高温高压水水下排放降噪方案研究硕士学位论文.doc

Y 1 2 1 1 492分类号；密级：U D C：编号：工学硕士学位论文高温高j匠r；水水下I排放同皿同JJ、】1卜似 降噪方案研究硕士研究生：刘现星 指导教师：韩伟实教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：核能科学与工程所在单位：核科学与技术学院 论文提交日期：2007年2月26日 论文答辩日期：2007年3月9日 学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要高温高压水直接排空时会产生强烈的喷注噪声，向水中直接排放时，会产生强烈的空化噪声，从而产生噪声污染。本论文的核心问题是如何对高温高压排放水进行处理，降低噪声 的产生，并使之减小到容许的水平。在对高温高压水临界两相流，喷 射泵工作原理，排放噪声产生机理进行充分分析和研究的基础上，结 合对紧凑性的要求，提出了一种新的排放方案，即高温高压排污水通 过喷射泵引射冷却水，利用空化的滞后性，在大规模汽化前发生对排 污水进行有效冷却，减少汽泡的产生。在喷射泵后添加消声器，进一 步降低噪声。本文对喷射泵和消声器进行了设计。通过ANSYS建模，利用流 体计算软件FLUENT对喷射泵性能及消声器阻力性能进行了计算分 析；利用声学计算软件sYSNOIsE对消声器的声学性能进行了计算与 分析，为增强冷却效果，减少结构阻力损失，提高消声器消声性能指 出了研究方向。通过实验对方案的可行性进行了验证。方案既可用于 解决动力装置中由于高温高压水的排空而产生的强烈噪声污染，也可 用于解决高温高压水水下排放产生的噪声问题。论文的研究对解决高 温高压水排放时产生的噪声污染，改善船员工作环境，提高舰船作战 能力具有重要的意义。关键词：高温高压水；喷射泵；消声器：传递损失；阻力损失哈尔滨工程大学硕士学位论文AB STRACTWhen high temperature and high pressure water directly discharge into the air or water，intense jet noise or cavitating noise would cause serious noise pollutionThis paperS key thing is to treat the high temperature and high pressure water，reduce the genermion of noise to a reasonable level After fully investigation and analysis to critical flow，principle of jet pump and mechanism of nosie generation，accompanied with the compact requirement，this paper put forward a new discharge scheme， that is passing high temperature and high pressure water through a jet pump，indrafiing cooling weater，then the mixing water flows through a mufflerWith evaporationS sluggish property，the high temperature water is cooled before large scale vaporation happens，which reduces the noise generationJet pump and muffer