船體結(jié)構(gòu)流水孔、透氣孔、通焊孔和密性焊段孔

備案信息

備案號(hào)：23831-2008 2100433B

潛艇流水孔是指開(kāi)設(shè)在潛艇非耐壓非水密結(jié)構(gòu)上，用于潛艇上浮下潛時(shí)供液體自由進(jìn)出的開(kāi)口。由于流體流經(jīng)流水孔時(shí)，流場(chǎng)中的非定常性會(huì)產(chǎn)生各種尺度的旋渦及湍流引發(fā)的脈動(dòng)，作用于艇體外表面導(dǎo)致壓力波動(dòng)，破壞表面湍流附面層內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)而形成流噪聲，其對(duì)潛艇航行隱身性能產(chǎn)生一定的影響，降低了潛艇的隱蔽性，威脅潛艇的生存。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心張楠 沈泓萃等針對(duì)潛艇流水孔結(jié)構(gòu)精確仿真了流水孔的內(nèi)外流場(chǎng)特性。上海交通大學(xué)付慧萍 等人采用美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署DARPA 的潛艇模型SUBOFF 作為研究對(duì)象，研究了大渦仿真方法在潛艇流動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算中的作用。張楠等人的研究結(jié)果側(cè)重于單一形式流水孔內(nèi)外流動(dòng)特性的差異，而沒(méi)有探討多流水孔工況下特性。付慧萍等人的結(jié)論為潛艇流噪聲的研究提供了很好的預(yù)報(bào)方法，但是其研究重點(diǎn)側(cè)重于潛艇外流場(chǎng)繞流特性，而對(duì)于內(nèi)外流場(chǎng)之間流體交換問(wèn)題卻沒(méi)有涉及。

本文基于Fluent 軟件平臺(tái)，利用大渦仿真技術(shù)計(jì)算潛艇流噪聲的優(yōu)勢(shì)，對(duì)潛艇流水孔三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值仿真，準(zhǔn)確仿真了流水孔內(nèi)外流場(chǎng)交換問(wèn)題，通過(guò)對(duì)流水孔的數(shù)量、形狀，尺寸以及流動(dòng)速度做變工況處理，分析了流水孔參數(shù)改變對(duì)潛艇流噪聲水平的影響，獲得了一定的流水孔流噪聲特性規(guī)律。

流水孔網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

以單流水孔為基礎(chǔ)，平板長(zhǎng)300mm，寬100mm，前后流動(dòng)域長(zhǎng)度采用1 /2 板長(zhǎng)，流動(dòng)內(nèi)腔為長(zhǎng)300mm，寬100mm，高50mm 的長(zhǎng)方體。流水孔形狀為邊長(zhǎng)20mm 的正方形，與流動(dòng)內(nèi)腔成斜45° 角相連，內(nèi)部流動(dòng)深度為5mm。本文主要研究流體自入口進(jìn)入流動(dòng)域，經(jīng)流水孔進(jìn)入流動(dòng)內(nèi)腔，再回流至流動(dòng)域，經(jīng)出口流出的過(guò)程中流水孔的流噪聲特性。采用接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)流水孔與流動(dòng)域和流動(dòng)內(nèi)腔的連接，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格生成，總數(shù)為503000。在速度入口邊界指定流動(dòng)的速度和湍流參數(shù)，在流動(dòng)出口邊界指定流動(dòng)的回流湍流參數(shù)，壁面指定無(wú)滑移條件。為了更清晰的計(jì)算流水孔附近的阻力特性，設(shè)置邊界層，在壁面附近分布較密的網(wǎng)格。本文設(shè)置2 個(gè)水聽(tīng)器對(duì)流噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，用以有效檢測(cè)流水孔對(duì)平板流噪聲的影響。1#水聽(tīng)器位于平板中心上方一倍流水孔厚度(5mm)的高度，用于監(jiān)控流動(dòng)域湍流噪聲。2#水聽(tīng)器位于流水孔內(nèi)部中心位置，用于監(jiān)控流水孔內(nèi)流動(dòng)漩渦噪聲。

