可知，流體壓強(qiáng)也會(huì)隨之急劇下降。當(dāng)流體壓強(qiáng)下降到低于該溫度條件下液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體會(huì)產(chǎn)生空化氣泡；當(dāng)空化氣泡破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空化噪聲?？栈肼晫儆诿}動(dòng)源(單極子)類型，聲強(qiáng)主要集中在高頻段，一般在幾千至幾十萬赫茲頻段范圍內(nèi)。

聲掃雷具主要用于模擬艦船輻射噪聲，在遠(yuǎn)離水雷處誘爆水雷，保護(hù)艦船的安全。高頻聲在海水中的衰減較快，難以傳播到較遠(yuǎn)的距離；同時(shí)，艦船正常航行時(shí)，其輻射噪聲的能量主要集中在低頻段，高頻段的能量相對(duì)較小。因此，在設(shè)計(jì)噴流式聲掃雷具時(shí)，研究人員更關(guān)心低頻段的輻射噪聲，以實(shí)現(xiàn)低頻段輻射噪聲特征與艦船相似。綜合考慮上述因素，本文暫不考慮空化噪聲的影響，而將關(guān)注點(diǎn)集中到湍流噪聲上。

Lighthill聲比擬理論是所有湍流噪聲理論的基礎(chǔ)，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合渦聲理論，建立風(fēng)琴管形噴嘴、角形空化噴嘴以及圓柱形噴嘴的湍流噪聲理論模型。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可以得到：

(6)

式中u為流體質(zhì)點(diǎn)的速度。由于在穩(wěn)態(tài)噴射過程中，不存在外力作用，因此外力X、Y、Z均為0。

將式(2)代入式(6)，并忽略高階小量，可得到：

(7)

式中：c0為液體的聲速；ω為渦量。

在自由空間條件下，遠(yuǎn)場(chǎng)處的聲壓可表示為：

(8)

式中：G(x,t;y,τ)為Green函數(shù)；d為相對(duì)距離；q=ρ·divL；L=ω×u。

將噴嘴水射流輻射噪聲聲壓轉(zhuǎn)變?yōu)槁晧杭?jí)為：

(9)

式中P0為參考聲壓值，取值為1.0×10-6Pa。

3 壓力場(chǎng)與噪聲場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析

在入口額定壓力為15 MPa的初始條件下，本文分別計(jì)算了3種不同噴嘴結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生壓力場(chǎng)和輻射噪聲，并分析壓力場(chǎng)及輻射噪聲與噴嘴結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

3.1 壓力場(chǎng)分析

3種噴嘴的壓力場(chǎng)云圖分別如圖4所示。從3幅流場(chǎng)總壓力分布云圖中可以看出在噴嘴噴腔內(nèi)壓力分布較為均勻，壓力值較高，在噴嘴頸部的入口處均發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中出現(xiàn)的高壓區(qū)域，噴嘴的出口處壓力逐漸減小出現(xiàn)明顯的梯度，風(fēng)琴管形噴嘴出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)域，說明噴嘴內(nèi)部會(huì)發(fā)生空化效應(yīng)。3種噴嘴在流場(chǎng)軸線上的壓力變化如圖5所示。對(duì)流場(chǎng)軸線上壓力變化圖的分析可以看出流體在進(jìn)入噴嘴頸部的位置出現(xiàn)較大峰值，該峰值對(duì)應(yīng)圖中高壓區(qū)域，角形噴嘴中的峰值最小，這是由于噴嘴收縮角度較小，導(dǎo)致流體流動(dòng)較平穩(wěn)。根據(jù)噴嘴的建模尺寸，風(fēng)琴管形噴嘴和圓柱形噴嘴分別在噴嘴出口附近處壓力值急劇降低，而在角形噴嘴中的擴(kuò)散角區(qū)域壓力值并不平穩(wěn)，并且出現(xiàn)第2個(gè)壓力峰值，這是由于擴(kuò)散段形狀加劇射流和周圍液體之間的剪切作用對(duì)流場(chǎng)的影響結(jié)果。

圖4 3種類型噴嘴流場(chǎng)壓力分布云圖Fig.4 Pressure distributions of flow field of three nozzles

圖5 3種類型噴嘴流場(chǎng)軸線上的壓力變化趨勢(shì)Fig.5 Trends of pressure change on flow field axis of three nozzles

3.2 噪聲場(chǎng)分析

為了研究噴嘴水射流近場(chǎng)輻射噪聲以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的特性，分別計(jì)算了2個(gè)場(chǎng)點(diǎn)處的聲壓級(jí)。場(chǎng)點(diǎn)1位于噴嘴軸線離出口10 mm處，場(chǎng)點(diǎn)2位于距噴嘴出口100 m處。

圖6分別給出了3種噴嘴水射流噪聲在場(chǎng)點(diǎn)1、場(chǎng)點(diǎn)2處的聲壓頻譜曲線圖，從圖6中可以看出，在場(chǎng)點(diǎn)1處，頻率在40 Hz范圍內(nèi)，3種噴嘴結(jié)構(gòu)的水射流噪聲幾乎相同，其聲壓譜級(jí)隨著頻率的增加而下降，當(dāng)頻率大于40 Hz后，風(fēng)琴管形噴嘴的水射流噪聲總體上大于角形和圓柱形噴嘴，在所有的頻率上，風(fēng)琴管形噴嘴的聲壓級(jí)均不小于140 dB，角形和圓柱形噴嘴均不小于130 dB。

圖6 3種噴嘴在不同場(chǎng)點(diǎn)處的聲壓頻譜曲線Fig.6 Pressure spectrums at different points of three nozzles

在場(chǎng)點(diǎn)2處，3種噴嘴結(jié)構(gòu)的水射流噪聲在1 000 Hz以內(nèi)的聲壓級(jí)均不小于50 dB，考慮傳播衰減，水射流噪聲的聲源級(jí)不小于172 dB，可滿足對(duì)艦船聲場(chǎng)的模擬。不過，與角形和圓柱形噴嘴的輻射噪聲相比，頻率在20～500 Hz，風(fēng)琴管形噴嘴的頻譜特性更豐富，具有多個(gè)峰值，且聲壓級(jí)更大，與艦船輻射噪聲的相似程度更高。因此，對(duì)比3種噴嘴水射流噪聲的傳播特性可知，風(fēng)琴管形噴嘴在結(jié)構(gòu)上更有利于噴流聲源中的聲波傳播到外部流場(chǎng)，提升聲源在遠(yuǎn)場(chǎng)處的性能，在掃雷應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

1)風(fēng)琴管形和圓柱形噴嘴的水射流具有更大的壓力峰值，角形噴嘴的水射流流動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，角形噴嘴由于擴(kuò)散段形狀加劇射流和周圍液體之間的剪切作用，存在著2個(gè)壓力峰值。

2)風(fēng)琴管形、角形噴嘴和圓柱形噴嘴噴嘴所產(chǎn)生的輻射噪聲的聲源級(jí)均大于172 dB，而風(fēng)琴管形噴嘴遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲低頻段能量更豐富，在反水雷應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3)本文的研究可為聲掃雷具小型化提供一種思路，對(duì)采用噴流聲源的聲掃雷具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其與水雷聲引信對(duì)抗的掃雷有效性驗(yàn)證等工作具有重要參考價(jià)值。