were designed in this paperThe models which created in ANSYS were guided into numerical simulation software FLUENT and SYSNOISE，then dynamic characteristic of jet pump， resistence property and acoustic performance of muffer were gained Several relevant models were also computed with the softwaresTheresults showed directions of improving the cooling effects and acoustic attenuationExperiments were carried out in order to verify the effects of the discharge schemeThe scheme could not only be used to eliminate the intense noise pollution that generates from high temperature and high pressure waterS air discharge，but also be used to solve the noise that generates from high temperature and high pressure waterS under water dischargeThe study has significant influence on elimimating noise哈尔滨工程大学硕士学位论文pollution，improving sailorsworking environment and enhancing thewarshipsbattle effectivenessKey words：High temperature and high pressure water；Jet pump；Muffler；Transmission loss；Resistence loss哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。作者(签字)：重!阻墨。日期：汐i)!年弓月8 Et哈尔滨丁程大学硕士学位论文第1章绪论11课题的研究背景在能源动力、石油化工、民用舰船及军用舰艇上以蒸汽为工作介 质的常规动力装置和核动力装置中，存在着很多高温高压水的工作场 合。当动力装置所需负荷降低，供给的高温高压水水量超过了在额定 负荷下所需的水量，多余的水就需要向外界排放；为保持水质，保证 动力装置安全、高效地工作，锅炉及蒸汽发生器需要定期排污m，在 特殊工况下，当排污水量超过设备排污水处理能力或排污水处理设备 不能正常工作时，高温高压排污水也需要向外界排放。如果直接向大 气环境排放，高温高压水在排出的瞬间闪蒸成高速的蒸汽流，高强度 的湍流会产生很强的喷注噪声，噪声级可达150dB左右m，造成了严 重的噪声污染。对发电厂和工厂，高强度的噪声会危害职工的身心健 康，对环境产生巨大的负面影响。对舰船，高温高压水需向海水中直 接排放，在低压海水环境中会闪发成大量的汽泡，经过周围海水的冷 却后汽泡破裂，会产生高强度的空化噪声，这不仅会降低船员的工作 效能，对作战舰艇来说，在海水中产生的噪声，危害是致命的。因此 对高温高压水进行有效处理，减少乃至消除噪声的产生是一个很有意 义的课题。12相关领域研究动态高温高压水的排放，出口为汽液两相临界流，流动比较复杂。