流水孔單流水孔仿真分析

以單流水孔為計(jì)算模型，設(shè)定速度入口來(lái)流速度為5m / s，為了分析流水孔的存在對(duì)平板流噪聲特性的影響。由圖知，平板開(kāi)孔前后噪聲分布產(chǎn)生了明顯的變化，流水孔位置( 流水孔上表面中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)) 處產(chǎn)生了較多的流噪聲特征點(diǎn)，而且這些特征點(diǎn)的聲功率峰值相對(duì)較高，說(shuō)明流水孔的存在對(duì)流噪聲的產(chǎn)生具有重要的影響。平板開(kāi)孔后兩處測(cè)點(diǎn)的流噪聲水平明顯提升。以流噪聲特征點(diǎn)( 曲線峰值點(diǎn)) 為比較量，可知: 開(kāi)孔后特征點(diǎn)向低頻區(qū)轉(zhuǎn)移，說(shuō)明流水孔模型對(duì)于平板流噪聲的影響，不僅體現(xiàn)在流噪聲數(shù)值的增加上，還體現(xiàn)在特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率上，開(kāi)孔后其低頻特性將變得更加突出。為了更直觀地表示平板開(kāi)孔前后流噪聲水平的變化，采用1 /3oct 濾波器采樣，引入總聲級(jí)作為比較量進(jìn)行聲學(xué)分析，其中心頻率按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 的推薦，選定為: (1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0)× 10，本文m = 2，3。平板開(kāi)孔前后，因流水孔存在帶來(lái)的流噪聲改變占有相當(dāng)?shù)谋戎?，考慮到本文所選模型流水孔與平板面積之比為1:7.5，所以總聲級(jí)計(jì)算結(jié)果基本合理。對(duì)兩組水聽(tīng)器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，2#水聽(tīng)器計(jì)算結(jié)果高于1#水聽(tīng)器，這是由于1#水聽(tīng)器位于湍流附面層外，這樣做可以有效地平均掉湍流噪聲壓力，降低水聽(tīng)器對(duì)流噪聲的響應(yīng)。而2#水聽(tīng)器位于流水孔流動(dòng)漩渦中心，由于流水孔內(nèi)流動(dòng)正負(fù)壓力不平衡的原因，其對(duì)流噪聲的響應(yīng)較大，所以造成了兩種位置流噪聲數(shù)值上的差異。

針對(duì)流水孔的流噪聲特性，對(duì)單流水孔模型做四種來(lái)流速度(5m /s、10m /s、15m /s、20m /s)下的流噪聲特性對(duì)比，隨著來(lái)流速度的增大，流水孔模型流噪聲特性呈現(xiàn)出與來(lái)流速度成正比的普遍規(guī)律。而且，流噪聲曲線振蕩現(xiàn)象更加明顯，說(shuō)明速度對(duì)流噪聲的穩(wěn)定性具有一定的影響。流水孔流噪聲與來(lái)流速度呈正比例關(guān)系，來(lái)流速度從10m /s 到20m /s 的過(guò)程中，流噪聲增加了10dB 左右。潛艇噪聲級(jí)與航速有關(guān)，當(dāng)航速超過(guò)戰(zhàn)斗巡航速度(7.5m / s)時(shí)，潛艇噪聲級(jí)與速度的6 次方成正比，也就意味著潛艇速度每增加一倍，噪聲級(jí)將增加18dB。考慮到潛艇噪聲包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲、水動(dòng)力噪聲三部分，本文給出的流水孔噪聲僅為潛艇噪聲的一部分，結(jié)合潛艇噪聲其他影響因子，本文數(shù)據(jù)較為合理。

流水孔流水孔形狀

針對(duì)不同流水孔形狀，對(duì)潛艇流噪聲特性影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，前提條件為流水孔面積相同，取形狀分別為正方形( 邊長(zhǎng) 20mm)圓形(半徑11.287mm)、菱形(底角60°，邊長(zhǎng)21.492 mm)以及長(zhǎng)方形(40mm × 10mm)，對(duì)其在5m /s 來(lái)流速度下進(jìn)行數(shù)值仿真比較。四種模型流噪聲水平歸為兩類:

1)正方形和圓形流水孔全頻段噪聲級(jí)水平居于160dB 以下，二者低頻段聲壓級(jí)峰值較為接近。不同點(diǎn)在于，圓形流水孔高頻段噪聲級(jí)略高于正方形流水孔，其整體流噪聲水平又略低于正方形流水孔。

2)菱形和長(zhǎng)方形流水孔流噪聲水平較為接近，二者低頻段聲壓級(jí)峰值和高頻穩(wěn)定段噪聲級(jí)水平均處于同一水平，所以可以認(rèn)為二者流噪聲水平相近。

四種形狀流水孔在各測(cè)點(diǎn)的噪聲特性較為統(tǒng)一，整體呈現(xiàn)為正方形流水孔流噪聲最低 之后依次為圓形流水孔、菱形流水孔、長(zhǎng)方形流水孔。這一規(guī)律與現(xiàn)在各國(guó)海軍潛艇流水孔普遍采用正方形作為制式標(biāo)準(zhǔn)相吻合，計(jì)算結(jié)果較為可信。

流水孔流水孔尺寸

針對(duì)流水孔尺寸對(duì)潛艇流噪聲特性的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以單流水孔為模型，以正方形流水孔 ( 邊長(zhǎng) 20mm) 模型為基礎(chǔ)，維持流水孔寬度不變，改變流水孔長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)流水孔尺寸改變比例α = 0.5、1、2、4、8。在5m /s來(lái)流速度下進(jìn)行數(shù)值仿真比較。流水孔尺寸顯著影響開(kāi)孔平板流噪聲的水平，且隨著流水孔尺寸比例的增大，流噪聲呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在α = 2時(shí)達(dá)到最大，說(shuō)明流水孔尺寸的改變對(duì)平板流噪聲的影響并不是單調(diào)變化的，而是存在一個(gè)峰值尺寸。將α = 2與其它四種比例時(shí)的情形進(jìn)行對(duì)比可以看出:

1)尺寸減小時(shí)，整個(gè)頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越小，高頻帶降低的幅度越大。