高 温高压水排放之所以产生强烈的噪声，主要是由高温高压水的高温和 高压特性引起的，所以降低乃至消除噪声的产生，要从降温降压两个 方面进行考虑。如果在排放前就对高温高压水进行冷却，然后再进行排放，就能1哈尔滨-程大学硕士学位论文从根本上解决噪声的产生。因此可以采用高温高压水通过换热器冷却 降温，然后进行排放的方法减少噪声的产生。但是由于在换热管内流 动的是高温高压流体，为了保证换热器的工作可靠性，换热管的壁面 必须保证一定的厚度，即使采用强化换热的方式，换热效率也非常有 限；排放流体的温度不能太高，有一定的限值，这就需要比较大的换 热面积和冷却水量，上述因素使得换热管的尺寸比较大，相应换热器 的体积和重量也比较大，鉴于舱室的空间有限，使得这种方案的应用受到一定的限制。文献【2】提出了一种经二次节流将高温高压水变成低压水，经分离 罐使闪蒸的蒸汽扩容降压，气体和液体分别排放的方案。在这种方案 中，未闪发的水重复利用，闪蒸汽体向大气排空处理。这种方案的特 点是有一部分高纯度的水能够回收利用，蒸汽排放噪声声压级比较小，不过闪发室所占用的空间比较大，需要在管路上安装节流装置；回收 水增加了相应的管路，也需要占用一部分空间；节流装置和阀门的增 加也降低了系统的工作可靠性。本文研究的核心是在保证系统装置不占用太大空间的前提下有效 地降低高温高压水排放产生的噪声。13方案的提出一个声系统的构成包括声源、传播途径和接受器三个环节。在确 定噪声控制措施时，应从以下三个环节进行考虑：第一，从声源上根 治噪声：第二，在噪声传播途径上采取控制措施；第三，在接受点采 取措施。就所研究的内容来讲，排除了从上述第三个环节对噪声进行处理 的可能。对噪声进行控制，只能从声源上和噪声传播途径上采取控制 措施。从声源上根治噪声，这是一种最积极有效的措施。排放水排放时 之所以会产生噪声，在于高温高压特性，其中主要原因的是高温特性， 只要对高温高压水进行降温降压，然后再进行排放，这样就消除了噪2哈尔滨工程大学硕士学位论文声源，从而在根本上解决了噪声的产生。 如果由于条件的限制，从声源上降低噪声难以实现时，就需要在噪声传播途径上采取控制措施。采取声学控制技术，转移噪声的产生 位置，对排放水进行消声处理，降低噪声的功率水平，使之达到所允许的噪声水平。由于水和空气的密度以及声波的传播速度存在着巨大差异，两种 介质的声阻抗率差别很大。一种介质中的噪声源产生的噪声透过气液 交界面透射到另一种介质中去的能量是非常小的。将高温高压水由向 大气排放改为向水中排放，利用水和空气界面的透射损失，同时采取 有效措施降低高温高压水水下排放产生的噪声，就可以大大降低辐射 向大气环境中的噪声。一般来说，在流体流动过程中，当压力降低到相应温度下液体的 汽化压力时就会产生空化，这是一个蒸发的过程；当液体压力超过相 应温度下液体的汽化压力(局部汽化压强)时，就会产生冷凝。但是， 因为缺少能产生汽泡的核心”“，而表面张力又阻碍汽泡的生成，并由 于传热困难和其他原因，所以汽化过程可能推迟。文献6】提到，空化 过程中的相变是在有限时间间隔内发展起来的一种分子交换过程，因 此，当到达平衡汽化压力时，液体不会全部瞬时蒸发，而是一个依赖 时间的汽化过程的开始。利用空化过程的滞后性，在大规模空化发生前对高温水进行有效 的冷却，减少相变的发生规模，就可以从根源上降低噪声产生量。基 于此，设计了如下方案：将高温高压水通过喷射泵，在收缩喷嘴内流体以近乎单相流体加 速运动”1，喷出后引射冷却水，使得两种不同参数的流体具有比较大 的接触面，利用汽化过程的滞后性，进行传能、传质，对高温水进行 冷却；在喷嘴后添加一消声器，吸收一部分噪声，以降低噪声水平。在实际的管路中，流体流量是通过阀门进行控制的。流体流经阀 门时，由于部分开启的阀门的节流降压作用，高温高压水在喷出前就 己经产生了大量的汽泡。在所提出的方案中，根据高温高压水的额定哈尔滨丁程大学硕士学位论文排放流量设计喷射泵喷嘴的尺寸，这样在所设计的排放流量下就可以 将管路上的阀门开度开到最大，尽可能减少排放前汽体的生成份额， 从而减少噪声的产生。此外，由于采用了将两种流体直接混合这一换热效率极高的换热 方式，与换热器降温排放和节流降温降压排放两种方案相比，这种方 案的装置结构尺寸比较小。同时利用了高温高压水的自能源特性，对 外部没有动力需求，大大提高了系统工作的可靠性。对紧凑性要求非 常高的船舶来说，这种方案有着很大的优势。14本文的主要研究内容本文的任务是研究设计喷射泵和消声器，探讨相关因素对喷射泵 和消声器性能的影响。以流体力学的基本理论为基础，从临界两相流 出发，结合喷射泵的基本理论，对喷射泵进行了设计和分析；结合声 学的理论，参考空气中消声器的设计，对水消声器进行了结构形式的 设计和性能的研究。通过数值模拟和试验，提出了使喷射泵具有良好 的水动力特性，消声器具有良好的消声效果的改进方向。具体内容主 要分为以下四个部分：(1)对相关理论进行研究，为喷射泵和消声器的设计提供理论基 础。从噪声产生的机理出发，为喷射泵和消声器的设计和性能的提高 指出研究的方向。(2)给出一个喷射泵的算例。在喷射泵的设计计算中首先根据两 相临界流的理论确定喷嘴的最小出口尺寸，然后对喷射泵进行结构形 式以及相关尺寸的设计。(3)参考空气消声器设计理论，结合水下声学相关知识，设计了 饱和水消声器样机。(4)通过计算流体力学软件建模，利用FLUENT对喷射泵性能 与消声器阻力损失进行仿真分析，提出了改进冷却效果，减少流动阻 力的途径和方法；以声学理论为基础，利用有限元方法，通过声学软 件SYSNOISE对水消声器进行仿真，计算出所设计消声器的消声效果，4哈尔滨T程大学硕十学位论文通过对消声器消声性能产生重要影响的一些因素的分析，提出了改善 消声器消声性能的途径和方法。(5)实验验证。对喷射泵和消声器结构进行设计、加工，搭建实 验台架，进行实验，在不同的压力工况下测量消声装置安装前后的噪 声值；对实验结果进行分析处理并与理论计算相比较，验证设计装置 的合理性和方案的可行性。哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章理论基础21气水分界面声波的透射在一种流体介质中产生的声波，会被第二种介质接受或反射。一 般地，声波穿过界面时会偏离原来的入射方向，形成折射，这时反射 波、折射波的大小不仅与分界面两边介质的特性阻抗有关，而且与入 射角有关。对于声音从水中向空气中传播，根据斯涅耳声波反射与折射定律， 有酱=昙t，S】nE厶式中E，q，q，吒分别为入射角、透射角、水中声速和空气中声速。气液交界面上，根据压力连续条件”1，有P+P=只(22)式中只，P，只分别为入射声压、反射声压和透射声压的幅值。根据法向质点速度连续条件”，可得只一0=曰(2-3)式中：盟黑岛02 COS够将式(2-2)及式(2-3)联立求解，得声音从水中向空气中的反 射比q=鲁=等弘4，透射比为q=暑=南s，哈尔滨工程大学硕士学位论文水和空气两种介质的声阻抗率pc之比为3578(常压20)，由 水到空气中最有效的声透射，是在法线入射方向附近，此时有：黑>3578(2-6)coS伊由于气水两种介质的声阻抗率不同，透射过去的相对声功率， 不是透射压力比简单的平方关系。透射功率可通过在入射功率中减 去反射功率来计算，由此可得：鲁小衫2尚nm胪陋，式中形，rv,分别为投射功率和入射功率。 功率透射损失。PTL=1019W=-'295dB(28)声压透射损失TL：20lg乓生_>65dB(29)-t空气口2cz水P口，会 0r、图21水和空气界面上的透射空气对于水来说如同自由边界，声波透过分界面进入空气中的能 量只有入射声能的千分之一，声压透射损失至少为65dB。由此可见，哈尔滨工程大学硕十学位论文水中的噪声源透射到空气中的噪声是非常小的。