2)尺寸增大時(shí)，整個(gè)頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越大，低頻帶降低的幅度越大。

3)對(duì)比尺寸減小和增大時(shí)，噪聲整體水平的降低情況可以看出，尺寸減小引起的流噪聲較小。

單孔平板模型因流水孔與流動(dòng)內(nèi)腔相連，所以可以近似認(rèn)為其為單孔吸聲結(jié)構(gòu)。因流體流經(jīng)平板表面時(shí)所產(chǎn)生的流噪聲在高頻帶為白噪聲 不同結(jié)構(gòu)對(duì)白噪聲的吸聲頻率不同，本文對(duì)單孔平板模型作基于流水孔尺寸的改變，那么不同的尺寸比例所對(duì)應(yīng)的吸聲頻率也將有所不同。

另外，Liebermann從理論上證明了，離子弛豫機(jī)制和粘滯性將會(huì)導(dǎo)致水聲吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系。根據(jù)流體力學(xué)的概念，流體在平板表面以及流水孔內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘滯阻尼，不同尺寸的流水孔會(huì)產(chǎn)生不同的粘滯性，因此水聲吸收系數(shù)不同，從而會(huì)產(chǎn)生不同的流噪聲水平。

綜上所述可知: 在本文數(shù)值仿真前提下，流水孔尺寸比例α = 2時(shí)，對(duì)流噪聲的吸收頻帶最少，因此吸聲最少，總聲級(jí)最大。而減小尺寸比例可獲得較低的噪聲輻射水平。因此通過(guò)優(yōu)化流水孔的尺寸，可以達(dá)到有效降低流噪聲水平的目的。

流水孔流水孔數(shù)量

針對(duì)流水孔數(shù)量對(duì)潛艇力學(xué)特性的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以單流水孔為研究模型，以正方形流水孔(邊長(zhǎng)20mm)模型為基礎(chǔ)，改變平板模型流水孔開(kāi)孔數(shù)量，實(shí)現(xiàn)流水孔數(shù)量N = 1、2、4、8，在5m /s 來(lái)流速度下進(jìn)行數(shù)值仿真比較。由于流體流經(jīng)流水孔產(chǎn)生的湍動(dòng)漩渦以及壓力波動(dòng)區(qū)域會(huì)造成流噪聲的不穩(wěn)定，所以噪聲源的分布在流水孔間分布并不是簡(jiǎn)單的疊加，而是呈現(xiàn)出一種相互干涉的現(xiàn)象: 位于中間位置的流水孔聲功率峰值最大，而后逐漸向兩側(cè)遞減，離速度入口以及流動(dòng)出口最近的流水孔噪聲源聲功率峰值最小，整體趨勢(shì)為“拋物線”形狀。結(jié)論知，這可能是由于湍流附面層導(dǎo)致的湍流層流噪聲壓力未被有效平均，從而在多流水孔中，出現(xiàn)流噪聲在流水孔之間相對(duì)不平均的現(xiàn)象。

為了更直觀地顯示開(kāi)孔平板流噪聲水平隨流水孔數(shù)量的變化率。由表可知:流水孔數(shù)量由1 增加到8 時(shí)，流噪聲增幅在13dB 以上，說(shuō)明多孔結(jié)構(gòu)流噪聲水平更高。整體而言，流噪聲水平與流水孔數(shù)量呈正比例關(guān)系。這說(shuō)明流水孔數(shù)量對(duì)不同位置處的噪聲影響不同，這可以從流水孔縱剖面湍流分布來(lái)分析。單流水孔中，流水孔內(nèi)湍流漩渦較流動(dòng)域壁面湍流活動(dòng)更為激烈，所以 2#水聽(tīng)器流噪聲數(shù)據(jù)較高。而對(duì)于 8 個(gè)流水孔，液體在流動(dòng)內(nèi)腔流動(dòng)時(shí)逐漸衰減，即離速度入口最近的流水孔流動(dòng)最激烈，然后逐級(jí)衰減。而對(duì)于流動(dòng)域壁面流動(dòng)來(lái)說(shuō)，其規(guī)律正好相反。本文以潛艇流水孔為研究對(duì)象，通過(guò)改變流水孔模型參數(shù)，得出流水孔的流噪聲特性。結(jié)論如下:

1) 平板開(kāi)孔后流水孔附近湍流活動(dòng)增強(qiáng)，噪聲源分布點(diǎn)增多，導(dǎo)致平板流噪聲整體水平的提升。

2) 流體流經(jīng)正方形、圓形、菱形以及長(zhǎng)方形四種流水孔時(shí)，流噪聲水平以正方形流水孔最低，而后是圓形流水孔，長(zhǎng)方形流水孔最大。

3) 流水孔尺寸的改變對(duì)平板流噪聲的影響并不是單調(diào)的，而是存在一個(gè)峰值尺寸，該尺寸下噪聲級(jí)最高。本文結(jié)果為流水孔形狀、尺寸及數(shù)量的匹配設(shè)計(jì)和潛艇航行降噪研究提供參考，對(duì)于流水孔流噪聲特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是下一步解決的問(wèn)題。 2100433B