22临界两相流高温高压水通过管道向周围环境中排放时，由于压力的突然降低， 达到过热而形成汽水混合物，并很快达到喷射最大流量，此时下游压 力变化时，流量不受影响，称为临界两相流。由于汽液之间有质量、动量与能量的交换，存在着动力学和热力 学的不平衡，即速度滑移和温差，而两相之间的截面又十分复杂，因 而使临界两相流动的研究十分复杂，以下几个因素是影响两相l临界流 的主要因素”，：(1)上游滞止参数(昂，或ro)； (2)通道几何形状(长管、短管、孔板、喷嘴等)； (3)壁面材料性质(影响汽泡形成)及液体中不凝性气体含量： (4)进口方式(圆弧进口或直段进口)。221热力学平衡模型热力学平衡模型是处理两相l临界流的简单模型，主要包括平衡均 相模型和滑移均相模型(福斯克模型和莫狄模型)。1平衡均相模型这是一种最简单的流动模型。在这种模型中，假设相间达到动 力学、热力学平衡，即两相速度相等；并由于相间传热系数无穷大， 有足够的时间使相间达到热力学平衡而使得相间温度相等。基于以 上假设，该模型采用类似单相流体的方法处理两相流动。临界流量 仅取决于上游滞止参数(晶，)。临界发生的条件被描述为，选择 出口截面压力P，使质量流速最大，此质量流速被定义为临界质量 流速。显然，这种模型不能考虑几何形状及其他因素对临界流量的 影响。把均质两相流当作单向流体处理，得到平衡均相流的临界质量流速的计算方程式“”：8耻巧ap纛ap哈尔滨工程大学硕士学位论文r(2·10)ap ll式中q一一临界质量流速，kg(m2s)： X-M出1：3蒸汽干度；一一出口液体比容，m3kg 矿一一出口蒸汽比容，m3kg。然而，按照这种流动模型计算所得到的计算值一般都偏低，尤其 是当出口干度很低时。对于长管，由于有足够的时间达到热力学平衡， 故用上述方法计算时误差不大，但是对于短管，由于流体流过的时间 很短，故误差很大，一般计算值约为实验值的l5。2福斯克模型福斯克从动量方程出发，分析了两相流通过长孔道内的临界流动， 假定汽液两相之间处于热力学平衡状态，从而导出了两相流的I临界质 量流速的一般计算式”叱q=(1-x+S'x)x-警p+v'(1+2S'x-2x)+v'(2xS·-2S'-2xS'2+S'2)妄pp下Q。”式中S为l临界流动时滑速比，其值为趾剧2L uJ(2-12)、G一一l临界质量流速，kg(m2s)； 工一一出172蒸汽干度； L，一一出13液体比容，m3kg； 0。一一出口蒸汽比容，m3kg。x。u，矿分别为在出1：3临界压力下流体的参数。临界压力可以根据9哈尔滨丁程大学硕士学位论文福克斯推荐的临界压比计算：PC=V。Po(2-13)式中风一一压力容器(锅炉，蒸汽发生器等)的滞止压力，Pa； y一一临界压比，对长径比超过12的长孔道，临界压比可取为055“”。图22 l临界压比与ZD的关系由于出口采用渐缩喷嘴形式，出口临界压比要比O55大，出口蒸 汽干度要比上述计算式要小，临界质量流速也要大一些。具体的喷嘴 出口尺寸要在上述设计基础上通过实验来确定。3莫狄模型在福克斯研究两相临界流的基础上，莫狄根据能量平衡方程导出 了l临界质量流速的一般表达式“”：q=(214)，、L式中S+为临界滑速比的经验公式10哈尔滨1二程大学硕十学何论文趾仨r(215)L瓯一一l临界质量流速，kg(m2s)； X一一出口蒸汽干度；一一出13液体比容，ra3kg： 矿一一出13蒸汽比容，m3，kg。 x，o，u。分别为出口临界压力下流体的参数。福斯克模型和莫狄模型都假定汽液两相是处于热力学平衡状态， 这种情况的条件是流动持续较长的时间，因此它们适用于计算长孔道 的临界流。222热力学非平衡模型均匀平衡模型假设不存在传热热阻，即蒸发所需要的潜热从液体 中瞬时释放出来，其实流体存在热阻，蒸发需要时间。液体中要产生 气化核心并使汽泡长大，需要过热度。在膨胀两相流中，蒸汽在过热 液体中产生，因为缺少能产生汽泡的核心，而表面张力又阻碍了汽泡 的生成，并由于传热困难和其他原因，汽化滞后将会发生，因此导致 非平衡性，极端的情况是“冻结流”模型“。对于短管、喷嘴、孔板 等短通道，模型假设流体通过通道的时间足够短，因而来不及使液相 产生相变。对于孔板(LD=0)，由于流体停留的时间短促，突然汽化发生 在孔板外面，因而不存在l临界压力。它的l临界流量可用下列不可压缩 流的孔板公式“”比较准确的计算出来。G眦=o61(42P(PoP)(2-16)式中G眦一一临界质量流量流速，kg(m2·s)： “一一上游滞止压力，Pa； 巩一一外界背压，Pa：一一液体密度，kgm3。哈尔滨工程大学硕士学位论文对于0<LD<3，流体在孔1：3中流动时，变成了一个表面上发生 汽化的亚稳态液芯射流，它的质量流速可由下式¨o，确定：钆20·61【2p(岛一见)(2-17)式中G嘣一一临界质量流量流速，kg(m2s)； 风一一上游滞止压力，Pa： 以一一临界压力，Pa，可由图21查取：一一液体密度，kgm3。对于3<D<12，亚稳态液芯破碎，导致一个高压脉冲。其流量 要比用方程(217)算出来的要低。上述所有数据都是在锐边进口的通道内得到的。在圆角进1：3通道 内，亚稳态流体与管壁有较多的接触，汽化可能推迟。对于0<LD<3 的孔道，例如喷嘴，圆角进口导致的临界压力要比图21所示的值来 的高而且流量稍微大一点。对于长孔道(LD>12)，圆角进口的影 响可以忽略，因而可以使用福克斯或莫狄模型的方法。在锐角进口的孔道内，壁面条件对临界流量没有影响，因为汽化 是在液芯表面上发生的，或者是液芯破裂所引起的，而液芯并不与壁 面相接触。而对圆形进口，壁面的条件对l临界流有一定的影响。23射流232射流的基本概念高压水从管道中喷出时，会形成射流。射流是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体的流动，。 若自喷嘴射出的流体射入流体特性相同的无限空间中，则称为淹没自由射流若射流处于层流状态，则称为层流射流；若射流为 紊流状态，则称为紊动射流或湍射流。实验研究表明，紊动自由射流 一般分为三个区段，即初始段、过渡段及主体段。初始段由势流核和 剪切层组成，在势流核内，其速度分布具有误差函数形式，并自入射 12哈尔滨工程大学硕士学位论文点逐渐向两侧扩展。即边界层的扩展。在自由射流主体段，边界层充 分发展，其速度、浓度(温度)等均服从高斯分布。射流的过渡段很 短，一般在分析中常予以忽略。233自由射流的一般特性流体以速度由孔口出射后，与周围静止流体间形成速度不连续 的间断面，如图22所示。由紊流力学知，速度间断层是不稳定的，图23自由紊动射流流动特征示意图 必定会产生波动，并发展成涡旋，从而引起紊动。这样就会把原来周 围处于静止状态的流体卷吸到射流中，这就是射流的卷吸现象。随着 紊动的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，射流边界逐 渐向两侧扩展，流量沿程增大。由于周围静止流体与射流的掺混相应 地产生了对射流的阻力，使射流边缘部分流速降低，难以保持原来的初始速度。射流与周围流体的掺混自边缘逐渐向中心发展，经过一定距离发展到射流中心，自此以后射流的全断面上都发展成紊流。由孔 口边界开始向内扩展的掺混区称之为剪切层或混合层，其中心部分未 受掺混的影响仍然保持原出口流速uo的区域称为紊流的势流核。紊哈尔滨工程大学硕士学位论文流充分发展以后的射流称为射流的主体段。在初始段与主体段之间有 一个很短的过渡段，一般在分析中不予分析。234圆形紊动射流高温高压水由管道中喷出时，所形成的是圆形紊动射流。图24圆形出151轴对称自由射流1主体段轴线流速衰减规律 流场按静压分布，射流各断面动量通量守恒，均等于出口断面的动量通量，即，=fpu22n'rdr=威石0(2一18)式中U。，ro分别为出121断面的流速和半径。 考虑到主体段各断面的流速分布存在相似性，即吖厂= 强(2-19)怍 为 特 征 半 厚 旦觑当当分曲f 时飞 列叫 将其代入上式中积 分 取得14哈尔滨丁程大学硕士学位论文fU"2砌=26；=瑶等(2-20) 设射流厚度线性扩展，即b。=“(2-21)代入(2-20)式，得一u烈1(D2o42c工工(222)、7根据相关实测资料“”，c=0114，则上式变为鱼：62_o(223)“O工该式表明，圆形紊动射流主体段轴线流速随x“而变。 2流量沿程变化射流任意断面的流量可表示成Q=fU2砌嘲f岬一)2 rdr：z万亏b2 r。坤一(考2仗亡2：删之4考虑到出口流量蜴=i1石D。“。，故流量比为旦：!丝鱼(2-25)QD2U0将式(2-23)及c值代入上式，得里：o32x(2·26)QoD3初始段长度令Urn=U0，可得圆形紊动射流初始段长度厶=62Df2·27)24高温高压水水下排放噪声机理J5哈尔滨丁程大学硕士学忙论文241空化噪声空化是由于局部静压力减小，从而引起液体或液体一固体界面的 断裂，断裂形成宏观的或可见的气泡。高温高压水在喷出的瞬间压力降低到环境水的低压力，达到过热 状态，闪发成汽泡。由于汽泡和周围水的汽液混合层内存在着较大的 温度梯度，所形成的汽泡会很快地由最大直径坍塌并破裂。在空泡的 发育和溃灭过程中，由于汽泡体积的迅速变化造成强烈的压力脉动， 会产生强烈的空化噪声D|-111。这是因为，一方面空泡辐射噪声机理基 本上属于脉动源(单极子)类型，这是一种最有效的声辐射源。另一方 面，空泡在其闭合到最小半径前后瞬间具有相当大的体积脉动率，因 此虽然空泡的体积很小，但其辐射的噪声声压却很大。广义的Light hill方程式“”：妒驴扣矾阢，一岳V陋2s，式中见一一声压，Pat一一液体中的声速，ms v一一液体中单位体积内质量的脉动速率，kgm3·s；，一一作用在单位体积上的脉动外力，N； f一一流体应力张量，Nm。对于所讨论的问题，声源仅与立体的脉动质量有关，因而上式可 以简化为V2p，一言J；=一p(2-29)由于汽泡的尺寸远小于噪声的波长，上式的解”见(吖)=掣(23。)且Q=IJv=丢(们式中P一一液体的密度，kgm3：哈尔滨工程大学硕士学位论文f一时间，s；，一一由汽泡中心至液体中任意点的径向距离，m：V一一任意时刻汽泡的体积n13。 在液体中，密度的变化可以忽略不计，即有p=岛。po为初始时刻流体的密度。从而(2-30)式可以写成只(叫=掣(231)设在任意时刻汽泡的半径为R。则有矿=扣3(2-32)从而旷=4zr(R2直+2砝21(233)将上式带入(2-31)式中，得到汽泡半径为月时，径向距离，处声压见(r，r)为咖)；堂半型(2，。)式中矗，矗分别为汽泡半径对时间的一次导数与二次导数。式(2-34)说明汽泡半径变化的快慢直接影响到噪声声压的大小。 在汽泡收缩过程中，它的变化速度是越来越快的，而且水温越低，变 化越快。此外，形成汽泡的初始半径的大小也直接影响到产生噪声的 大小。汽泡初始半径大，汽泡破裂产生的声压级也高；初始半径小， 汽泡破裂产生的声压级也低。图25给出了经典理论预计的一个典型气泡生长和崩溃周期。在 这种预计中，当半径接近于零时，速度为无穷大。实际上，由于汽泡 可压缩性的影响，以及溶解于水中永久性气体的作用，汽泡的崩溃速 度不可能无限大。永久性气体除了控制空化的起始过程，另一种主要作用是缓冲最 后的崩溃过程，并把快速崩溃气泡的一部分能量作为势能储存起来。哈尔滨工程大学硕士学位论文形成的空穴并再次崩溃，通常这种过程要重复四、五次。图26描述了含有永久性气体的空化气泡的生长和崩溃过程。半径一一时同图25理想的不可压缩流体中气泡按经典理论的生长和崩溃过程+声压0图26有限气体含量的空化气泡的生长和崩溃许多现象影响着气泡的生长和崩溃，在生长和崩溃周期的不同阶18哈尔滨工程大学硕士学位论文段，不同的现象分别起重要作用。这些现象包括运动边界的压力场和 速度场、表面张力、蒸发、熟传导、粘滞性和可压缩性。除了空穴最 初生长和最后崩溃期间以外，两个主要作用是运动表面的速度场和压 力场的相互作用。+害0图27空泡崩溃产生的压力脉冲空泡现象所固有的体积变化，像单极子一样辐射声音，空化气泡 的大部分声音都在崩溃阶段辐射。其生长和崩溃过程的声压可以用图 27来表示。汽泡崩溃的辐射包括一个低频的、负的汽泡振荡分量和 一个非常尖的、正的峰值。气泡的崩溃时间接近其生长时间的四分之 三。当气体含量很高时候，特别是在气体空化的情况下，低频分量是 主要的；而在汽化空化的情况下，正脉冲最重要。空化可以当作为一个随机过程来处理，并用统计方法推导其频谱 特性。当有大量的气泡生成并崩溃时，由于各气泡崩溃的脉冲性质和 出现次序是随机的，所以得到的频带很宽。空化噪声在O一100kHz上 均有分布，并且存在个极值，改变压力、流速和物体的形状可在较 大程度上改变空化噪声的频谱分布和强度。理想的宽带空化噪声谱如图28所示。空化谱级很快上升到一个19哈尔滨工程大学硕士学位论文峰值，然后在一个很宽的频带上以6dB倍频程的速度下降。，mf图28理想空化谱空化辐射的声功率是每个气泡辐射的平均能量与每秒钟气泡崩溃 数目的乘积。由于每次崩溃辐射的能量正比于崩溃压力与最大汽泡体 积的乘积，因此辐射功率正比于单位时间所产生的全部空化体积“， 即zP等(2-35) 测得的空化频谱表明，峰值频率较低，不过它是随崩溃压力而增 加的。舰船、潜艇在航行中产生的空化噪声频谱的峰值通常位于 1001000Hz的十倍频程内，在高航速的潜艇和浅海情况下移向低频。在峰值以下，频谱以612dB倍频程的速率增加。高频时，在峰值频 率以上的一个或几个倍频程中，频谱以接近6dB倍频程的速度下降。 空化进一步发展时，高频辐射强度略有减小。这可能是由于气泡 内的气体含量增加对崩溃起缓冲作用，以至高频声下降，或者是由于 许多气泡的存在引起介质本身的声学特性变化而造成的。在含有气泡哈尔滨工程大学硕士学位论文的液体中，声速急剧下降。因此，在较低的崩溃速度下，可压缩性的作用变得很重要，它有降低气泡壁最大崩溃速度的趋势。空化气泡都是含有蒸汽和气体的混合物，根据以哪种气体为主， 可分为汽化空化和气体空化，汽化空化引起与空化有关的大量噪声和 剥蚀。高温高压水喷入到水中时产生的空化是体空化，而管道中产生 的空化会出现在两个地方，即在流体与固体界面或在液体内部，实际 上大多数空化出现在固体的表面，或非常接近固体表面的地方，称为 边界空化或表面空化。在表面空化中，靠近固体边界的气泡非对称崩 溃，在这个过程中，气泡畸变成长球形空泡，离边界较近的表面冲击 固体边界，引起固体边界的强烈振动和剥蚀。242流噪声当流体流经介质表面时，便形成一个边界层，边界层中流速从一 个与流速有关的值减小到表面的零值。在流速很低的管中，流体粘性 起主要作用，边界层为层流。但是在流速较高的情况下，边界层变为 湍流边界层，涡流起主要作用，涡流的动量转移变得比粘性转移更重 要。层流的脉动很小，所以层流边界层的流噪声可以忽略不计。正是 湍流边界层的涡流运动导致速度和压力脉动增大，从而产生流噪声。流噪声的产生主要包括两部分Itt：(1)脉动速度和脉动压力直接 产生的向附面层以外空间的声辐射；(2)附面层脉动压力激起的固体 边界(一般是弹性薄壳)的随机振动和伴随的辐射噪声。附面层的脉动压力正比于来流的动压力(p嵋)，因此，当水下流体的流速达到空气中流体速度的130时，在它们的附面层中，就具有相同量级 的脉动压力。当表面粗糙或表面凹凸不平时，脉动压力的强度和功 率谱的形式都会有显著的变化，这种变化在附面层的不同位置也会 不同。流